Лазердик ширетүү технологиясы, жогорку энергия тыгыздыгы, аз жылуулук киргизүү жана контактсыз мүнөздөмөлөрүнөн улам, заманбап так өндүрүштөгү негизги процесстердин бирине айланды. Бирок, ширетүү учурунда эритилген көлмөнүн атмосфера менен байланышынан келип чыккан кычкылдануу, тешиктүүлүк жана элементтердин күйүп кетиши сыяктуу көйгөйлөр ширетүүчү тигиштин механикалык касиеттерин жана кызмат мөөнөтүн олуттуу чектейт. Ширетүүчү чөйрөнү башкаруунун негизги чөйрөсү катары, коргоочу газдын түрүн, агым ылдамдыгын жана үйлөө режимин тандоо материалдык мүнөздөмөлөр (мисалы, химиялык активдүүлүк, жылуулук өткөрүмдүүлүгү) жана пластинанын калыңдыгы менен айкалыштырылышы керек.
Коргоочу газдардын түрлөрү
Коргоочу газдардын негизги функциясы кычкылтекти бөлүп алууда, эриген көлмөнүн жүрүм-турумун жөнгө салууда жана энергия менен байланышуунун натыйжалуулугун жогорулатууда турат. Химиялык касиеттерине жараша коргоочу газдарды инерттүү газдар (аргон, гелий) жана активдүү газдар (азот, көмүр кычкыл газы) деп бөлүүгө болот. Инерттүү газдар жогорку химиялык туруктуулукка ээ жана эриген көлмөнүн кычкылдануусун натыйжалуу алдын алат, бирок алардын жылуулук-физикалык касиеттериндеги олуттуу айырмачылыктар ширетүү эффектине олуттуу таасир этет. Мисалы, аргон (Ar) жогорку тыгыздыкка ээ (1,784 кг/м³) жана туруктуу каптоону түзө алат, бирок анын жылуулук өткөрүмдүүлүгүнүн төмөндүгү (0,0177 Вт/м·К) эриген көлмөнүн жай муздашына жана ширетүүнүн тайыз өтүшүнө алып келет. Ал эми гелий (He) аргонго караганда сегиз эсе жогору жылуулук өткөрүмдүүлүгүнө (0,1513 Вт/м·К) ээ жана эриген көлмөнүн муздашын тездетип, ширетүүнүн өтүшүн жогорулатат, бирок анын төмөн тыгыздыгы (0,1785 кг/м³) аны сыртка чыгууга жакын кылат, бул коргоочу эффектти сактоо үчүн жогорку агым ылдамдыгын талап кылат. Азот (N₂) сыяктуу активдүү газдар айрым сценарийлерде катуу эритмени бекемдөө аркылуу ширетүүнүн бекемдигин жогорулатышы мүмкүн, бирок ашыкча колдонуу тешиктүүлүккө же морт фазалардын чөкмөсүнө алып келиши мүмкүн. Мисалы, дуплекстүү дат баспас болотту ширетүү учурунда, эриген көлмөгө азоттун диффузиясы феррит/аустенит фазасынын балансын бузуп, коррозияга туруктуулуктун төмөндөшүнө алып келиши мүмкүн.
1-сүрөт. 304L дат баспас болотту лазер менен ширетүү (үстү): Ar газ менен коргоо; (төмөнкү): N2 газ менен коргоо
Процесстин механизминин көз карашынан алганда, гелийдин жогорку иондоштуруу энергиясы (24,6 эВ) плазманы коргоочу эффектти басаңдатып, лазер энергиясын сиңирүүнү күчөтүп, ошону менен кирүү тереңдигин жогорулатат. Ошол эле учурда, аргондун төмөн иондоштуруу энергиясы (15,8 эВ) плазма булуттарын пайда кылууга жакын, бул тоскоолдуктарды азайтуу үчүн дефокустоону же импульстук модуляцияны талап кылат. Мындан тышкары, активдүү газдар менен эриген көлмөнүн ортосундагы химиялык реакция (мисалы, болотто азоттун Cr менен реакцияга кириши) ширетүүнүн курамын өзгөртүшү мүмкүн, ошондуктан материалдын касиеттерине негизделген кылдат тандоо зарыл.
Материалдык колдонуунун мисалдары:
• Болот: Жука пластиналуу (<3 мм) ширетүүдө аргон беттин жасалгаланышын камсыздай алат, 1,5 мм аз көмүртектүү болот ширетүүчү тигиш үчүн кычкыл катмарынын калыңдыгы болгону 0,5 мкм; калың пластиналар (>10 мм) үчүн кирүү тереңдигин жогорулатуу үчүн бир аз өлчөмдө гелий (He) кошуу керек.
