Պաշտպանիչ գազի պարամետրերի ազդեցությունը լազերային եռակցման գործընթացի վրա

Լազերային եռակցման տեխնոլոգիաԲարձր էներգիայի խտության, ցածր ջերմային մուտքի և անհպում բնութագրերի շնորհիվ, այն դարձել է ժամանակակից ճշգրիտ արտադրության հիմնական գործընթացներից մեկը: Այնուամենայնիվ, եռակցման ընթացքում հալված հեղուկի մթնոլորտի հետ շփման հետևանքով առաջացած օքսիդացման, ծակոտկենության և տարրերի այրման նման խնդիրները լրջորեն սահմանափակում են եռակցման կարի մեխանիկական հատկությունները և ծառայության ժամկետը: Որպես եռակցման միջավայրի կառավարման հիմնական միջավայր, պաշտպանիչ գազի տեսակի, հոսքի արագության և փչման ռեժիմի ընտրությունը պետք է զուգակցվի նյութի բնութագրերի (օրինակ՝ քիմիական ակտիվություն, ջերմային հաղորդունակություն) և թիթեղի հաստության հետ:

Պաշտպանիչ գազերի տեսակները

Պաշտպանիչ գազերի հիմնական գործառույթը թթվածնի մեկուսացումն է, հալված ավազանի վարքի կարգավորումը և էներգիայի միացման արդյունավետության բարելավումը: Իրենց քիմիական հատկությունների հիման վրա պաշտպանիչ գազերը կարելի է դասակարգել իներտ գազերի (արգոն, հելիում) և ակտիվ գազերի (ազոտ, ածխաթթու գազ): Իներտ գազերը ունեն բարձր քիմիական կայունություն և կարող են արդյունավետորեն կանխել հալված ավազանի օքսիդացումը, սակայն ջերմային ֆիզիկական հատկությունների դրանց զգալի տարբերությունները զգալիորեն ազդում են եռակցման էֆեկտի վրա: Օրինակ, արգոնը (Ar) ունի բարձր խտություն (1.784 կգ/մ³) և կարող է ձևավորել կայուն ծածկույթ, սակայն դրա ցածր ջերմահաղորդականությունը (0.0177 Վտ/մ·Կ) հանգեցնում է հալված ավազանի դանդաղ սառեցմանը և եռակցման մակերեսային ներթափանցմանը: Ի տարբերություն դրա, հելիումը (He) ունի ութ անգամ ավելի բարձր ջերմահաղորդականություն (0.1513 Վտ/մ·Կ), քան արգոնը, և կարող է արագացնել հալված ավազանի սառեցումը և մեծացնել եռակցման ներթափանցումը, սակայն դրա ցածր խտությունը (0.1785 կգ/մ³) այն դարձնում է հակված արտահոսքի, ինչը պահանջում է ավելի բարձր հոսքի արագություն՝ պաշտպանիչ էֆեկտը պահպանելու համար: Ակտիվ գազերը, ինչպիսին է ազոտը (N₂), որոշակի դեպքերում կարող են բարձրացնել եռակցման ամրությունը՝ պինդ լուծույթում ամրացման միջոցով, սակայն չափից շատ օգտագործումը կարող է առաջացնել ծակոտկենություն կամ փխրուն փուլերի նստվածք: Օրինակ՝ դուպլեքս չժանգոտվող պողպատ եռակցելիս, ազոտի դիֆուզիան հալված ավազանի մեջ կարող է խաթարել ֆերիտի/աուստենիտի փուլային հավասարակշռությունը, ինչը հանգեցնում է կոռոզիոն դիմադրության նվազմանը:

Նկար 1. 304L չժանգոտվող պողպատի լազերային եռակցում (վերևում). Ar գազի պաշտպանություն; (ներքևում). N2 գազի պաշտպանություն

Գործընթացի մեխանիզմի տեսանկյունից, հելիումի բարձր իոնացման էներգիան (24.6 էՎ) կարող է ճնշել պլազմային պաշտպանիչ ազդեցությունը և ուժեղացնել լազերի էներգիայի կլանումը, դրանով իսկ մեծացնելով ներթափանցման խորությունը: Միևնույն ժամանակ, արգոնի ցածր իոնացման էներգիան (15.8 էՎ) հակված է առաջացնելու պլազմային ամպեր, ինչը պահանջում է ապաֆոկուսացում կամ իմպուլսային մոդուլյացիա՝ միջամտությունը նվազեցնելու համար: Բացի այդ, ակտիվ գազերի և հալված խառնուրդի միջև քիմիական ռեակցիան (օրինակ՝ ազոտի փոխազդեցությունը պողպատի մեջ Cr-ի հետ) կարող է փոխել եռակցման կազմը, և անհրաժեշտ է զգույշ ընտրություն՝ հիմնվելով նյութի հատկությունների վրա:

Նյութերի կիրառման օրինակներ.

