லேசர் பற்றவைப்பு செயல்முறையில் பாதுகாப்பு வாயு அளவுருக்களின் தாக்கம்

லேசர் வெல்டிங் தொழில்நுட்பம்அதன் அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, குறைந்த வெப்ப உள்ளீடு மற்றும் தொடுதல் இல்லாத பண்புகள் காரணமாக, இது நவீன துல்லிய உற்பத்தியில் முக்கிய செயல்முறைகளில் ஒன்றாக மாறியுள்ளது. இருப்பினும், பற்றவைப்பின் போது உருகிய திரவக் குளம் வளிமண்டலத்துடன் தொடர்பு கொள்வதால் ஏற்படும் ஆக்சிஜனேற்றம், நுண்துளைகள் மற்றும் உலோகம் எரிந்து போதல் போன்ற சிக்கல்கள், பற்றவைப்புப் பகுதியின் இயந்திரவியல் பண்புகளையும் சேவை ஆயுளையும் கடுமையாகக் கட்டுப்படுத்துகின்றன. பற்றவைப்புச் சூழலைக் கட்டுப்படுத்துவதற்கான முக்கிய ஊடகமாக, பாதுகாப்பு வாயுவின் வகை, பாய்வு விகிதம் மற்றும் ஊதும் முறை ஆகியவற்றின் தேர்வானது, பொருளின் பண்புகள் (வேதியியல் செயல்பாடு, வெப்பக் கடத்துத்திறன் போன்றவை) மற்றும் தகட்டின் தடிமன் ஆகியவற்றுடன் இணைந்ததாக இருக்க வேண்டும்.

பாதுகாப்பு வாயுக்களின் வகைகள்

ஆக்சிஜனைத் தனிமைப்படுத்துதல், உருகிய குளத்தின் நடத்தையை ஒழுங்குபடுத்துதல் மற்றும் ஆற்றல் இணைப்பின் செயல்திறனை மேம்படுத்துதல் ஆகியவையே பாதுகாப்பு வாயுக்களின் முக்கியச் செயல்பாடுகளாகும். அவற்றின் வேதியியல் பண்புகளின் அடிப்படையில், பாதுகாப்பு வாயுக்களை மந்த வாயுக்கள் (ஆர்கான், ஹீலியம்) மற்றும் வினைத்திறன் மிக்க வாயுக்கள் (நைட்ரஜன், கார்பன் டை ஆக்சைடு) என வகைப்படுத்தலாம். மந்த வாயுக்கள் அதிக வேதியியல் நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளன மற்றும் உருகிய குளத்தின் ஆக்சிஜனேற்றத்தைத் திறம்படத் தடுக்கின்றன, ஆனால் அவற்றின் வெப்ப இயற்பியல் பண்புகளில் உள்ள குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடுகள் பற்றவைப்பு விளைவைப் பெரிதும் பாதிக்கின்றன. எடுத்துக்காட்டாக, ஆர்கான் (Ar) அதிக அடர்த்தியைக் (1.784 kg/m³) கொண்டுள்ளது மற்றும் ஒரு நிலையான பூச்சினை உருவாக்க முடியும், ஆனால் அதன் குறைந்த வெப்பக் கடத்துத்திறன் (0.0177 W/m·K) உருகிய குளம் மெதுவாகக் குளிர்வதற்கும் ஆழமற்ற பற்றவைப்பு ஊடுருவலுக்கும் வழிவகுக்கிறது. இதற்கு மாறாக, ஹீலியம் (He) ஆர்கானை விட எட்டு மடங்கு அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறனைக் (0.1513 W/m·K) கொண்டுள்ளது. மேலும் இது உருகிய குளத்தின் குளிர்விப்பைத் துரிதப்படுத்தி, பற்றவைப்பு ஊடுருவலை அதிகரிக்க முடியும். ஆனால், அதன் குறைந்த அடர்த்தி (0.1785 kg/m³) காரணமாக, அது எளிதில் வெளியேற வாய்ப்புள்ளது. எனவே, அதன் பாதுகாப்பு விளைவைத் தக்கவைக்க அதிக பாய்வு விகிதம் தேவைப்படுகிறது. நைட்ரஜன் (N₂) போன்ற செயலூக்க வாயுக்கள், சில சூழ்நிலைகளில் திடக் கரைசல் வலுவூட்டல் மூலம் பற்றவைப்பு வலிமையை அதிகரிக்க முடியும். ஆனால், அதிகப்படியான பயன்பாடு நுண்துளைகள் அல்லது நொறுங்கும் தன்மையுள்ள கட்டங்களின் வீழ்படிவை ஏற்படுத்தக்கூடும். உதாரணமாக, டூப்ளெக்ஸ் துருப்பிடிக்காத எஃகைப் பற்றவைக்கும்போது, ​​உருகிய குளத்திற்குள் நைட்ரஜன் பரவுவது ஃபெரைட்/ஆஸ்டெனைட் கட்டச் சமநிலையைச் சீர்குலைத்து, அரிப்பு எதிர்ப்பைக் குறைக்கக்கூடும்.

