Keliangan dalam kimpalan laser adalah kecacatan kritikal yang ditakrifkan sebagai lompang berisi gas yang terperangkap dalam logam kimpalan yang dipadatkan. Ia secara langsung menjejaskan integriti mekanikal, kekuatan kimpalan, dan hayat keletihan. Panduan ini menyediakan pendekatan langsung, penyelesaian diutamakan, menggabungkan penemuan daripada penyelidikan terkini dalam pembentukan pancaran lanjutan dan kawalan proses dipacu AI untuk menggariskan strategi mitigasi yang paling berkesan.
Analisis Keliangan: Punca dan Kesan
Keliangan bukanlah satu kecacatan mekanisme; ia berasal daripada beberapa fenomena fizikal dan kimia yang berbeza semasa proses kimpalan yang pantas. Memahami punca ini adalah penting untuk pencegahan yang berkesan.
Punca Utama
Pencemaran Permukaan:Ini adalah sumber keliangan metalurgi yang paling kerap. Bahan cemar seperti lembapan, minyak, dan gris kaya dengan hidrogen. Di bawah tenaga laser yang kuat, sebatian ini terurai, menyuntik hidrogen unsur ke dalam logam cair. Apabila kolam kimpalan menyejuk dan memejal dengan cepat, keterlarutan hidrogen menjunam, memaksanya keluar daripada larutan untuk membentuk liang sfera yang halus.
Ketidakstabilan Lubang Kunci:Ini adalah pemacu utama keliangan proses. Lubang kunci yang stabil adalah penting untuk kimpalan bunyi. Jika parameter proses tidak dioptimumkan (cth, kelajuan kimpalan terlalu tinggi untuk kuasa laser), lubang kunci boleh berubah-ubah, menjadi tidak stabil, dan runtuh seketika. Setiap keruntuhan memerangkap poket wap logam bertekanan tinggi dan gas pelindung di dalam kolam cair, menghasilkan lompang besar yang berbentuk tidak sekata.
Perisai Gas yang tidak mencukupi:Tujuan melindungi gas adalah untuk menyesarkan suasana sekeliling. Jika aliran tidak mencukupi, atau jika aliran berlebihan menyebabkan pergolakan yang menarik udara, gas atmosfera—terutamanya nitrogen dan oksigen—akan mencemarkan kimpalan. Oksigen mudah membentuk oksida pepejal dalam leburan, manakala nitrogen boleh terperangkap sebagai liang atau membentuk sebatian nitrida rapuh, yang kedua-duanya menjejaskan integriti kimpalan.
Kesan Memudaratkan
Sifat Mekanikal yang Dikurangkan:Liang-liang mengurangkan keluasan keratan rentas galas beban kimpalan, secara langsung menurunkan Kekuatan Tegangan Muktamadnya. Lebih kritikal, ia bertindak sebagai lompang dalaman yang menghalang ubah bentuk plastik seragam logam di bawah beban. Kehilangan kesinambungan bahan ini dengan ketara mengurangkan kemuluran, menjadikan kimpalan lebih rapuh dan terdedah kepada keretakan secara tiba-tiba.
Kehidupan Keletihan Terkompromi:Ini selalunya akibat yang paling kritikal. Liang-liang, terutamanya yang mempunyai sudut tajam, adalah penumpu tekanan yang kuat. Apabila komponen tertakluk kepada pemuatan kitaran, tegasan di pinggir liang boleh berkali ganda lebih tinggi daripada tegasan keseluruhan bahagian tersebut. Tekanan tinggi setempat ini memulakan retakan mikro yang tumbuh dengan setiap kitaran, yang membawa kepada kegagalan keletihan jauh di bawah kekuatan statik yang dinilai bahan.
Peningkatan Kerentanan Kakisan:Apabila pori memecahkan permukaan, ia mewujudkan tapak untuk kakisan celah. Persekitaran yang kecil dan bertakung di dalam liang mempunyai solek kimia yang berbeza daripada permukaan sekeliling. Perbezaan ini mewujudkan sel elektrokimia yang secara agresif mempercepatkan kakisan setempat.
Penciptaan Laluan Kebocoran:Untuk komponen yang memerlukan pengedap hermetik—seperti penutup bateri atau ruang vakum—keliangan ialah keadaan kegagalan serta-merta. Satu liang yang memanjang dari dalam ke permukaan luar mewujudkan laluan langsung untuk cecair atau gas bocor, menjadikan komponen tidak berguna.
Strategi Tebatan Bertindak untuk Menghapuskan Keliangan
1. Kawalan Proses Asas
Penyediaan Permukaan yang Teliti
Ini adalah punca utama keliangan. Semua permukaan dan bahan pengisi mesti dibersihkan dengan teliti serta-merta sebelum mengimpal.
Pembersihan Pelarut:Gunakan pelarut seperti aseton atau isopropil alkohol untuk membersihkan semua permukaan kimpalan dengan teliti. Ini adalah langkah kritikal kerana bahan cemar hidrokarbon (minyak, gris, cecair pemotong) terurai di bawah haba laser yang sengit, menyuntik hidrogen terus ke dalam kolam kimpalan cair. Apabila logam memejal dengan cepat, gas yang terperangkap ini menghasilkan keliangan halus yang merendahkan kekuatan kimpalan. Pelarut berfungsi dengan melarutkan sebatian ini, membolehkan mereka disapu sepenuhnya sebelum dikimpal.
Awas:Elakkan pelarut berklorin, kerana sisanya boleh terurai menjadi gas berbahaya dan menyebabkan kerosakkan.
Pembersihan Mekanikal:Gunakan berus dawai keluli tahan karat khusus untuk keluli tahan karat atau burr karbida untuk mengeluarkan oksida tebal. Aberdedikasiberus adalah penting untuk mengelakkan pencemaran silang; contohnya, menggunakan berus keluli karbon pada keluli tahan karat boleh membenamkan zarah besi yang kemudiannya akan berkarat dan menjejaskan kimpalan. Burr karbida diperlukan untuk oksida tebal dan keras kerana ia cukup agresif untuk memotong lapisan secara fizikal dan mendedahkan logam segar dan bersih di bawahnya.
Reka Bentuk dan Lekapan Bersama Ketepatan
Sambungan yang dipasang dengan buruk dengan jurang yang berlebihan adalah punca langsung keliangan. Gas pelindung yang mengalir dari muncung tidak boleh mengalihkan atmosfera yang terperangkap jauh di dalam celah dengan pasti, membolehkan ia ditarik ke dalam kolam kimpalan.
Garis panduan:Jurang sendi tidak boleh melebihi 10% daripada ketebalan bahan. Melebihi ini menjadikan kolam kimpalan tidak stabil dan sukar untuk dilindungi oleh gas pelindung, meningkatkan kemungkinan gas terperangkap. Lekapan ketepatan adalah penting untuk mengekalkan keadaan ini.
Pengoptimuman Parameter Sistematik
Hubungan antara kuasa laser, kelajuan kimpalan, dan kedudukan fokus mencipta tetingkap proses. Tetingkap ini mesti disahkan untuk memastikan ia menghasilkan lubang kunci yang stabil. Lubang kunci yang tidak stabil boleh runtuh sekejap-sekejap semasa mengimpal, memerangkap buih logam terwap dan gas pelindung.
2. Pemilihan dan Kawalan Gas Perisai Strategik
Gas Betul untuk Bahan
Argon (Ar):Piawaian lengai untuk kebanyakan bahan kerana ketumpatan dan kos yang rendah.
Nitrogen (N2):Sangat berkesan untuk kebanyakan keluli kerana keterlarutannya yang tinggi dalam fasa lebur, yang boleh menghalang keliangan nitrogen.
Nuansa:Kajian terbaru mengesahkan bahawa untuk aloi yang diperkuatkan nitrogen, N2 yang berlebihan dalam gas pelindung boleh menyebabkan pemendakan nitrida yang merosakkan, menjejaskan keliatan. Pengimbangan yang berhati-hati adalah penting.
Campuran Helium (He) dan Ar/He:Penting untuk bahan dengan kekonduksian terma yang tinggi, seperti aloi kuprum dan aluminium. Kekonduksian haba Helium yang tinggi menghasilkan kolam kimpalan yang lebih panas dan lebih cecair, yang membantu dalam penyahgasan dan meningkatkan penembusan haba, menghalang keliangan dan kecacatan kekurangan gabungan.
Aliran dan Liputan yang Betul
Aliran yang tidak mencukupi gagal melindungi kolam kimpalan daripada atmosfera. Sebaliknya, aliran berlebihan menghasilkan pergolakan, yang secara aktif menarik udara sekeliling dan mencampurkannya dengan gas pelindung, mencemarkan kimpalan.
Kadar Aliran Biasa:15-25 Liter/min untuk muncung sepaksi, ditala kepada aplikasi khusus.
3. Tebatan Lanjutan dengan Pembentukan Rasuk Dinamik
Untuk aplikasi yang mencabar, pembentukan rasuk dinamik ialah teknik terkini.
Mekanisme:Walaupun ayunan mudah (“goyang”) berkesan, penyelidikan terkini memfokuskan pada corak lanjutan bukan bulat (cth, gelung infiniti, angka-8). Bentuk kompleks ini memberikan kawalan yang unggul ke atas dinamik bendalir kolam cair dan kecerunan suhu, seterusnya menstabilkan lubang kunci dan membenarkan lebih banyak masa untuk gas keluar.