• Պողպատ. Բարակ թիթեղների (<3 մմ) եռակցման դեպքում արգոնը կարող է ապահովել մակերեսի ավարտը՝ 1.5 մմ ցածր ածխածնային պողպատե եռակցման կարի դեպքում օքսիդային շերտի հաստությունը կազմում է ընդամենը 0.5 մկմ. հաստ թիթեղների (>10 մմ) դեպքում անհրաժեշտ է ավելացնել փոքր քանակությամբ հելիում (He)՝ ներթափանցման խորությունը մեծացնելու համար։

• Անջրանցիկ պողպատ. Արգոնի պաշտպանությունը կարող է կանխել Cr տարրի կորուստը, քանի որ 3 մմ հաստությամբ 304 չժանգոտվող պողպատից եռակցման կարում Cr-ի 18.2% պարունակությունը մոտենում է հիմնական մետաղի 18.5%-ին. դուպլեքս չժանգոտվող պողպատի համար հարաբերակցությունը հավասարակշռելու համար անհրաժեշտ է Ar-N₂ խառնուրդ (N₂ ≤ 5%): Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ 8 մմ հաստությամբ 2205 դուպլեքս չժանգոտվող պողպատի համար Ar-2% N₂ խառնուրդ օգտագործելիս ֆերիտի/աուստենիտի հարաբերակցությունը կայուն է 48:52-ի վրա՝ 780 ՄՊա ձգման ամրությամբ, որը գերազանցում է մաքուր արգոնի պաշտպանությանը (720 ՄՊա):

• Ալյումինե համաձուլվածք. Բարակ թիթեղ (<3 մմ): Ալյումինե համաձուլվածքների բարձր անդրադարձունակությունը հանգեցնում է էներգիայի կլանման ցածր մակարդակի, իսկ հելիումը, իր բարձր իոնացման էներգիայով (24.6 էՎ), կարող է կայունացնել պլազման: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ երբ 2 մմ հաստությամբ 6061 ալյումինե համաձուլվածքը պաշտպանված է հելիումով, ներթափանցման խորությունը հասնում է 1.8 մմ-ի, ինչը 25%-ով ավելի է արգոնի համեմատ, իսկ ծակոտկենության մակարդակը ցածր է 1%-ից: Հաստ թիթեղների համար (>5 մմ). Ալյումինե համաձուլվածքի հաստ թիթեղները պահանջում են բարձր էներգիայի մուտք, իսկ հելիում-արգոն խառնուրդը (He:Ar = 3:1) կարող է հավասարակշռել և՛ ներթափանցման խորությունը, և՛ արժեքը: Օրինակ, 8 մմ հաստությամբ 5083 թիթեղները եռակցելիս, խառը գազի պաշտպանության տակ ներթափանցման խորությունը հասնում է 6.2 մմ-ի, ինչը 35%-ով ավելի է մաքուր արգոն գազի համեմատ, իսկ եռակցման արժեքը նվազում է 20%-ով:

Նշում. Բնօրինակ տեքստը պարունակում է որոշ սխալներ և անհամապատասխանություններ: Թարգմանությունը հիմնված է տեքստի ուղղված և համահունչ տարբերակի վրա:

Արգոն գազի հոսքի արագության ազդեցությունը

Արգոնային գազի հոսքի արագությունը անմիջականորեն ազդում է հալված ավազանի գազային ծածկույթի ունակության և հեղուկային դինամիկայի վրա: Երբ հոսքի արագությունը անբավարար է, գազի շերտը չի կարող լիովին մեկուսացնել օդը, և հալված ավազանի եզրը հակված է օքսիդացման և գազի ծակոտիների առաջացմանը. երբ հոսքի արագությունը չափազանց բարձր է, դա կարող է առաջացնել տուրբուլենտություն, որը կարող է լվանալ հալված ավազանի մակերեսը և հանգեցնել եռակցման դեպրեսիայի կամ ցայտքի: Հեղուկային մեխանիկայի Ռեյնոլդսի թվի համաձայն (Re = ρvD/μ), հոսքի արագության աճը կբարձրացնի գազի հոսքի արագությունը: Երբ Re > 2300, լամինար հոսքը վերածվում է տուրբուլենտ հոսքի, որը կխաթարի հալված ավազանի կայունությունը: Հետևաբար, կրիտիկական հոսքի արագության որոշումը պետք է վերլուծվի փորձերի կամ թվային մոդելավորման միջոցով (օրինակ՝ CFD):

Նկար 2. Գազի տարբեր հոսքի արագությունների ազդեցությունը եռակցման կարի վրա

Հոսքի օպտիմալացումը պետք է կարգավորվի նյութի ջերմահաղորդականության և թիթեղի հաստության հետ համատեղ.