படம் 1. 304L துருப்பிடிக்காத எஃகின் லேசர் பற்றவைப்பு (மேல்): ஆர்கான் வாயு பாதுகாப்பு; (கீழ்): நைட்ரஜன் வாயு பாதுகாப்பு

செயல்முறை பொறிமுறையின் கண்ணோட்டத்தில், ஹீலியத்தின் உயர் அயனியாக்க ஆற்றல் (24.6 eV) பிளாஸ்மா கவச விளைவை அடக்கி, லேசர் ஆற்றல் உறிஞ்சுதலை மேம்படுத்துகிறது, இதன் மூலம் ஊடுருவல் ஆழத்தை அதிகரிக்கிறது. அதே சமயம், ஆர்கானின் குறைந்த அயனியாக்க ஆற்றல் (15.8 eV) பிளாஸ்மா மேகங்களை உருவாக்கும் வாய்ப்புள்ளது, இது குறுக்கீட்டைக் குறைக்க குவியம் விலக்குதல் அல்லது துடிப்பு பண்பேற்றம் தேவைப்படுகிறது. மேலும், செயல்படும் வாயுக்களுக்கும் உருகிய குளத்திற்கும் இடையிலான வேதியியல் வினை (எ.கா. எஃகில் உள்ள குரோமியத்துடன் நைட்ரஜன் வினைபுரிவது) பற்றவைப்பு கலவையை மாற்றக்கூடும், எனவே பொருளின் பண்புகளின் அடிப்படையில் கவனமான தேர்வு அவசியம்.

பொருள் பயன்பாட்டு எடுத்துக்காட்டுகள்:

• எஃகு: மெல்லிய தகடுகளை (<3 மிமீ) பற்றவைக்கும்போது, ​​1.5 மிமீ குறைந்த கார்பன் எஃகு பற்றவைப்புப் பகுதிக்கு, ஆர்கான் வாயுவால் வெறும் 0.5 μm தடிமன் கொண்ட ஆக்சைடு படலத்துடன் மேற்பரப்புப் பளபளப்பை உறுதி செய்ய முடியும்; தடிமனான தகடுகளுக்கு (>10 மிமீ), ஊடுருவல் ஆழத்தை அதிகரிக்க சிறிதளவு ஹீலியம் (He) சேர்க்கப்பட வேண்டும்.

• துருப்பிடிக்காத எஃகு: ஆர்கான் பாதுகாப்பு குரோமியம் (Cr) தனிம இழப்பைத் தடுக்கிறது. 3 மிமீ தடிமன் கொண்ட 304 துருப்பிடிக்காத எஃகு பற்றவைப்புப் பகுதியில் உள்ள குரோமியத்தின் அளவு 18.2% ஆகும், இது மூல உலோகத்தில் உள்ள 18.5% அளவை நெருங்குகிறது. டூப்ளெக்ஸ் துருப்பிடிக்காத எஃகுக்கு, விகிதத்தைச் சமநிலைப்படுத்த ஆர்கான்-நைட்ரஜன் (Ar-N₂) கலவை (N₂ ≤ 5%) தேவைப்படுகிறது. 8 மிமீ தடிமன் கொண்ட 2205 டூப்ளெக்ஸ் துருப்பிடிக்காத எஃகுக்கு ஆர்கான்-2% நைட்ரஜன் கலவையைப் பயன்படுத்தும்போது, ​​ஃபெரைட்/ஆஸ்டெனைட் விகிதம் 48:52 என்ற அளவில் நிலையாக இருப்பதும், அதன் இழுவிசை வலிமை 780 MPa ஆக இருப்பதும் ஆய்வுகளில் கண்டறியப்பட்டுள்ளது. இது தூய ஆர்கான் பாதுகாப்பை (720 MPa) விடச் சிறந்ததாகும்.

