Teknologi kimpalan laser, disebabkan oleh ketumpatan tenaga yang tinggi, input haba yang rendah dan ciri-ciri bukan sentuhan, telah menjadi salah satu proses teras dalam pembuatan ketepatan moden. Walau bagaimanapun, masalah seperti pengoksidaan, keliangan dan pembakaran unsur yang disebabkan oleh sentuhan kolam lebur dengan atmosfera semasa kimpalan menyekat sifat mekanikal dan hayat perkhidmatan jahitan kimpalan dengan serius. Sebagai medium teras untuk mengawal persekitaran kimpalan, pemilihan jenis, kadar aliran dan mod tiupan gas pelindung perlu digandingkan dengan ciri-ciri bahan (seperti aktiviti kimia, kekonduksian terma) dan ketebalan plat.
Jenis-jenis gas pelindung
Fungsi teras gas pelindung terletak pada pengasingan oksigen, mengawal selia kelakuan kolam lebur, dan meningkatkan kecekapan gandingan tenaga. Berdasarkan sifat kimianya, gas pelindung boleh dikelaskan kepada gas lengai (argon, helium) dan gas aktif (nitrogen, karbon dioksida). Gas lengai mempunyai kestabilan kimia yang tinggi dan boleh mencegah pengoksidaan kolam lebur dengan berkesan, tetapi perbezaan ketara dalam sifat fizikal terma mempengaruhi kesan kimpalan dengan ketara. Contohnya, argon (Ar) mempunyai ketumpatan yang tinggi (1.784 kg/m³) dan boleh membentuk salutan yang stabil, tetapi kekonduksian termanya yang rendah (0.0177 W/m·K) menyebabkan penyejukan kolam lebur menjadi perlahan dan penembusan kimpalan yang cetek. Sebaliknya, helium (He) mempunyai kekonduksian terma lapan kali ganda lebih tinggi (0.1513 W/m·K) daripada argon dan boleh mempercepatkan penyejukan kolam lebur dan meningkatkan penembusan kimpalan, tetapi ketumpatannya yang rendah (0.1785 kg/m³) menjadikannya mudah terlepas, memerlukan kadar aliran yang lebih tinggi untuk mengekalkan kesan perlindungan. Gas aktif seperti nitrogen (N₂) boleh meningkatkan kekuatan kimpalan melalui pengukuhan larutan pepejal dalam senario tertentu, tetapi penggunaan berlebihan boleh menyebabkan keliangan atau pemendakan fasa rapuh. Contohnya, apabila mengimpal keluli tahan karat dupleks, resapan nitrogen ke dalam kolam lebur boleh mengganggu keseimbangan fasa ferit/austenit, mengakibatkan penurunan rintangan kakisan.
Rajah 1. Kimpalan laser keluli tahan karat 304L (atas): Pelindung gas Ar; (bawah): Pelindung gas N2
Dari perspektif mekanisme proses, tenaga pengionan helium yang tinggi (24.6 eV) boleh menyekat kesan perisai plasma dan meningkatkan penyerapan tenaga laser, sekali gus meningkatkan kedalaman penembusan. Sementara itu, tenaga pengionan argon yang rendah (15.8 eV) terdedah kepada penghasilan awan plasma, yang memerlukan penyahfokusan atau modulasi denyut untuk mengurangkan gangguan. Selain itu, tindak balas kimia antara gas aktif dan kolam lebur (seperti nitrogen yang bertindak balas dengan Cr dalam keluli) boleh mengubah komposisi kimpalan, dan pemilihan yang teliti berdasarkan sifat bahan adalah perlu.
Contoh aplikasi bahan:
• Keluli: Dalam kimpalan plat nipis (<3 mm), argon boleh memastikan kemasan permukaan, dengan ketebalan lapisan oksida hanya 0.5 μm untuk jahitan kimpalan keluli karbon rendah 1.5 mm; untuk plat tebal (>10 mm), sedikit helium (He) perlu ditambah untuk meningkatkan kedalaman penembusan.
• Keluli tahan karat: Perlindungan argon boleh mencegah kehilangan unsur Cr, dengan kandungan Cr sebanyak 18.2% dalam jahitan kimpalan keluli tahan karat 304 setebal 3 mm menghampiri 18.5% logam asas; untuk keluli tahan karat dupleks, campuran Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) diperlukan untuk mengimbangi nisbah tersebut. Kajian telah menunjukkan bahawa apabila menggunakan campuran Ar-2% N₂ untuk keluli tahan karat dupleks 2205 setebal 8 mm, nisbah ferit/austenit adalah stabil pada 48:52, dengan kekuatan tegangan 780 MPa, yang lebih baik daripada perlindungan argon tulen (720 MPa).
• Aloi aluminium: Plat nipis (<3 mm): Pemantulan aloi aluminium yang tinggi menyebabkan kadar penyerapan tenaga yang rendah, dan helium, dengan tenaga pengionannya yang tinggi (24.6 eV), dapat menstabilkan plasma. Kajian menunjukkan bahawa apabila aloi aluminium 6061 setebal 2 mm dilindungi oleh helium, kedalaman penembusan mencapai 1.8 mm, meningkat sebanyak 25% berbanding argon, dan kadar keliangan adalah lebih rendah daripada 1%. Untuk plat tebal (>5 mm): Plat tebal aloi aluminium memerlukan input tenaga yang tinggi, dan campuran helium-argon (He:Ar = 3:1) dapat mengimbangi kedalaman penembusan dan kos. Contohnya, apabila mengimpal plat 5083 setebal 8 mm, kedalaman penembusan mencapai 6.2 mm di bawah perlindungan gas campuran, meningkat sebanyak 35% berbanding gas argon tulen, dan kos kimpalan dikurangkan sebanyak 20%.
Nota: Teks asal mengandungi beberapa kesilapan dan ketidakkonsistenan. Terjemahan yang diberikan adalah berdasarkan versi teks yang telah dibetulkan dan koheren.
Pengaruh kadar aliran gas argon
Kadar aliran gas argon secara langsung mempengaruhi keupayaan liputan gas dan dinamik bendalir kolam lebur. Apabila kadar aliran tidak mencukupi, lapisan gas tidak dapat mengasingkan udara sepenuhnya, dan pinggir kolam lebur terdedah kepada pengoksidaan dan pembentukan liang gas; apabila kadar aliran terlalu tinggi, ia boleh menyebabkan pergolakan, yang boleh membasuh permukaan kolam lebur dan menyebabkan kemurungan kimpalan atau percikan. Menurut nombor Reynolds mekanik bendalir (Re = ρvD/μ), peningkatan kadar aliran akan meningkatkan halaju aliran gas. Apabila Re > 2300, aliran laminar bertukar menjadi aliran bergelora, yang akan memusnahkan kestabilan kolam lebur. Oleh itu, penentuan kadar aliran kritikal perlu dianalisis melalui eksperimen atau simulasi berangka (seperti CFD).
Rajah 2. Kesan Kadar Aliran Gas yang Berbeza pada Jahitan Kimpalan
Pengoptimuman aliran perlu diselaraskan bersama dengan kekonduksian terma bahan dan ketebalan plat:
• Untuk keluli dan keluli tahan karat: Untuk plat keluli nipis (1-2 mm), kadar aliran sebaik-baiknya adalah 10-15 L/min. Untuk plat tebal (>6 mm), ia perlu ditingkatkan kepada 18-22 L/min untuk menyekat pengoksidaan ekor. Contohnya, apabila kadar aliran keluli tahan karat 316L setebal 6 mm ialah 20 L/min, keseragaman kekerasan HAZ dipertingkatkan sebanyak 30%.