Pertimbangan Praktikal:Pelaksanaan sistem pembentukan rasuk dinamik mewakili pelaburan modal yang besar dan menambah kerumitan pada persediaan proses. Analisis kos-faedah yang teliti adalah perlu untuk mewajarkan penggunaannya untuk komponen bernilai tinggi di mana kawalan keliangan adalah sangat kritikal.
4. Strategi Mitigasi Khusus Bahan
Aloi aluminium:Terdedah kepada keliangan hidrogen daripada oksida permukaan terhidrat. Memerlukan penyahoksidaan yang agresif dan gas pelindung titik embun rendah (< -50°C), selalunya dengan kandungan helium untuk meningkatkan kecairan kolam cair.
Keluli Tergalvani:Pengewapan letupan zink (takat didih 907°C) adalah cabaran utama. Jurang bolong kejuruteraan 0.1-0.2 mm kekal sebagai strategi yang paling berkesan. Ini kerana takat lebur keluli (~1500°C) jauh lebih tinggi daripada takat didih zink. Jurang itu menyediakan laluan pelarian yang penting untuk wap zink tekanan tinggi.
Aloi titanium:Kereaktifan melampau memerlukan kebersihan mutlak dan perisai gas lengai yang meluas (perisai belakang dan belakang) seperti yang dimandatkan oleh standard aeroangkasa AWS D17.1.
Aloi Tembaga:Sangat mencabar kerana kekonduksian terma yang tinggi dan pemantulan tinggi kepada laser inframerah. Keliangan selalunya disebabkan oleh gabungan yang tidak lengkap dan gas terperangkap. Tebatan memerlukan ketumpatan kuasa tinggi, selalunya menggunakan gas pelindung yang kaya dengan helium untuk meningkatkan gandingan tenaga dan kecairan kolam cair, dan bentuk rasuk lanjutan untuk memanaskan dan menguruskan cair.
Teknologi Baru Muncul dan Hala Tuju Masa Depan
Bidang ini berkembang pesat di luar kawalan statik kepada kimpalan dinamik dan pintar.
Pemantauan In-Situ Dikuasakan AI:Trend terkini yang paling ketara. Model pembelajaran mesin kini menganalisis data masa nyata daripada kamera sepaksi, fotodiod dan penderia akustik. Sistem ini boleh meramalkan permulaan keliangan dan sama ada memberi amaran kepada pengendali atau, dalam persediaan lanjutan, melaraskan parameter laser secara automatik untuk mengelakkan kecacatan daripada terbentuk.
Nota Pelaksanaan:Walaupun berkuasa, sistem dipacu AI ini memerlukan pelaburan awal yang besar dalam penderia, perkakasan pemerolehan data dan pembangunan model. Pulangan pelaburan mereka adalah tertinggi dalam pembuatan volum tinggi, komponen kritikal di mana kos kegagalan adalah melampau.
Kesimpulan
Keliangan dalam kimpalan laser adalah kecacatan yang boleh diurus. Dengan menggabungkan prinsip asas kebersihan dan kawalan parameter dengan teknologi terkini seperti pembentukan rasuk dinamik dan pemantauan berkuasa AI, pengilang boleh menghasilkan kimpalan tanpa kecacatan dengan pasti. Masa depan jaminan kualiti dalam kimpalan terletak pada sistem pintar ini yang memantau, menyesuaikan dan memastikan kualiti dalam masa nyata.
Soalan Lazim (FAQ)
S1: Apakah punca utama keliangan dalam kimpalan laser?
A: Satu-satunya punca yang paling biasa ialah pencemaran permukaan (minyak, lembapan) yang mengewap dan memasukkan gas hidrogen ke dalam kolam kimpalan.
S2: Bagaimanato mengelakkan keliangan dalam kimpalan aluminium?
J: Langkah paling kritikal ialah pembersihan pra-kimpalan yang agresif untuk mengeluarkan lapisan aluminium oksida terhidrat, dipasangkan dengan gas pelindung titik embun ketulenan tinggi, selalunya mengandungi helium.
S3: Apakah perbezaan antara keliangan dan kemasukan sanga?
A: Keliangan ialah rongga gas. Kemasukan sanga ialah pepejal bukan logam yang terperangkap dan biasanya tidak dikaitkan dengan kimpalan laser mod lubang kunci, walaupun ia boleh berlaku dalam kimpalan pengaliran laser dengan fluks tertentu atau bahan pengisi tercemar.
S4: Apakah gas pelindung terbaik untuk mengelakkan keliangan dalam keluli?
J: Walaupun Argon adalah biasa, Nitrogen (N2) selalunya lebih baik untuk kebanyakan keluli kerana keterlarutannya yang tinggi. Walau bagaimanapun, untuk keluli berkekuatan tinggi termaju tertentu, potensi pembentukan nitrida mesti dinilai.
Masa siaran: Jul-25-2025