• அலுமினியக் கலப்புலோகம்: மெல்லிய தகடு (<3 மிமீ): அலுமினியக் கலப்புலோகங்களின் அதிகப் பிரதிபலிப்புத் தன்மையானது, குறைந்த ஆற்றல் உறிஞ்சும் விகிதத்திற்கு வழிவகுக்கிறது. மேலும், ஹீலியம் அதன் உயர் அயனியாக்க ஆற்றல் (24.6 eV) மூலம் பிளாஸ்மாவை நிலைப்படுத்த முடியும். 2 மிமீ தடிமன் கொண்ட 6061 அலுமினியக் கலப்புலோகத்தை ஹீலியம் மூலம் பாதுகாக்கும்போது, ​​ஊடுருவல் ஆழம் 1.8 மிமீ-ஐ அடைகிறது, இது ஆர்கானுடன் ஒப்பிடும்போது 25% அதிகமாகும், மேலும் நுண்துளை விகிதம் 1%-க்கும் குறைவாக உள்ளது என்று ஆய்வுகள் காட்டுகின்றன. தடிமனான தகடுகளுக்கு (>5 மிமீ): அலுமினியக் கலப்புலோகத்தின் தடிமனான தகடுகளுக்கு அதிக ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது, மேலும் ஒரு ஹீலியம்-ஆர்கான் கலவை (He:Ar = 3:1) ஊடுருவல் ஆழம் மற்றும் செலவு ஆகிய இரண்டையும் சமநிலைப்படுத்த முடியும். உதாரணமாக, 8 மிமீ தடிமன் கொண்ட 5083 தகடுகளைப் பற்றவைக்கும்போது, ​​கலப்பு வாயுப் பாதுகாப்பின் கீழ் ஊடுருவல் ஆழம் 6.2 மிமீ-ஐ அடைகிறது, இது தூய ஆர்கான் வாயுவுடன் ஒப்பிடும்போது 35% அதிகமாகும், மேலும் பற்றவைப்புச் செலவு 20% குறைகிறது.

குறிப்பு: மூல உரையில் சில பிழைகளும் முரண்பாடுகளும் உள்ளன. இங்கு வழங்கப்பட்டுள்ள மொழிபெயர்ப்பானது, திருத்தப்பட்ட மற்றும் சீரான மூல உரையின் பதிப்பை அடிப்படையாகக் கொண்டது.

ஆர்கான் வாயு ஓட்ட விகிதத்தின் தாக்கம்

ஆர்கான் வாயுவின் பாய்வு விகிதமானது, வாயு பரவும் திறன் மற்றும் உருகிய குளத்தின் பாய்ம இயக்கவியல் ஆகியவற்றை நேரடியாகப் பாதிக்கிறது. பாய்வு விகிதம் போதுமானதாக இல்லாதபோது, ​​வாயுப் படலத்தால் காற்றை முழுமையாகத் தனிமைப்படுத்த முடியாது, மேலும் உருகிய குளத்தின் விளிம்பு ஆக்ஸிஜனேற்றம் மற்றும் வாயுத் துளைகள் உருவாவதற்கு ஆளாகிறது; பாய்வு விகிதம் மிக அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​அது கொந்தளிப்பை ஏற்படுத்தக்கூடும், இது உருகிய குளத்தின் மேற்பரப்பை அரித்து, பற்றவைப்புப் பள்ளம் அல்லது சிதறலுக்கு வழிவகுக்கும். பாய்ம இயக்கவியலின் ரெனால்ட்ஸ் எண்ணின் (Re = ρvD/μ) படி, பாய்வு விகிதத்தின் அதிகரிப்பு வாயுப் பாய்வு வேகத்தை அதிகரிக்கும். Re > 2300 ஆக இருக்கும்போது, ​​சீரான பாய்வு கொந்தளிப்பான பாய்வாக மாறி, உருகிய குளத்தின் நிலைத்தன்மையை அழித்துவிடும். எனவே, முக்கியமான பாய்வு விகிதத்தை நிர்ணயிப்பதை சோதனைகள் அல்லது எண்முறை உருவகப்படுத்துதல்கள் (CFD போன்றவை) மூலம் பகுப்பாய்வு செய்ய வேண்டும்.

