Лазер гагнуурын технологи, өндөр энергийн нягтрал, бага дулаан оролт, холбоо барихгүй шинж чанаруудаас шалтгаалан орчин үеийн нарийн үйлдвэрлэлийн гол үйл явцын нэг болсон. Гэсэн хэдий ч гагнуурын явцад хайлсан цөөрөм агаар мандалтай харьцсанаас үүссэн исэлдэлт, сүвэрхэг чанар, элементийн шаталт зэрэг асуудлууд нь гагнуурын давхаргын механик шинж чанар, ашиглалтын хугацааг ноцтойгоор хязгаарладаг. Гагнуурын орчныг хянах гол орчин болохын хувьд хамгаалалтын хийн төрөл, урсгалын хурд, үлээх горимыг сонгохдоо материалын шинж чанар (химийн идэвхжил, дулаан дамжуулалт гэх мэт) болон хавтангийн зузаантай хослуулах шаардлагатай.
Хамгаалалтын хийн төрлүүд
Хамгаалалтын хийн гол үүрэг нь хүчилтөрөгчийг тусгаарлах, хайлсан цөөрмийн зан төлөвийг зохицуулах, энергийн холболтын үр ашгийг дээшлүүлэхэд оршино. Химийн шинж чанараараа хамгаалалтын хийг инертийн хий (аргон, гелий) болон идэвхтэй хий (азот, нүүрстөрөгчийн давхар исэл) гэж ангилж болно. Идэвхгүй хий нь химийн өндөр тогтвортой байдалтай бөгөөд хайлсан цөөрмийн исэлдэлтийг үр дүнтэйгээр урьдчилан сэргийлэх боломжтой боловч дулааны физик шинж чанарын мэдэгдэхүйц ялгаа нь гагнуурын үр дүнд мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг. Жишээлбэл, аргон (Ar) нь өндөр нягтралтай (1.784 кг/м³) бөгөөд тогтвортой бүрхүүл үүсгэж чаддаг боловч дулаан дамжуулалт багатай (0.0177 Вт/м·К) нь хайлсан цөөрмийн удаан хөргөлт болон гагнуурын гүехэн нэвчилтэд хүргэдэг. Үүний эсрэгээр гелий (He) нь аргоноос найм дахин өндөр дулаан дамжуулалттай (0.1513 Вт/м·К) бөгөөд хайлсан цөөрмийн хөргөлтийг хурдасгаж, гагнуурын нэвчилтийг нэмэгдүүлдэг боловч бага нягтралтай (0.1785 кг/м³) нь гадагшлах хандлагатай болгодог тул хамгаалалтын үр нөлөөг хадгалахын тулд илүү өндөр урсгалын хурд шаарддаг. Азот (N₂) зэрэг идэвхтэй хий нь зарим тохиолдолд хатуу уусмалыг бэхжүүлснээр гагнуурын бат бөх чанарыг нэмэгдүүлдэг боловч хэт их хэрэглээ нь сүвэрхэгжилт эсвэл хэврэг фазын тунадасжилт үүсгэж болзошгүй. Жишээлбэл, давхар зэвэрдэггүй ган гагнах үед хайлсан усан санд азотын тархалт нь феррит/аустенит фазын тэнцвэрийг алдагдуулж, зэврэлтээс хамгаалах чадварыг бууруулдаг.
Зураг 1. 304L зэвэрдэггүй гангийн лазер гагнуур (дээд): Ar хийн хамгаалалт; (доод): N2 хийн хамгаалалт
Процессын механизмын үүднээс авч үзвэл гелийн өндөр иончлолын энерги (24.6 эВ) нь плазмын хамгаалалтын эффектийг дарангуйлж, лазерын энергийн шингээлтийг сайжруулж, улмаар нэвтрэлтийн гүнийг нэмэгдүүлдэг. Үүний зэрэгцээ, аргоны бага иончлолын энерги (15.8 эВ) нь плазмын үүл үүсгэх хандлагатай байдаг бөгөөд энэ нь хөндлөнгийн оролцоог багасгахын тулд дефокусжуулалт эсвэл импульсийн модуляцийг шаарддаг. Нэмж дурдахад, идэвхтэй хий болон хайлсан усан сангийн хоорондох химийн урвал (жишээлбэл, азот нь ган дахь Cr-тэй урвалд орох) нь гагнуурын найрлагыг өөрчилж болзошгүй тул материалын шинж чанарт үндэслэн болгоомжтой сонголт хийх шаардлагатай байна.
Материалын хэрэглээний жишээ:
• Ган: Нимгэн хавтан (<3 мм) гагнуурын үед аргон нь гадаргуугийн өнгөлгөөг хангаж чаддаг бөгөөд 1.5 мм-ийн бага нүүрстөрөгчийн ган гагнуурын давхаргын хувьд исэлдсэн давхаргын зузаан нь ердөө 0.5 μм байдаг; зузаан хавтан (>10 мм)-ийн хувьд нэвтрэлтийн гүнийг нэмэгдүүлэхийн тулд бага хэмжээний гелий (He) нэмэх шаардлагатай.