• Дат баспас болот: Аргондон коргоо Cr элементинин жоголушунун алдын алат, 3 мм калыңдыктагы 304 дат баспас болоттон жасалган ширетүүчү тигиште Cr курамы 18,2% түзүп, негизги металлдын 18,5% га жакын; дуплекстүү дат баспас болот үчүн катышты теңдөө үчүн Ar-N₂ аралашмасы (N₂ ≤ 5%) керек. Изилдөөлөр көрсөткөндөй, 8 мм калыңдыктагы 2205 дуплекстүү дат баспас болот үчүн Ar-2% N₂ аралашмасын колдонгондо, феррит/аустенит катышы 48:52де туруктуу болот, 780 МПа созулууга туруктуу, бул таза аргондон коргоодон (720 МПа) жогору.
• Алюминий эритмеси: Жука пластина (<3 мм): Алюминий эритмелеринин жогорку чагылдыруу жөндөмдүүлүгү энергияны сиңирүү ылдамдыгынын төмөн болушуна алып келет, ал эми гелий жогорку иондоштуруу энергиясы (24,6 эВ) менен плазманы турукташтыра алат. Изилдөөлөр көрсөткөндөй, 2 мм калыңдыктагы 6061 алюминий эритмеси гелий менен корголгондо, кирүү тереңдиги 1,8 ммге жетип, аргонго салыштырмалуу 25% га жогорулайт, ал эми тешиктүүлүк ылдамдыгы 1% дан төмөн. Калың пластиналар үчүн (>5 мм): Алюминий эритмесинин калың пластиналары жогорку энергияны талап кылат, ал эми гелий-аргон аралашмасы (He:Ar = 3:1) кирүү тереңдигин жана баасын тең салмактай алат. Мисалы, 8 мм калыңдыктагы 5083 пластиналарын ширетүү учурунда, аралаш газ коргоосу астында кирүү тереңдиги 6,2 ммге жетет, бул таза аргон газына салыштырмалуу 35% га жогорулайт жана ширетүүнүн баасы 20% га төмөндөйт.
Эскертүү: Түпнуска текстте айрым каталар жана карама-каршылыктар бар. Берилген котормо тексттин оңдолгон жана ырааттуу версиясына негизделген.
Аргон газынын агым ылдамдыгынын таасири
Аргон газынын агым ылдамдыгы эритилген бассейндин газды каптоо мүмкүнчүлүгүнө жана суюктуктун динамикасына түздөн-түз таасир этет. Агым ылдамдыгы жетишсиз болгондо, газ катмары абаны толугу менен бөлүп ала албайт жана эритилген бассейндин чети кычкылданууга жана газ тешикчелеринин пайда болушуна жакын; агым ылдамдыгы өтө жогору болгондо, ал турбуленттүүлүктү пайда кылышы мүмкүн, бул эритилген бассейндин бетин жууп, ширетүүнүн чөгүшүнө же чачырашына алып келиши мүмкүн. Суюктук механикасынын Рейнольдс санына ылайык (Re = ρvD/μ), агым ылдамдыгынын жогорулашы газ агымынын ылдамдыгын жогорулатат. Re > 2300 болгондо, ламинардык агым турбуленттүү агымга айланат, бул эритилген бассейндин туруктуулугун бузат. Ошондуктан, критикалык агым ылдамдыгын аныктоону эксперименттер же сандык симуляциялар (мисалы, CFD) аркылуу талдоо керек.
2-сүрөт. Ар кандай газ агымынын ылдамдыгынын ширетүүчү тигишке тийгизген таасири
Агымды оптималдаштыруу материалдын жылуулук өткөрүмдүүлүгү жана плитанын калыңдыгы менен бирге туураланышы керек:
• Болот жана дат баспас болот үчүн: Жука болот плиталар (1-2 мм) үчүн агым ылдамдыгы 10-15 л/мүн болушу мүмкүн. Калың плиталар (>6 мм) үчүн куйрук кычкылдануусун басуу үчүн аны 18-22 л/мүн чейин көбөйтүү керек. Мисалы, калыңдыгы 6 мм болгон 316L дат баспас болоттун агым ылдамдыгы 20 л/мүн болгондо, HAZ катуулугунун бирдейлиги 30% га жакшырат.