படம் 2. பற்றவைப்புப் பகுதியில் வெவ்வேறு வாயுப் பாய்வு விகிதங்களின் விளைவுகள்

பாய்வு உகப்பாக்கமானது, பொருளின் வெப்பக் கடத்துத்திறன் மற்றும் தகட்டின் தடிமன் ஆகியவற்றுடன் இணைத்து சரிசெய்யப்பட வேண்டும்:

• எஃகு மற்றும் துருப்பிடிக்காத எஃகுக்கு: மெல்லிய எஃகுத் தகடுகளுக்கு (1-2 மிமீ), பாய்வு விகிதம் 10-15 லி/நிமிடம் என்பது விரும்பத்தக்கது. தடிமனான தகடுகளுக்கு (>6 மிமீ), வால் ஆக்சிஜனேற்றத்தைத் தடுக்க இது 18-22 லி/நிமிடமாக அதிகரிக்கப்பட வேண்டும். உதாரணமாக, 6 மிமீ தடிமன் கொண்ட 316L துருப்பிடிக்காத எஃகின் பாய்வு விகிதம் 20 லி/நிமிடமாக இருக்கும்போது, ​​வெப்பத்தால் பாதிக்கப்பட்ட பகுதியின் (HAZ) கடினத்தன்மையின் சீரான தன்மை 30% மேம்படுத்தப்படுகிறது.

• அலுமினியக் கலவைக்கு: அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறன் காரணமாக, பாதுகாப்பு நேரத்தை நீட்டிக்க அதிக பாய்வு விகிதம் தேவைப்படுகிறது. 3 மிமீ தடிமன் கொண்ட 7075 அலுமினியக் கலவைக்கு, பாய்வு விகிதம் 25-30 லி/நிமிடமாக இருக்கும்போது நுண்துளை விகிதம் மிகக் குறைவாக (0.3%) உள்ளது. இருப்பினும், மிகத் தடிமனான தகடுகளுக்கு (>10 மிமீ), கொந்தளிப்பைத் தவிர்க்க கலப்பு ஊதுதலுடன் இணைப்பது அவசியம்.

ஊதும் வாயு முறையின் செல்வாக்கு

வாயு ஓட்டத்தின் திசையையும் விநியோகத்தையும் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம், ஊதும் வாயு முறையானது உருகிய குளத்தின் ஓட்டப் பாணியையும் குறைபாடு அடக்கும் விளைவையும் நேரடியாகப் பாதிக்கிறது. ஊதும் வாயு முறையானது, மேற்பரப்பு இழுவிசைச் சரிவு மற்றும் மராங்கோனி ஓட்டத்தை (மராங்கோனி ஓட்டம்) மாற்றுவதன் மூலம் உருகிய குளத்தின் ஓட்டத்தை ஒழுங்குபடுத்துகிறது. பக்கவாட்டு ஊதுதல், உருகிய குளத்தை ஒரு குறிப்பிட்ட திசையில் பாயத் தூண்டி, துளைகள் மற்றும் கசடு உட்புகுவதைக் குறைக்கும்; கூட்டு ஊதுதல், பல திசை வாயு ஓட்டத்தின் மூலம் ஆற்றல் விநியோகத்தைச் சமநிலைப்படுத்தி, பற்றவைப்பு உருவாக்கத்தின் சீரான தன்மையை மேம்படுத்தும்.

ஊதுதலின் முக்கிய முறைகள் பின்வருமாறு:

• கோஆக்சியல் ப்ளோயிங்: வாயு ஓட்டமானது லேசர் கற்றையுடன் ஒரே அச்சில் வெளியேற்றப்பட்டு, உருகிய திரவக் குளத்தை சமச்சீராக மூடுகிறது. இது அதிவேக வெல்டிங்கிற்கு ஏற்றது. இதன் நன்மை உயர் செயல்முறை நிலைத்தன்மை ஆகும், ஆனால் வாயு ஓட்டமானது லேசர் குவியப்படுத்தலில் குறுக்கிடக்கூடும். உதாரணமாக, வாகனங்களில் பயன்படுத்தப்படும் கால்வனைஸ் செய்யப்பட்ட எஃகுத் தகட்டில் (1.2 மிமீ) கோஆக்சியல் ப்ளோயிங்கைப் பயன்படுத்தும்போது, ​​வெல்டிங் வேகத்தை 40 மிமீ/வி வரை அதிகரிக்கலாம், மேலும் சிதறல் விகிதம் 0.1-க்கும் குறைவாக இருக்கும்.

• பக்கவாட்டு ஊதுதல்: உருகிய குளத்தின் பக்கவாட்டிலிருந்து வாயு செலுத்தப்படுகிறது. இது பிளாஸ்மா அல்லது அடிமட்ட அசுத்தங்களை ஒரு குறிப்பிட்ட திசையில் அகற்றப் பயன்படுகிறது. மேலும், இது ஆழ் ஊடுருவல் பற்றவைப்பிற்கு ஏற்றது. உதாரணமாக, 12 மிமீ தடிமன் கொண்ட Q345 எஃகின் மீது 30° கோணத்தில் ஊதும்போது, ​​பற்றவைப்பு ஊடுருவல் 18% அதிகரிக்கிறது, மற்றும் அடிமட்ட நுண்துளைகளின் விகிதம் 4%-இலிருந்து 0.8%-ஆகக் குறைகிறது.

• கூட்டு ஊதுதல்: ஒருங்கச்சு மற்றும் பக்கவாட்டு ஊதுதலை இணைப்பதன் மூலம், இது ஆக்சிஜனேற்றம் மற்றும் பிளாஸ்மா குறுக்கீடு ஆகிய இரண்டையும் ஒரே நேரத்தில் அடக்க முடியும். உதாரணமாக, இரட்டை முனை வடிவமைப்புடன் கூடிய 3 மிமீ தடிமன் கொண்ட 6061 அலுமினியக் கலவையில், நுண்துளைகளின் விகிதம் 2.5% இலிருந்து 0.4% ஆகக் குறைக்கப்படுகிறது, மேலும் அதன் இழுவிசை வலிமை மூலப்பொருளின் 95% ஐ அடைகிறது.

பற்றவைப்புத் தரத்தின் மீது பாதுகாப்பு வாயுவின் தாக்கம், அடிப்படையில் அது ஆற்றல் பரிமாற்றத்தை ஒழுங்குபடுத்துதல், உருகிய குளத்தின் வெப்ப இயக்கவியல் மற்றும் வேதி வினைகள் ஆகியவற்றிலிருந்து உருவாகிறது:

1. ஆற்றல் பரிமாற்றம்: ஹீலியத்தின் அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறன், உருகிய குளத்தின் குளிர்ச்சியைத் துரிதப்படுத்தி, வெப்பத்தால் பாதிக்கப்பட்ட பகுதியின் (HAZ) அகலத்தைக் குறைக்கிறது; ஆர்கானின் குறைந்த வெப்பக் கடத்துத்திறன், உருகிய குளத்தின் நிலைத்திருக்கும் நேரத்தை நீட்டிக்கிறது, இது மெல்லிய தகடுகளின் மேற்பரப்பு உருவாக்கத்திற்கு நன்மை பயக்கிறது.

2. உருகிய குளத்தின் நிலைத்தன்மை: வாயு ஓட்டமானது வெட்டு விசை மூலம் உருகிய குளத்தின் ஓட்டத்தைப் பாதிக்கிறது, மேலும் பொருத்தமான ஓட்ட விகிதம் சிதறல்களை அடக்க முடியும்; அதிகப்படியான ஓட்ட விகிதம் சுழலை ஏற்படுத்தி, பற்றவைப்புக் குறைபாடுகளுக்கு வழிவகுக்கும்.

3. இரசாயனப் பாதுகாப்பு: மந்த வாயுக்கள் ஆக்ஸிஜனைத் தனிமைப்படுத்தி, கலப்புலோகக் கூறுகளின் (Cr, Al போன்றவை) ஆக்ஸிஜனேற்றத்தைத் தடுக்கின்றன; வினைத்திறன் மிக்க வாயுக்கள் (N₂ போன்றவை) திண்மக் கரைசல் வலுவூட்டல் அல்லது சேர்ம உருவாக்கம் மூலம் பற்றின் பண்புகளை மாற்றுகின்றன, ஆனால் அவற்றின் செறிவைத் துல்லியமாகக் கட்டுப்படுத்த வேண்டியது அவசியம்.