• Зэвэрдэггүй ган: Аргоны хамгаалалт нь Cr элементийн алдагдалаас сэргийлж чаддаг бөгөөд 3 мм зузаантай 304 зэвэрдэггүй ган гагнуурын давхаргад Cr-ийн агууламж 18.2% бөгөөд үндсэн металлын 18.5% -д ойртдог; давхар зэвэрдэггүй гангийн хувьд харьцааг тэнцвэржүүлэхийн тулд Ar-N₂ хольц (N₂ ≤ 5%) шаардлагатай. Судалгаагаар 8 мм зузаантай 2205 давхар зэвэрдэггүй ганд Ar-2% N₂ хольцыг ашиглахад феррит/аустенитийн харьцаа 48:52-т тогтвортой, суналтын бат бэх нь 780 МПа бөгөөд энэ нь цэвэр аргоны хамгаалалтаас (720 МПа) илүү давуу юм.
• Хөнгөн цагаан хайлш: Нимгэн хавтан (<3 мм): Хөнгөн цагаан хайлшийн өндөр тусгал нь энерги шингээлтийн хурдыг бууруулдаг бөгөөд гели нь өндөр ионжуулалтын энергитэй (24.6 эВ) плазмыг тогтворжуулж чаддаг. Судалгаанаас харахад 2 мм зузаантай 6061 хөнгөн цагаан хайлшийг гелийгээр хамгаалахад нэвтрэлтийн гүн 1.8 мм хүрч, аргонтой харьцуулахад 25%-иар нэмэгдэж, нүх сүвний хэмжээ 1%-иас бага байдаг. Зузаан хавтан (>5 мм)-ийн хувьд: Хөнгөн цагаан хайлшийн зузаан хавтан нь өндөр энерги шаарддаг бөгөөд гелий-аргоны холимог (He:Ar = 3:1) нь нэвтрэлтийн гүн болон өртгийг хоёуланг нь тэнцвэржүүлж чаддаг. Жишээлбэл, 8 мм зузаантай 5083 хавтанг гагнах үед холимог хийн хамгаалалтын дор нэвтрэлтийн гүн 6.2 мм хүрч, цэвэр аргон хийтэй харьцуулахад 35%-иар нэмэгдэж, гагнуурын зардал 20%-иар буурдаг.
Тэмдэглэл: Эх текстэд зарим алдаа, зөрчилдөөн агуулагдаж байна. Орчуулга нь текстийн засварласан, уялдаа холбоотой хувилбар дээр үндэслэсэн болно.
Аргоны хийн урсгалын хурдны нөлөө
Аргоны хийн урсгалын хурд нь хайлсан цөөрмийн хийн бүрхүүлийн чадвар болон шингэний динамикт шууд нөлөөлдөг. Урсгалын хурд хангалтгүй үед хийн давхарга агаарыг бүрэн тусгаарлаж чадахгүй бөгөөд хайлсан цөөрмийн ирмэг нь исэлдэж, хийн нүх сүв үүсэх хандлагатай байдаг; урсгалын хурд хэт өндөр байх үед турбулент үүсч, хайлсан цөөрмийн гадаргууг угааж, гагнуурын хотгор эсвэл цацагдахад хүргэдэг. Рейнольдсын шингэний механикийн тоогоор (Re = ρvD/μ) урсгалын хурд нэмэгдэх нь хийн урсгалын хурдыг нэмэгдүүлнэ. Re > 2300 үед ламинар урсгал нь турбулент урсгал болж хувирдаг бөгөөд энэ нь хайлсан цөөрмийн тогтвортой байдлыг алдагдуулдаг. Тиймээс чухал урсгалын хурдыг тодорхойлохдоо туршилт эсвэл тоон симуляци (CFD гэх мэт)-ээр шинжлэх шаардлагатай.
Зураг 2. Гагнуурын давхаргад хийн урсгалын янз бүрийн хурдны нөлөө
Урсгалын оновчлолыг материалын дулаан дамжуулалт болон хавтангийн зузаантай хослуулан тохируулах шаардлагатай:
• Ган болон зэвэрдэггүй гангийн хувьд: Нимгэн ган хавтангийн (1-2 мм) хувьд урсгалын хурд нь 10-15 л/мин байх нь зүйтэй. Зузаан хавтангийн (>6 мм) хувьд сүүлний исэлдэлтийг дарахын тулд 18-22 л/мин хүртэл нэмэгдүүлэх шаардлагатай. Жишээлбэл, 6 мм зузаантай 316л зэвэрдэггүй гангийн урсгалын хурд 20 л/мин байхад HAZ хатуулгийн жигд байдал 30%-иар сайжирдаг.