• Պողպատի և չժանգոտվող պողպատի համար. Բարակ պողպատե թիթեղների (1-2 մմ) համար հոսքի արագությունը նախընտրելի է 10-15 լ/րոպե: Հաստ թիթեղների (>6 մմ) համար այն պետք է մեծացվի մինչև 18-22 լ/րոպե՝ պոչային օքսիդացումը կանխելու համար: Օրինակ, երբ 6 մմ հաստությամբ 316L չժանգոտվող պողպատի հոսքի արագությունը 20 լ/րոպե է, HAZ կարծրության միատարրությունը բարելավվում է 30%-ով:

• Ալյումինե համաձուլվածքի համար. Բարձր ջերմահաղորդականությունը պահանջում է բարձր հոսքի արագություն՝ պաշտպանության ժամանակը երկարացնելու համար: 3 մմ հաստությամբ 7075 ալյումինե համաձուլվածքի դեպքում ծակոտկենության արագությունը ամենացածրն է (0.3%), երբ հոսքի արագությունը 25-30 լ/րոպե է: Այնուամենայնիվ, գերհաստ թիթեղների համար (>10 մմ) անհրաժեշտ է համատեղել այն կոմպոզիտային փչման հետ՝ տուրբուլենտությունից խուսափելու համար:

Գազի փչման ռեժիմի ազդեցությունը

Փչող գազի ռեժիմը անմիջականորեն ազդում է հալված ավազանի հոսքի օրինաչափության և թերությունների ճնշման էֆեկտի վրա՝ կարգավորելով գազի հոսքի ուղղությունը և բաշխումը: Փչող գազի ռեժիմը կարգավորում է հալված ավազանի հոսքը՝ փոխելով մակերեսային լարվածության գրադիենտը և Մարանգոնիի հոսքը (Մարանգոնիի հոսք): Կողմնային փչումը կարող է հալված ավազանը հոսել որոշակի ուղղությամբ՝ նվազեցնելով ծակոտիները և խարամի ներառումը. կոմպոզիտային փչումը կարող է բարելավել եռակցման ձևավորման միատարրությունը՝ հավասարակշռելով էներգիայի բաշխումը բազմակողմանի գազի հոսքի միջոցով:

Փչելու հիմնական մեթոդները ներառում են.

• Կոաքսիալ փչում. Գազի հոսքը լազերային ճառագայթի հետ համատեղ է արտանետվում՝ սիմետրիկորեն ծածկելով հալված ավազանը, հարմար է բարձր արագությամբ եռակցման համար: Դրա առավելությունը բարձր գործընթացային կայունությունն է, սակայն գազի հոսքը կարող է խանգարել լազերային ֆոկուսացմանը: Օրինակ, ավտոմոբիլային ցինկապատ պողպատե թերթի (1.2 մմ) վրա կոաքսիալ փչում օգտագործելիս եռակցման արագությունը կարող է մեծացվել մինչև 40 մմ/վրկ, իսկ ցայտքի արագությունը՝ 0.1-ից պակաս:

• Կողմնային փչում. Գազի հոսքը ներմուծվում է հալված ավազանի կողքից, որը կարող է օգտագործվել պլազմայի կամ հատակի խառնուրդները ուղղորդված հեռացնելու համար, ինչը հարմար է խորը ներթափանցման եռակցման համար: Օրինակ, երբ փչում եք 12 մմ հաստությամբ Q345 պողպատի վրա 30° անկյան տակ, եռակցման ներթափանցումը մեծանում է 18%-ով, իսկ հատակի ծակոտկենության մակարդակը նվազում է 4%-ից մինչև 0.8%:

• Կոմպոզիտային փչում. Կոաքսիալ և կողային փչման համադրումը կարող է միաժամանակ ճնշել օքսիդացումը և պլազմային միջամտությունը: Օրինակ՝ 3 մմ հաստությամբ 6061 ալյումինե համաձուլվածքի համար, որն ունի կրկնակի ծայրակալ, ծակոտկենության մակարդակը նվազում է 2.5%-ից մինչև 0.4%, իսկ ձգման ամրությունը հասնում է հիմնական նյութի 95%-ի:

Պաշտպանիչ գազի ազդեցությունը եռակցման որակի վրա հիմնականում բխում է էներգիայի փոխանցման կարգավորումից, հալված նյութի ջերմադինամիկայից և քիմիական ռեակցիաներից՝

1. Էներգիայի փոխանցում. Հելիումի բարձր ջերմահաղորդականությունը արագացնում է հալված ավազանի սառեցումը՝ նվազեցնելով ջերմային ազդեցության գոտու (ՀԱԳ) լայնությունը. արգոնի ցածր ջերմահաղորդականությունը երկարացնում է հալված ավազանի գոյության ժամանակը, ինչը օգտակար է բարակ թիթեղների մակերեսային ձևավորման համար։

2. Հալված ավազանի կայունություն. Գազի հոսքը ազդում է հալված ավազանի հոսքի վրա սղման ուժի միջոցով, և համապատասխան հոսքի արագությունը կարող է կանխել ցայտքը. չափազանց հոսքի արագությունը կառաջացնի մրրիկ, որը կհանգեցնի եռակցման թերությունների:

3. Քիմիական պաշտպանություն. Իներտ գազերը մեկուսացնում են թթվածինը և կանխում համաձուլվածքային տարրերի (օրինակ՝ Cr, Al) օքսիդացումը. ակտիվ գազերը (օրինակ՝ N₂) փոխում են եռակցման հատկությունները՝ պինդ լուծույթի ամրացման կամ միացությունների առաջացման միջոցով, սակայն կոնցենտրացիան պետք է ճշգրիտ վերահսկվի: