Keliangan dalam kimpalan laser merupakan kecacatan kritikal yang ditakrifkan sebagai lompang berisi gas yang terperangkap dalam logam kimpal yang telah dipejalkan. Ia secara langsung menjejaskan integriti mekanikal, kekuatan kimpalan dan jangka hayat lesu. Panduan ini menyediakan pendekatan langsung yang mengutamakan penyelesaian, menggabungkan penemuan daripada penyelidikan terkini dalam pembentukan rasuk lanjutan dan kawalan proses yang dipacu AI untuk menggariskan strategi mitigasi yang paling berkesan.
Analisis Keliangan: Punca dan Kesan
Keliangan bukanlah kecacatan mekanisme tunggal; ia berasal daripada beberapa fenomena fizikal dan kimia yang berbeza semasa proses kimpalan pantas. Memahami punca utama ini adalah penting untuk pencegahan yang berkesan.
Punca Utama
Pencemaran Permukaan:Ini merupakan sumber keliangan metalurgi yang paling kerap berlaku. Bahan pencemar seperti kelembapan, 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 menurun, memaksanya keluar dari larutan untuk membentuk liang sfera yang halus.
Ketidakstabilan Lubang Kunci:Inilah pemacu utama keliangan proses. Lubang kunci yang stabil adalah penting untuk kimpalan yang kukuh. Jika parameter proses tidak dioptimumkan (contohnya, kelajuan kimpalan terlalu tinggi untuk kuasa laser), lubang kunci boleh berubah-ubah, menjadi tidak stabil dan runtuh seketika. Setiap runtuhan memerangkap poket wap logam bertekanan tinggi dan gas pelindung di dalam kolam lebur, mengakibatkan lompang besar yang berbentuk tidak sekata.
Pelindung Gas yang Tidak Mencukupi:Tujuan gas pelindung adalah untuk menggantikan atmosfera di sekeliling. Jika aliran tidak mencukupi, atau jika aliran berlebihan menyebabkan pergolakan yang menarik udara, gas atmosfera—terutamanya nitrogen dan oksigen—akan mencemari kimpalan. Oksigen mudah membentuk oksida pepejal di dalam cair, manakala nitrogen boleh terperangkap sebagai liang atau membentuk sebatian nitrida rapuh, yang kedua-duanya menjejaskan integriti kimpalan.
Kesan Memudaratkan
Sifat Mekanikal yang Dikurangkan:Liang pori mengurangkan luas keratan rentas galas beban kimpal, secara langsung menurunkan Kekuatan Tegangan Muktamadnya. Lebih penting lagi, ia bertindak sebagai lompang dalaman yang menghalang ubah bentuk plastik seragam logam di bawah beban. Kehilangan kesinambungan bahan ini dengan ketara mengurangkan kemuluran, menjadikan kimpal lebih rapuh dan mudah patah secara tiba-tiba.
Kehidupan Keletihan yang Terkompromi:Ini selalunya merupakan akibat yang paling kritikal. Liang pori, terutamanya yang mempunyai bucu tajam, merupakan penumpu tegasan yang kuat. Apabila komponen tertakluk kepada beban kitaran, tegasan di tepi liang boleh menjadi berkali-kali lebih tinggi daripada tegasan keseluruhan pada bahagian tersebut. Tegasan tinggi setempat ini memulakan rekahan mikro yang tumbuh dengan setiap kitaran, yang membawa kepada kegagalan lesu yang jauh di bawah kekuatan statik yang dinilai bahan.
Peningkatan Kerentanan Kakisan:Apabila liang pori memecahkan permukaan, ia mewujudkan tapak untuk kakisan rekahan. Persekitaran kecil yang bertakung di dalam liang pori mempunyai susunan kimia yang berbeza daripada permukaan sekitarnya. Perbezaan ini mewujudkan sel elektrokimia yang mempercepatkan kakisan setempat secara agresif.
Penciptaan Laluan Kebocoran:Bagi komponen yang memerlukan pengedap hermetik—seperti penutup bateri atau ruang vakum—keliangan merupakan keadaan kegagalan serta-merta. Liang tunggal yang memanjang dari permukaan dalam ke permukaan luar mewujudkan laluan langsung untuk cecair atau gas bocor, menjadikan komponen tersebut tidak berguna.
Strategi Mitigasi yang Boleh Ditindaklanjuti 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 sebelum mengimpal.
