Лазерлік дәнекерлеу технологиясы, жоғары энергия тығыздығы, төмен жылу шығыны және жанаспайтын сипаттамаларына байланысты қазіргі заманғы дәлдік өндірісіндегі негізгі процестердің біріне айналды. Дегенмен, балқытылған бассейннің дәнекерлеу кезінде атмосферамен жанасуынан туындайтын тотығу, кеуектілік және элементтердің жануы сияқты мәселелер дәнекерлеу тігісінің механикалық қасиеттері мен қызмет ету мерзімін айтарлықтай шектейді. Дәнекерлеу ортасын басқарудың негізгі ортасы ретінде қорғаныс газының түрін, ағын жылдамдығын және үрлеу режимін таңдау материалдық сипаттамалармен (мысалы, химиялық белсенділік, жылу өткізгіштік) және пластинаның қалыңдығымен үйлесуі керек.
Қорғаныс газдарының түрлері
Қорғаныс газдарының негізгі қызметі оттегіні оқшаулау, балқытылған бассейннің әрекетін реттеу және энергия байланысының тиімділігін арттыру болып табылады. Химиялық қасиеттеріне сүйене отырып, қорғаныш газдарын инертті газдар (аргон, гелий) және белсенді газдар (азот, көмірқышқыл газы) деп жіктеуге болады. Инертті газдар жоғары химиялық тұрақтылыққа ие және балқытылған бассейннің тотығуын тиімді түрде болдырмайды, бірақ олардың жылулық-физикалық қасиеттеріндегі айтарлықтай айырмашылықтар дәнекерлеу әсеріне айтарлықтай әсер етеді. Мысалы, аргон (Ar) жоғары тығыздыққа ие (1,784 кг/м³) және тұрақты жабын түзе алады, бірақ оның төмен жылу өткізгіштігі (0,0177 Вт/м·К) балқытылған бассейннің баяу салқындауына және таяз дәнекерлеуге әкеледі. Керісінше, гелий (He) аргонға қарағанда сегіз есе жоғары жылу өткізгіштікке (0,1513 Вт/м·К) ие және балқытылған бассейннің салқындатуын жеделдетіп, дәнекерлеудің енуін арттыра алады, бірақ оның төмен тығыздығы (0,1785 кг/м³) оны ағып кетуге бейім етеді, бұл қорғаныс әсерін сақтау үшін жоғары ағын жылдамдығын қажет етеді. Азот (N₂) сияқты белсенді газдар белгілі бір жағдайларда қатты ерітіндіні нығайту арқылы дәнекерлеу беріктігін арттыра алады, бірақ шамадан тыс пайдалану кеуектілікті немесе сынғыш фазалардың тұнбасын тудыруы мүмкін. Мысалы, дуплексті тот баспайтын болатты дәнекерлеу кезінде балқытылған бассейнге азоттың диффузиясы феррит/аустенит фазасының тепе-теңдігін бұзуы мүмкін, бұл коррозияға төзімділіктің төмендеуіне әкеледі.
1-сурет. 304L тот баспайтын болатты лазерлік дәнекерлеу (жоғарғы жағы): Ar газымен қорғану; (төменгі жағы): N2 газымен қорғану
Процесс механизмі тұрғысынан гелийдің жоғары иондану энергиясы (24,6 эВ) плазмалық қорғаныс әсерін басуы және лазерлік энергияны сіңіруді күшейтуі мүмкін, осылайша ену тереңдігін арттырады. Сонымен қатар, аргонның төмен иондану энергиясы (15,8 эВ) плазма бұлттарын тудыруға бейім, бұл кедергіні азайту үшін дефокустауды немесе импульстік модуляцияны қажет етеді. Сонымен қатар, белсенді газдар мен балқытылған бассейн арасындағы химиялық реакция (мысалы, азоттың болаттағы Cr-мен әрекеттесуі) дәнекерлеу құрамын өзгертуі мүмкін, сондықтан материалдың қасиеттеріне негізделген мұқият таңдау қажет.
Материалды қолдану мысалдары:
• Болат: Жұқа пластиналы (<3 мм) дәнекерлеу кезінде аргон беткі қабаттың өңделуін қамтамасыз ете алады, 1,5 мм төмен көміртекті болат дәнекерлеу тігісі үшін оксид қабатының қалыңдығы небәрі 0,5 мкм; қалың пластиналар (>10 мм) үшін ену тереңдігін арттыру үшін аз мөлшерде гелий (He) қосу қажет.
