لازېرلىق كەپشەرلەش جەريانىغا قوغداش گاز پارامېتىرلىرىنىڭ تەسىرى

لازېرلىق كەپشەرلەش تېخنىكىسى، يۇقىرى ئېنېرگىيە زىچلىقى، تۆۋەن ئىسسىقلىق كىرگۈزۈش ۋە تېگىشمەيدىغان خۇسۇسىيەتلىرى سەۋەبىدىن، زامانىۋى ئېنىقلىق ئىشلەپچىقىرىشتىكى يادرولۇق جەريانلارنىڭ بىرىگە ئايلاندى. قانداقلا بولمىسۇن، ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ كەپشەرلەش جەريانىدا ئاتموسفېرا بىلەن تېگىشىشى سەۋەبىدىن كېلىپ چىققان ئوكسىدلىنىش، تۆشۈكلۈك ۋە ئېلېمېنتلارنىڭ كۆيۈپ كېتىشى قاتارلىق مەسىلىلەر كەپشەرلەش تىكىشىنىڭ مېخانىكىلىق خۇسۇسىيىتى ۋە ئىشلىتىش ئۆمرىنى ئېغىر دەرىجىدە چەكلەيدۇ. كەپشەرلەش مۇھىتىنى كونترول قىلىشنىڭ يادرولۇق ۋاسىتىسى سۈپىتىدە، قوغداش گازىنىڭ تىپى، ئېقىم سۈرئىتى ۋە پۈۋلەش ھالىتىنى تاللاش ماتېرىيال خۇسۇسىيىتى (مەسىلەن، خىمىيىلىك پائالىيەت، ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى) ۋە تاختاينىڭ قېلىنلىقى بىلەن بىرلەشتۈرۈلۈشى كېرەك.

قوغداش گازلىرىنىڭ تۈرلىرى

قوغداش گازلىرىنىڭ ئاساسلىق رولى ئوكسىگېننى ئايرىش، ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ ھەرىكىتىنى تەڭشەش ۋە ئېنېرگىيە بىرىكمىسىنىڭ ئۈنۈمىنى ئاشۇرۇشتىن ئىبارەت. خىمىيىلىك خۇسۇسىيىتىگە ئاساسەن، قوغداش گازلىرىنى ئىنېرت گازلار (ئارگون، گېلىي) ۋە ئاكتىپ گازلار (ئازوت، كاربون تۆت ئوكسىد) دەپ ئايرىشقا بولىدۇ. ئىنېرت گازلار يۇقىرى خىمىيىلىك مۇقىملىققا ئىگە بولۇپ، ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ ئوكسىدلىنىشىنىڭ ئۈنۈملۈك ئالدىنى ئالىدۇ، ئەمما ئۇلارنىڭ ئىسسىقلىق فىزىكىلىق خۇسۇسىيىتىدىكى مۇھىم پەرقلەر كەپشەرلەش ئۈنۈمىگە زور تەسىر كۆرسىتىدۇ. مەسىلەن، ئارگون (Ar) يۇقىرى زىچلىققا ئىگە (1.784 kg/m³) ۋە مۇقىم قاپلام ھاسىل قىلالايدۇ، ئەمما ئۇنىڭ تۆۋەن ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى (0.0177 W/m·K) ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ ئاستا سوۋۇشىغا ۋە كەپشەرلەشنىڭ تېيىز ئۆتۈشىگە ئېلىپ كېلىدۇ. ئەكسىچە، گېلىي (He) ئارگونغا قارىغاندا سەككىز ھەسسە يۇقىرى ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقىغا (0.1513 W/m·K) ئىگە بولۇپ، ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ سوۋۇشىنى تېزلىتىپ، كەپشەرلەشنىڭ ئۆتۈشىنى ئاشۇرالايدۇ، ئەمما ئۇنىڭ تۆۋەن زىچلىقى (0.1785 kg/m³) ئۇنىڭ ئېقىپ كېتىشىگە سەۋەب بولىدۇ، قوغداش ئۈنۈمىنى ساقلاش ئۈچۈن يۇقىرى ئېقىم سۈرئىتى تەلەپ قىلىنىدۇ. ئازوت (N₂) قاتارلىق ئاكتىپ گازلار بەزى ئەھۋاللاردا قاتتىق ئېرىتمىنى كۈچەيتىش ئارقىلىق كەپشەرلەشنىڭ كۈچىنى ئاشۇرالايدۇ، ئەمما ئارتۇقچە ئىشلىتىش تۆشۈكلۈكنى ياكى مۇرۇت باسقۇچلارنىڭ چۆكمىسىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ. مەسىلەن، قوش داتلاشماس پولاتنى كەپشەرلىگەندە، ئېرىتىلگەن كۆلچەككە ئازوتنىڭ تارقىلىشى فېررىت/ئاۋستېنىت باسقۇچ تەڭپۇڭلۇقىنى بۇزۇپ، چىرىشكە قارشى تۇرۇش كۈچىنى تۆۋەنلىتىشى مۇمكىن.