• Хөнгөн цагаан хайлшийн хувьд: Өндөр дулаан дамжуулалт нь хамгаалалтын хугацааг уртасгахын тулд өндөр урсгалын хурд шаарддаг. 3 мм зузаантай 7075 хөнгөн цагаан хайлшийн хувьд урсгалын хурд 25-30 л/мин байх үед сүвэрхэгжилтийн хурд хамгийн бага (0.3%) байдаг. Гэсэн хэдий ч хэт зузаан хавтангийн (>10 мм) хувьд турбулент байдлаас зайлсхийхийн тулд нийлмэл үлээлттэй хослуулах шаардлагатай.
Үлээх хийн горимын нөлөө
Үлээх хийн горим нь хайлсан цөөрмийн урсгалын хэв маяг болон хийн урсгалын чиглэл, тархалтыг хянах замаар согогийг дарах нөлөөнд шууд нөлөөлдөг. Үлээх хийн горим нь гадаргуугийн хурцадмал байдлын градиент болон Марангони урсгалыг (Марангони урсгал) өөрчлөх замаар хайлсан цөөрмийн урсгалыг зохицуулдаг. Хажуу тийш үлээх нь хайлсан цөөрмийг тодорхой чиглэлд урсгахад хүргэж, нүх сүв болон шаарны нэвчилтийг бууруулдаг; нийлмэл үлээх нь олон чиглэлт хийн урсгалаар энергийн тархалтыг тэнцвэржүүлснээр гагнуурын жигд байдлыг сайжруулж чадна.
Үлээх үндсэн аргууд нь дараахь зүйлийг агуулдаг.
• Коаксиаль үлээлт: Хийн урсгалыг лазер туяатай коаксиаль байдлаар гаргаж, хайлсан цөөрмийг тэгш хэмтэйгээр бүрхэж, өндөр хурдтай гагнуурт тохиромжтой. Үүний давуу тал нь процессын өндөр тогтвортой байдал боловч хийн урсгал нь лазер фокуслахад саад учруулж болзошгүй. Жишээлбэл, автомашины цайрдсан ган хуудсан дээр (1.2 мм) коаксиаль үлээлт ашиглах үед гагнуурын хурдыг 40 мм/с хүртэл нэмэгдүүлж болох бөгөөд цацалтын хурд 0.1-ээс бага байна.
• Хажуу тийш үлээх: Хайлсан цөөрмийн хажуу талаас хийн урсгалыг нэвтрүүлдэг бөгөөд үүнийг плазм эсвэл ёроолын хольцыг чиглүүлэн арилгахад ашиглаж болох бөгөөд гүн нэвтрэлтийн гагнуурт тохиромжтой. Жишээлбэл, 12 мм зузаантай Q345 ган дээр 30° өнцгөөр үлээх үед гагнуурын нэвчилт 18%-иар нэмэгдэж, ёроолын сүвэрхэгжилтийн хэмжээ 4%-иас 0.8% хүртэл буурдаг.
• Нийлмэл үлээлт: Коаксиаль болон хажуугийн үлээлтийг хослуулснаар исэлдэлт болон плазмын интерференцийг нэгэн зэрэг дарангуйлж чадна. Жишээлбэл, давхар цорготой загвартай 3 мм зузаантай 6061 хөнгөн цагаан хайлшийн хувьд сүвэрхэгжилтийн хэмжээ 2.5%-иас 0.4% хүртэл буурч, суналтын бат бэх нь суурь материалын 95% хүрдэг.
Гагнуурын чанарт хамгаалалтын хийн нөлөө нь үндсэндээ энерги дамжуулалтын зохицуулалт, хайлсан цөөрмийн термодинамик болон химийн урвалуудаас үүдэлтэй:
1. Эрчим хүчний дамжуулалт: Гелийн өндөр дулаан дамжуулалт нь хайлсан цөөрмийн хөргөлтийг хурдасгаж, дулаанд өртөх бүсийн (HAZ) өргөнийг бууруулдаг; аргоны бага дулаан дамжуулалт нь хайлсан цөөрмийн оршин тогтнох хугацааг уртасгадаг бөгөөд энэ нь нимгэн хавтангийн гадаргуу үүсэхэд ашигтай юм.
2. Хайлсан цөөрмийн тогтвортой байдал: Хийн урсгал нь хайлсан цөөрмийн урсгалд зүсэх хүчээр нөлөөлдөг бөгөөд зохих урсгалын хурд нь цацалтыг дарангуйлж чаддаг; хэт их урсгалын хурд нь эргүүлэг үүсгэж, гагнуурын согог үүсгэдэг.
3. Химийн хамгаалалт: Идэвхгүй хий нь хүчилтөрөгчийг тусгаарлаж, хайлшийн элементүүдийн (жишээлбэл, Cr, Al) исэлдэлтээс сэргийлдэг; идэвхтэй хий (жишээлбэл, N₂) нь хатуу уусмалыг бэхжүүлэх эсвэл нэгдэл үүсгэх замаар гагнуурын шинж чанарыг өөрчилдөг боловч концентрацийг нарийн хянах шаардлагатай.
Нийтэлсэн цаг: 2025 оны 4-р сарын 9