• Тот баспайтын болат: Аргоннан қорғау Cr элементінің жоғалуын болдырмайды, қалыңдығы 3 мм 304 тот баспайтын болаттан жасалған дәнекерлеу тігісінде Cr мөлшері 18,2%, негізгі металдың 18,5%-ына жақындайды; дуплексті тот баспайтын болат үшін қатынасты теңестіру үшін Ar-N₂ қоспасы (N₂ ≤ 5%) қажет. Зерттеулер көрсеткендей, қалыңдығы 8 мм 2205 дуплексті тот баспайтын болат үшін Ar-2% N₂ қоспасын қолданған кезде феррит/аустенит қатынасы 48:52 қатынасында тұрақты, созылу беріктігі 780 МПа құрайды, бұл таза аргоннан қорғаудан (720 МПа) жоғары.
• Алюминий қорытпасы: Жұқа пластина (<3 мм): Алюминий қорытпаларының жоғары шағылыстыру қабілеті төмен энергия сіңіру жылдамдығына әкеледі, ал гелий өзінің жоғары иондану энергиясымен (24,6 эВ) плазманы тұрақтандыра алады. Зерттеулер көрсеткендей, 2 мм қалыңдықтағы 6061 алюминий қорытпасы гелиймен қорғалған кезде ену тереңдігі 1,8 мм-ге жетеді, бұл аргонмен салыстырғанда 25%-ға артады, ал кеуектілік деңгейі 1%-дан төмен. Қалың пластиналар үшін (>5 мм): Алюминий қорытпасынан жасалған қалың пластиналар жоғары энергия шығынын қажет етеді, ал гелий-аргон қоспасы (He:Ar = 3:1) ену тереңдігін де, құнын да теңестіре алады. Мысалы, 8 мм қалыңдықтағы 5083 пластиналарын дәнекерлеген кезде, аралас газ қорғанысы кезінде ену тереңдігі 6,2 мм-ге жетеді, бұл таза аргон газымен салыстырғанда 35%-ға артады, ал дәнекерлеу құны 20%-ға төмендейді.
Ескерту: Түпнұсқа мәтінде кейбір қателіктер мен сәйкессіздіктер бар. Берілген аударма мәтіннің түзетілген және үйлесімді нұсқасына негізделген.
Аргон газының ағын жылдамдығының әсері
Аргон газының ағын жылдамдығы балқытылған бассейннің газбен жабу қабілетіне және сұйықтық динамикасына тікелей әсер етеді. Ағын жылдамдығы жеткіліксіз болған кезде, газ қабаты ауаны толығымен оқшаулай алмайды, ал балқытылған бассейннің шеті тотығуға және газ тесіктерінің пайда болуына бейім; ағын жылдамдығы тым жоғары болған кезде, бұл турбуленттілікті тудыруы мүмкін, бұл балқытылған бассейн бетін шайып, дәнекерлеудің төмендеуіне немесе шашырауына әкелуі мүмкін. Сұйықтық механикасының Рейнольдс санына сәйкес (Re = ρvD/μ), ағын жылдамдығының артуы газ ағынының жылдамдығын арттырады. Re > 2300 болған кезде, ламинарлық ағын турбулентті ағынға айналады, бұл балқытылған бассейннің тұрақтылығын бұзады. Сондықтан, маңызды ағын жылдамдығын анықтауды тәжірибелер немесе сандық модельдеу (мысалы, CFD) арқылы талдау қажет.
2-сурет. Әртүрлі газ ағынының жылдамдықтарының дәнекерлеу тігісіне әсері
Ағынды оңтайландыру материалдың жылу өткізгіштігімен және пластинаның қалыңдығымен бірге реттелуі керек:
• Болат және тот баспайтын болат үшін: Жұқа болат пластиналар (1-2 мм) үшін ағын жылдамдығы 10-15 л/мин болғаны жөн. Қалың пластиналар (>6 мм) үшін құйрықтың тотығуын басу үшін оны 18-22 л/мин дейін арттыру керек. Мысалы, қалыңдығы 6 мм 316L тот баспайтын болаттың ағын жылдамдығы 20 л/мин болғанда, HAZ қаттылығының біркелкілігі 30%-ға жақсарады.
