Áhrif hlífðargasbreyta á leysisuðuferli

Áhrif hlífðargasbreyta á leysisuðuferli

01 Inngangur

Laser suðutækni, vegna mikillar orkuþéttleika, lágs hitainntaks og snertilausra eiginleika, hefur orðið eitt af kjarnaferlum nútíma nákvæmni framleiðslu. Hins vegar takmarkar oxun, grop og frumefnistap af völdum snertingar milli bráðnu laugarinnar og andrúmsloftsins við suðu verulega vélrænni eiginleika og endingartíma suðu. Hlífðargas, sem kjarnamiðill til að stjórna suðuumhverfinu, verður að velja út frá gerð þess, flæðishraða og blástursaðferð, ásamt efniseiginleikum (eins og efnahvarfsemi og hitaleiðni) og plötuþykkt.

Laser og rafeindageislavinnsla

02 Tegundir hlífðargass

Meginhlutverk hlífðargass er að einangra súrefni, stjórna hegðun bráðna laugar og bæta orkutengingar skilvirkni. Byggt á efnafræðilegum eiginleikum eru hlífðarlofttegundir flokkaðar í óvirkar lofttegundir (argon, helíum) og virkar lofttegundir (köfnunarefni, koltvísýringur). Óvirkar lofttegundir hafa mikinn efnafræðilegan stöðugleika og koma í veg fyrir oxun bráðnu laugarinnar, en hitaeðlisfræðilegur munur þeirra hefur veruleg áhrif á suðuútkomuna.

Til dæmis hefur argon (Ar) háan eðlismassa (1.784 kg/m³), sem myndar stöðugt þekjulag, en lág varmaleiðni þess (0.0177 W/m·K) hægir á kælingu og leiðir til grynnri skarpskyggni. Aftur á móti hefur helíum (He) hitaleiðni 8 sinnum hærri (0,1513 W/m·K), sem flýtir fyrir kælingu og eykur skarpskyggni, en lítill eðlismassi þess (0,1785 kg/m³) gerir það auðvelt að komast út og krefst meira flæðis til að viðhalda vernd.

Virkar lofttegundir, eins og köfnunarefni (N₂), geta bætt suðustyrk með því að styrkja fasta-lausn í sumum tilfellum, en óhófleg notkun getur valdið gljúpu eða brothættum fasaútfellingu. Til dæmis getur köfnunarefnisíferð inn í bráðnu laugina við tvíhliða ryðfríu stálsuðu truflað ferrít/austenít fasajafnvægið og dregið úr tæringarþol.

[Mynd: Mynd 1. Lasersuðu 304L ryðfríu stáli, (efst) Ar vörn; (neðst) N₂ vörn]

Frá sjónarhóli vinnslukerfisins dregur há jónunarorka helíums (24,6 eV) niður plasmavörn, eykur frásog og skarpskyggni leysirorku. Argon, með lægri jónunarorku (15,8 eV), myndar auðveldlega plasmaský, sem krefst affókus eða púlsmótunar til að draga úr truflunum. Ennfremur geta virkar lofttegundir hvarfast á efnafræðilegan hátt við bráðnu laugina (td N₂ myndað nítríð með Cr í stáli), breytt suðusamsetningu og krafist varúðar við val.

Dæmi um notkun efnis:
- Stál: Fyrir þunn blöð (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 mm), helíum viðbót bætir skarpskyggni.
- Ryðfrítt stál: Argon vörn kemur í veg fyrir Cr tap. Í 3 mm þykku 304 ryðfríu stáli nær Cr innihald í suðu 18,2% (nálægt 18,5% í grunnmálmi). Tvíhliða ryðfríu stáli þarf Ar-N₂ blöndur (N₂ Minna en eða jafnt og 5%) fyrir fasajafnvægi. Rannsóknir sýna að með 8 mm þykkt 2205 tvíhliða ryðfríu stáli heldur Ar-2%N2 ferrít/austenít hlutfallinu 48:52 og togstyrk 780 MPa, betra en hreint Ar (720 MPa).
- Álblöndur: Fyrir þunnar plötur (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 mm), He-Ar blöndur (3:1) jafnvægi skarpskyggni og kostnaðar. Til dæmis náði suðu á 8 mm þykkri 5083 plötu með blönduðu gasi 6,2 mm skarpskyggni, 35% dýpra en hreint Ar, en lækkaði kostnað um 20%.