Pembersihan Pelarut:Gunakan pelarut seperti aseton atau isopropil alkohol untuk membersihkan semua permukaan kimpalan dengan teliti. Ini merupakan langkah kritikal kerana bahan cemar hidrokarbon (minyak, gris, cecair pemotong) terurai di bawah haba laser yang kuat, menyuntik hidrogen terus ke dalam kolam kimpalan cair. Apabila logam memejal dengan cepat, gas yang terperangkap ini menghasilkan keliangan halus yang mengurangkan kekuatan kimpalan. Pelarut berfungsi dengan melarutkan sebatian ini, membolehkannya dilap sepenuhnya sebelum mengimpal.
Awas:Elakkan pelarut berklorin, kerana sisa-sisa pelarut tersebut boleh terurai menjadi gas berbahaya dan menyebabkan kerapuhan.
Pembersihan Mekanikal:Gunakan berus dawai keluli tahan karat khusus untuk keluli tahan karat atau gerinda karbida untuk menanggalkan oksida tebal.berdedikasiBerus adalah penting untuk mencegah 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 tahan lasak kerana ia cukup agresif untuk memotong lapisan secara fizikal dan mendedahkan logam segar dan bersih di bawahnya.
Reka Bentuk dan Pemasangan Sambungan Ketepatan
Sambungan yang tidak dipasang dengan baik dengan jurang yang berlebihan merupakan punca langsung keliangan. Gas pelindung yang mengalir dari muncung tidak dapat mengalih atmosfera yang terperangkap jauh di dalam jurang dengan andal, membolehkannya ditarik ke dalam kolam kimpalan.
Garis Panduan:Jurang sambungan tidak boleh melebihi 10% daripada ketebalan bahan. Melebihi ini menjadikan kolam kimpalan tidak stabil dan sukar untuk dilindungi oleh gas pelindung, sekali gus meningkatkan kemungkinan gas terperangkap. Pemasangan yang tepat adalah penting untuk mengekalkan keadaan ini.
Pengoptimuman Parameter Sistematik
Hubungan antara kuasa laser, kelajuan kimpalan dan kedudukan fokus mewujudkan tetingkap proses. Tetingkap ini mesti disahkan untuk memastikan ia menghasilkan lubang kunci yang stabil. Lubang kunci yang tidak stabil boleh runtuh sekejap-sekejap semasa kimpalan, memerangkap gelembung logam yang mengewap dan gas pelindung.
2. Pemilihan dan Kawalan Gas Perisai Strategik
Gas yang Betul untuk Bahan
Argon (Ar):Piawai lengai untuk kebanyakan bahan kerana ketumpatan dan kosnya yang rendah.
Nitrogen (N2):Amat berkesan untuk kebanyakan keluli kerana keterlarutannya yang tinggi dalam fasa lebur, yang boleh mencegah keliangan nitrogen.
Nuansa:Kajian terbaru mengesahkan bahawa bagi aloi yang diperkuat nitrogen, N2 yang berlebihan dalam gas pelindung boleh menyebabkan pemendakan nitrida yang merosakkan, yang menjejaskan keliatan. Pengimbangan yang teliti adalah penting.
Campuran Helium (He) dan Ar/He:Penting untuk bahan yang mempunyai kekonduksian terma yang tinggi, seperti aloi kuprum dan aluminium. Kekonduksian terma helium yang tinggi menghasilkan kolam kimpalan yang lebih panas dan lebih cair, yang membantu dengan ketara dalam penyahgasan dan meningkatkan penembusan haba, mencegah keliangan dan kecacatan kekurangan pelakuran.
Aliran dan Liputan yang Betul
Aliran yang tidak mencukupi gagal melindungi kolam kimpalan daripada atmosfera. Sebaliknya, aliran yang berlebihan menghasilkan pergolakan, yang secara aktif menarik udara sekeliling dan mencampurkannya dengan gas pelindung, lalu mencemari kimpalan.
Kadar Aliran Lazim:15-25 Liter/min untuk muncung sepaksi, ditala mengikut aplikasi khusus.
3. Mitigasi Lanjutan dengan Pembentukan Rasuk Dinamik
Untuk aplikasi yang mencabar, pembentukan rasuk dinamik merupakan teknik yang canggih.
Mekanisme:Walaupun ayunan mudah (“goyangan”) berkesan, kajian terbaru menumpukan pada corak bukan bulat yang canggih (contohnya, gelung infiniti, rajah-8). Bentuk kompleks ini memberikan kawalan yang lebih baik ke atas dinamik bendalir dan kecerunan suhu kolam cair, menstabilkan lubang kunci selanjutnya dan membolehkan lebih banyak masa untuk gas keluar.