• Алюминий қорытпасы үшін: Жоғары жылу өткізгіштік қорғаныс уақытын ұзарту үшін жоғары ағын жылдамдығын қажет етеді. Қалыңдығы 3 мм 7075 алюминий қорытпасы үшін ағын жылдамдығы 25-30 л/мин болғанда кеуектілік жылдамдығы ең төмен (0,3%) болады. Дегенмен, аса қалың пластиналар (>10 мм) үшін турбуленттілікті болдырмау үшін композиттік үрлеумен біріктіру қажет.
Үрлемелі газ режимінің әсері
Үрлейтін газ режимі балқытылған бассейннің ағын схемасына және газ ағынының бағыты мен таралуын басқару арқылы ақауды басу әсеріне тікелей әсер етеді. Үрлейтін газ режимі беттік керілу градиентін және Марангони ағынын (Марангони ағыны) өзгерту арқылы балқытылған бассейннің ағынын реттейді. Бүйірлік үрлеу балқытылған бассейннің белгілі бір бағытта ағып кетуіне әкеліп, тесіктер мен қождың қосылуын азайтады; композиттік үрлеу көп бағытты газ ағыны арқылы энергия таралуын теңестіру арқылы дәнекерлеу түзілуінің біркелкілігін жақсарта алады.
Үрлеудің негізгі әдістеріне мыналар жатады:
• Коаксиалды үрлеу: Газ ағыны лазер сәулесімен коаксиалды түрде шығарылады, балқытылған бассейнді симметриялы түрде жабады, бұл жоғары жылдамдықты дәнекерлеуге жарамды. Оның артықшылығы - жоғары процестің тұрақтылығы, бірақ газ ағыны лазерлік фокустауға кедергі келтіруі мүмкін. Мысалы, автомобиль мырышталған болат парағына (1,2 мм) коаксиалды үрлеуді қолданған кезде дәнекерлеу жылдамдығын 40 мм/с дейін арттыруға болады, ал шашыраудың жылдамдығы 0,1-ден аз.
• Бүйірге үрлеу: Газ ағыны балқытылған бассейннің бүйірінен енгізіледі, оны плазмалық немесе түбіндегі қоспаларды бағыттау үшін пайдалануға болады, терең ену арқылы пісіруге жарамды. Мысалы, қалыңдығы 12 мм Q345 болатын 30° бұрышпен үрлегенде, пісіру енуі 18%-ға артады, ал түбіндегі кеуектілік деңгейі 4%-дан 0,8%-ға дейін төмендейді.
• Композиттік үрлеу: Коаксиалды және бүйірлік үрлеуді біріктіре отырып, ол тотығу мен плазмалық интерференцияны бір уақытта басады. Мысалы, қос саптамалы конструкциясы бар 3 мм қалыңдықтағы 6061 алюминий қорытпасы үшін кеуектілік деңгейі 2,5%-дан 0,4%-ға дейін төмендейді, ал созылу беріктігі негізгі материалдың 95%-ына жетеді.
Қорғаныс газының дәнекерлеу сапасына әсері негізінен оның энергия берілуін реттеуіне, балқытылған бассейннің термодинамикасына және химиялық реакцияларға байланысты:
1. Энергия алмасуы: Гелийдің жоғары жылу өткізгіштігі балқытылған бассейннің салқындатуын жеделдетеді, жылу әсер ететін аймақтың (HAZ) енін азайтады; аргонның төмен жылу өткізгіштігі балқытылған бассейннің өмір сүру уақытын ұзартады, бұл жұқа пластиналардың бетінің пайда болуына пайдалы.
2. Балқытылған бассейннің тұрақтылығы: Газ ағыны балқытылған бассейннің ағынына ығысу күші арқылы әсер етеді, ал тиісті ағын жылдамдығы шашырауды басуы мүмкін; шамадан тыс ағын жылдамдығы құйын тудырады, бұл дәнекерлеу ақауларына әкеледі.
3. Химиялық қорғаныс: Инертті газдар оттегін оқшаулайды және қорытпа элементтерінің (мысалы, Cr, Al) тотығуына жол бермейді; белсенді газдар (мысалы, N₂) қатты ерітіндінің нығаюы немесе қосылыс түзілуі арқылы дәнекерлеу қасиеттерін өзгертеді, бірақ концентрацияны дәл бақылау қажет.
Жарияланған уақыты: 09.04.2025