Laser og rafeindageislavinnsla

03 Áhrif hlífðargasflæðishraða

Rennslishraði hlífðargassins hefur bein áhrif á þekjugetu og gangverki vökva í bráðnu lauginni. Ófullnægjandi flæði tekst ekki að einangra loft að fullu, sem leiðir til oxunar og porosity. Of mikið flæði getur valdið ókyrrð, hreinsað bráðnu laugina og valdið lægðum eða skvettum. Samkvæmt Reynolds tölunni (Re=ρvD/μ) eykur hærra flæði hraðann og þegar Re > 2300 breytist lagskipt flæði í óróa, sem veldur óstöðugleika í bráðnu lauginni. Þannig verður að ákvarða mikilvægan flæðihraða með tilraunum eða með CFD-hermi.

[Mynd: Mynd 2. Áhrif mismunandi streymi hlífðargass á suðu]

Fínstilling á flæði verður að taka tillit til hitaleiðni og plötuþykktar:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 mm), þarf 18–22 l/mín til að bæla oxun. Til dæmis, með 6 mm þykkt 316L ryðfríu stáli, bætti 20 L/mín. einsleitni HAZ hörku um 30%.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 mm, blönduð blástur er nauðsynlegur til að forðast ókyrrð.

Laser og rafeindageislavinnsla

04 Áhrif hlífðargasblástursaðferða

Blássaðferðin, með því að stjórna stefnu og dreifingu loftflæðis, hefur bein áhrif á flæði bráðna laugar og bælingu galla. Það breytir yfirborðsspennuhalla og Marangoni flæði og stjórnar þar með gangverki bráðnu laugarinnar. Hliðar-blástur framkallar stefnubundið flæði, dregur úr gropi og innfellingum, á meðan blástur samsettur kemur jafnvægi á orkudreifingu og bætir einsleitni suðu.

[Mynd: Mynd 3. Áhrif mismunandi blástursaðferða á suðu]

Helstu blástursaðferðir:
- Koaxblástur: Loftflæði er samásandi við leysigeislann, þekur samhverft bráðnu laugina, hentugur fyrir háhraða suðu. Það tryggir mikinn vinnslustöðugleika en getur truflað leysifókus. Til dæmis, með 1,2 mm galvaniseruðu bílastáli, jók koaxial blástur suðuhraða í 40 mm/s, með skvettum<0.1.
- Hlið-blástur: Loftstreymi kemur inn frá hliðinni, hreinsar í raun plasma og óhreinindi, hentugur fyrir djúpsuðu. Fyrir 12 mm þykkt Q345 stál við 30 gráðu hliðar-blástur jókst skarpskyggni um 18% og porosity lækkaði úr 4% í 0,8%.
- Samsett blástur: Með því að sameina samása og hliðarblástur-, bælir það samtímis oxun og plasmatruflunum. Fyrir 3 mm þykka 6061 álblöndu með tvískiptri -stútahönnun minnkaði gropið úr 2,5% í 0,4%, þar sem togstyrkur náði 95% af grunnefninu.

05 Niðurstaða

Áhrif hlífðargass á suðugæði stafar í meginatriðum af stjórnun þess á orkuflutningi, varmafræði bráðnu laugar og efnahvörfum:
1. Orkuflutningur: Hár hitaleiðni Helium flýtir fyrir kælingu, dregur úr HAZ breidd; Lítil leiðni argon lengir líftíma bráðnar laugar, sem gagnast við myndun þunnrar plötu.
2. Stöðugleiki bráðnar laugar: Loftflæðisskurður hefur áhrif á flæði bráðnar laugar. Rétt flæði dregur úr skvettum á meðan of mikið flæði veldur hvirflum og göllum.
3. Efnavernd: Óvirkar lofttegundir einangra súrefni og koma í veg fyrir oxun á málmblöndur (td Cr, Al). Virkar lofttegundir (td N₂) breyta suðueiginleikum með styrkingu í fastri-lausn eða efnasambandsmyndun, en krefjast nákvæmrar stjórnunar.

Laser og rafeindageislavinnsla

Heimild: Safnað af ritstjórn opinbera reikningsins WeChat "High-Energy Beam Processing Technology and Applications."