Pertimbangan Praktikal:Pelaksanaan sistem pembentukan rasuk dinamik mewakili pelaburan modal yang besar dan menambah kerumitan kepada persediaan proses. Analisis kos-faedah yang menyeluruh adalah perlu untuk mewajarkan penggunaannya bagi komponen bernilai tinggi di mana kawalan keliangan adalah sangat penting.
4. Strategi Mitigasi Khusus Bahan
Aloi Aluminium:Terdedah kepada keliangan hidrogen daripada oksida permukaan terhidrat. Memerlukan penyahoksidaan yang agresif dan gas pelindung takat embun rendah (< -50°C), selalunya dengan kandungan helium untuk meningkatkan kebendairan kolam cair.
Keluli Tergalvani:Pengewapan zink secara letupan (takat didih 907°C) merupakan 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 tersebut menyediakan laluan keluar penting untuk wap zink bertekanan tinggi.
Aloi Titanium:Kereaktifan yang melampau memerlukan kebersihan mutlak dan perisai gas lengai yang meluas (perisai belakang dan belakang) seperti yang diwajibkan oleh piawaian aeroangkasa AWS D17.1.
Aloi Kuprum:Amat mencabar disebabkan oleh kekonduksian terma yang tinggi dan pemantulan yang tinggi terhadap laser inframerah. Keliangan sering disebabkan oleh pelakuran yang tidak lengkap dan gas yang terperangkap. Mitigasi memerlukan ketumpatan kuasa yang tinggi, selalunya menggunakan gas pelindung yang kaya dengan helium untuk meningkatkan gandingan tenaga dan kebendairan kolam leburan, dan bentuk pancaran lanjutan untuk memanaskan dan mengurus leburan.
Teknologi Baru Muncul dan Hala Tuju Masa Depan
Bidang ini berkembang pesat melangkaui kawalan statik kepada kimpalan dinamik dan pintar.
Pemantauan Dalam Situ Berkuasa AI:Trend terkini yang paling ketara. Model pembelajaran mesin kini menganalisis data masa nyata daripada kamera sepaksi, fotodiod dan sensor 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 yang dipacu AI ini memerlukan pelaburan awal yang besar dalam sensor, perkakasan pemerolehan data dan pembangunan model. Pulangan pelaburan mereka adalah tertinggi dalam pembuatan komponen kritikal bervolum tinggi di mana kos kegagalan adalah ekstrem.
Kesimpulan
Keliangan dalam kimpalan laser merupakan kecacatan yang boleh diurus. Dengan menggabungkan prinsip asas kebersihan dan kawalan parameter dengan teknologi canggih seperti pembentukan rasuk dinamik dan pemantauan berkuasa AI, pengeluar boleh menghasilkan kimpalan bebas kecacatan dengan andal. Masa depan jaminan kualiti dalam kimpalan terletak pada sistem pintar ini yang memantau, menyesuaikan dan menjamin kualiti dalam masa nyata.
Soalan Lazim (FAQ)
S1: Apakah punca utama keliangan dalam kimpalan laser?
A: Punca paling biasa ialah pencemaran permukaan (minyak, kelembapan) yang mengewap dan memasukkan gas hidrogen ke dalam kolam kimpalan.
S2: Bagaimanato mencegah keliangan dalam kimpalan aluminium?
A: Langkah paling kritikal ialah pembersihan pra-kimpalan yang agresif untuk menanggalkan lapisan aluminium oksida terhidrat, digandingkan dengan gas pelindung takat embun rendah dan berketulenan tinggi, yang selalunya mengandungi helium.
S3: Apakah perbezaan antara keliangan dan rangkuman sanga?
A: Keliangan ialah rongga gas. Rangkuman sanga ialah pepejal bukan logam yang terperangkap dan biasanya tidak dikaitkan dengan kimpalan laser mod lubang kunci, walaupun ia boleh berlaku dalam kimpalan konduksi laser dengan fluks tertentu atau bahan pengisi yang tercemar.
S4: Apakah gas pelindung terbaik untuk mencegah keliangan dalam keluli?
A: Walaupun Argon adalah perkara biasa, Nitrogen (N2) selalunya lebih baik untuk kebanyakan keluli kerana kelarutannya yang tinggi. Walau bagaimanapun, untuk keluli berkekuatan tinggi termaju tertentu, potensi pembentukan nitrida mesti dinilai.
Masa siaran: 25 Julai 2025