• Алюминий эритмеси үчүн: Жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү коргоо убактысын узартуу үчүн жогорку агым ылдамдыгын талап кылат. 3 мм калыңдыктагы 7075 алюминий эритмеси үчүн агым ылдамдыгы 25-30 л/мин болгондо тешиктүүлүк ылдамдыгы эң төмөнкү (0,3%) болот. Бирок, өтө калың пластиналар (>10 мм) үчүн турбуленттүүлүктү болтурбоо үчүн композиттик үйлөө менен айкалыштыруу зарыл.
Газды үйлөө режиминин таасири
Газ үйлөө режими газ агымынын багытын жана бөлүштүрүлүшүн көзөмөлдөө менен эритилген көлмөнүн агым схемасына жана кемчиликти басуу эффектине түздөн-түз таасир этет. Газ үйлөө режими беттик тартылуу градиентин жана Марангони агымын (Марангони агымы) өзгөртүү менен эритилген көлмөнүн агымын жөнгө салат. Капталдан үйлөө эритилген көлмөнүн белгилүү бир багытта агышына алып келип, тешикчелерди жана шлак кошулмаларын азайтат; курама үйлөө көп багыттуу газ агымы аркылуу энергия бөлүштүрүлүшүн тең салмактоо менен ширетүүнүн бирдейлигин жакшырта алат.
Чачты үрөөнүн негизги ыкмаларына төмөнкүлөр кирет:
• Коаксиалдык үйлөө: Газ агымы лазер нуру менен коаксиалдык түрдө чыгарылып, эритилген көлмөнү симметриялуу түрдө жаап, жогорку ылдамдыктагы ширетүүгө ылайыктуу. Анын артыкчылыгы - жогорку процесстин туруктуулугу, бирок газ агымы лазердик фокустоого тоскоол болушу мүмкүн. Мисалы, автомобиль цинктелген болот барактарына (1,2 мм) коаксиалдык үйлөөнү колдонгондо, ширетүү ылдамдыгын 40 мм/с чейин жогорулатууга болот, ал эми чачыратуу ылдамдыгы 0,1ден аз.
• Капталдан үйлөө: Газ агымы эритилген көлмөнүн капталынан киргизилет, ал плазманы же түбүндөгү кошулмаларды багыттуу түрдө жок кылуу үчүн колдонулушу мүмкүн, терең сиңүүчү ширетүүгө ылайыктуу. Мисалы, 12 мм калыңдыктагы Q345 болотун 30° бурч менен үйлөгөндө, ширетүүнүн сиңүүсү 18% га жогорулайт, ал эми түбүндөгү тешиктүүлүктүн ылдамдыгы 4% дан 0,8% га чейин төмөндөйт.
• Композиттик үйлөө: Коаксиалдык жана каптал үйлөөнү айкалыштыруу менен, ал бир эле учурда кычкылданууну жана плазмалык интерференцияны басаңдата алат. Мисалы, кош соплолуу конструкциясы бар 3 мм калыңдыктагы 6061 алюминий эритмеси үчүн тешиктүүлүк ылдамдыгы 2,5% дан 0,4% га чейин төмөндөйт, ал эми созулууга туруктуулук негизги материалдын 95% га жетет.
Коргоочу газдын ширетүү сапатына тийгизген таасири негизинен анын энергия алмашуусун жөнгө салуусунан, эриген көлмөнүн термодинамикасынан жана химиялык реакциялардан келип чыгат:
1. Энергиянын өткөрүлүшү: Гелинин жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү эриген көлмөнүн муздашын тездетип, жылуулукка таасир этүүчү зонанын (HAZ) туурасын азайтат; аргондун төмөн жылуулук өткөрүмдүүлүгү эриген көлмөнүн жашоо убактысын узартат, бул жука плиталардын бетинин пайда болушу үчүн пайдалуу.
2. Эритилген бассейндин туруктуулугу: Газ агымы кесүү күчү аркылуу эритилген бассейндин агымына таасир этет жана тийиштүү агым ылдамдыгы чачырандыларды басаңдата алат; ашыкча агым ылдамдыгы куюнду пайда кылып, ширетүүдө кемчиликтерге алып келет.
3. Химиялык коргоо: Инерттик газдар кычкылтекти бөлүп алат жана эритме элементтеринин (мисалы, Cr, Al) кычкылданышына жол бербейт; активдүү газдар (мисалы, N₂) катуу эритмени бекемдөө же кошулмаларды пайда кылуу аркылуу ширетүүнүн касиеттерин өзгөртөт, бирок концентрацияны так көзөмөлдөө керек.
Жарыяланган убактысы: 2025-жылдын 9-апрели