• Untuk aloi aluminium: Kekonduksian terma yang tinggi memerlukan kadar aliran yang tinggi untuk melanjutkan masa perlindungan. Untuk aloi aluminium 7075 setebal 3 mm, kadar keliangan adalah terendah (0.3%) apabila kadar aliran ialah 25-30 L/min. Walau bagaimanapun, untuk plat ultra tebal (>10 mm), adalah perlu untuk digabungkan dengan tiupan komposit untuk mengelakkan pergolakan.
Pengaruh mod gas bertiup
Mod gas tiupan secara langsung mempengaruhi corak aliran kolam lebur dan kesan penindasan kecacatan dengan mengawal arah dan taburan aliran gas. Mod gas tiupan mengawal aliran kolam lebur dengan mengubah kecerunan tegangan permukaan dan aliran Marangoni (aliran Marangoni). Tiupan sisi boleh mendorong kolam lebur mengalir ke arah tertentu, mengurangkan liang dan kemasukan sanga; tiupan komposit boleh meningkatkan keseragaman pembentukan kimpalan dengan mengimbangi taburan tenaga melalui aliran gas berbilang arah.
Kaedah utama untuk meniup termasuk:
• Tiupan sepaksi: Aliran gas dikeluarkan secara sepaksi dengan pancaran laser, menutupi kolam lebur secara simetri, sesuai untuk kimpalan berkelajuan tinggi. Kelebihannya ialah kestabilan proses yang tinggi, tetapi aliran gas mungkin mengganggu pemfokusan laser. Contohnya, apabila menggunakan tiupan sepaksi pada kepingan keluli tergalvani automotif (1.2 mm), kelajuan kimpalan boleh ditingkatkan kepada 40 mm/s, dan kadar percikan adalah kurang daripada 0.1.
• Tiupan sisi: Aliran gas dimasukkan dari sisi kolam lebur, yang boleh digunakan untuk menyingkirkan bendasing plasma atau dasar secara berarah, sesuai untuk kimpalan penembusan dalam. Contohnya, apabila meniup pada keluli Q345 setebal 12 mm pada sudut 30°, penembusan kimpalan meningkat sebanyak 18%, dan kadar keliangan dasar berkurangan daripada 4% kepada 0.8%.
• Tiupan komposit: Dengan menggabungkan tiupan sepaksi dan sisi, ia boleh menyekat pengoksidaan dan gangguan plasma secara serentak. Contohnya, untuk aloi aluminium 6061 setebal 3 mm dengan reka bentuk muncung berganda, kadar keliangan dikurangkan daripada 2.5% kepada 0.4%, dan kekuatan tegangan mencapai 95% daripada bahan asas.
Pengaruh gas pelindung terhadap kualiti kimpalan pada asasnya berpunca daripada pengawalaturan pemindahan tenaga, termodinamik kolam lebur, dan tindak balas kimia:
1. Pemindahan tenaga: Kekonduksian terma helium yang tinggi mempercepatkan penyejukan kolam lebur, mengurangkan lebar zon terjejas haba (HAZ); kekonduksian terma argon yang rendah memanjangkan masa kewujudan kolam lebur, yang bermanfaat untuk pembentukan permukaan plat nipis.
2. Kestabilan kolam lebur: Aliran gas mempengaruhi aliran kolam lebur melalui daya ricih, dan kadar aliran yang sesuai dapat menyekat percikan; kadar aliran yang berlebihan akan menyebabkan pusaran, yang mengakibatkan kecacatan kimpalan.
3. Perlindungan kimia: Gas lengai mengasingkan oksigen dan mencegah pengoksidaan unsur aloi (seperti Cr, Al); gas aktif (seperti N₂) mengubah sifat kimpalan melalui pengukuhan larutan pepejal atau pembentukan sebatian, tetapi kepekatannya perlu dikawal dengan tepat.
Masa siaran: 9-Apr-2025