1-رەسىم. 304L داتلاشماس پولاتنى لازېرلىق كەپشەرلەش (ئۈستى): Ar گاز قوغداش؛ (ئاستى): N2 گاز قوغداش

جەريان مېخانىزمى نۇقتىسىدىن قارىغاندا، گېلىينىڭ يۇقىرى ئىئونلىشىش ئېنېرگىيەسى (24.6 eV) پلازما قوغداش ئۈنۈمىنى باستۇرۇپ، لازېر ئېنېرگىيەسىنىڭ سۈمۈرۈلۈشىنى كۈچەيتىپ، شۇنىڭ بىلەن سىڭىپ كىرىش چوڭقۇرلۇقىنى ئاشۇرالايدۇ. شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا، ئارگوننىڭ تۆۋەن ئىئونلىشىش ئېنېرگىيەسى (15.8 eV) پلازما بۇلۇتلىرىنى ھاسىل قىلىشقا مايىل بولۇپ، بۇ توسالغۇنى ئازايتىش ئۈچۈن فوكۇسنى ئايرىش ياكى ئىمپۇلس مودۇلياتسىيەسىنى تەلەپ قىلىدۇ. بۇنىڭدىن باشقا، ئاكتىپ گازلار بىلەن ئېرىگەن گاز كۆلچىكى ئوتتۇرىسىدىكى خىمىيىلىك رېئاكسىيە (مەسىلەن، پولاتتا ئازوتنىڭ Cr بىلەن رېئاكسىيە قىلىشى) كەپشەرلەش تەركىبىنى ئۆزگەرتىشى مۇمكىن، شۇڭا ماتېرىيال خۇسۇسىيىتىگە ئاساسەن ئېھتىياتچانلىق بىلەن تاللاش زۆرۈر.

ماتېرىيال قوللىنىش مىساللىرى:

• پولات: نېپىز تاختا (<3 مىللىمېتىر) كەپشەرلەشتە، ئارگون يۈزەكى پۈشۈكنىڭ سۈپىتىنى كاپالەتلەندۈرەلەيدۇ، 1.5 مىللىمېتىرلىق تۆۋەن كاربونلۇق پولات كەپشەرلەش تىكىشى ئۈچۈن ئوكسىد قەۋىتىنىڭ قېلىنلىقى پەقەت 0.5 مىكرومېتىر؛ قېلىن تاختا (>10 مىللىمېتىر) ئۈچۈن، سىڭىپ كىرىش چوڭقۇرلۇقىنى ئاشۇرۇش ئۈچۈن ئاز مىقداردا گېلىي (He) قوشۇش كېرەك.

• داتلاشماس پولات: ئارگون قوغداش Cr ئېلېمېنتىنىڭ يوقىلىشىنىڭ ئالدىنى ئالىدۇ، 3 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 304 داتلاشماس پولات كەپشەرلەش تىكىشىدىكى Cr مىقدارى %18.2 بولۇپ، ئاساسىي مېتالنىڭ %18.5 ىگە يېقىنلىشىدۇ؛ قوش داتلاشماس پولات ئۈچۈن، نىسبەتنى تەڭشەش ئۈچۈن Ar-N₂ ئارىلاشمىسى (N₂ ≤ 5%) لازىم. تەتقىقاتلار شۇنى كۆرسەتتىكى، 8 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 2205 قوش داتلاشماس پولات ئۈچۈن Ar-2% N₂ ئارىلاشمىسىنى ئىشلەتكەندە، فېررىت/ئاۋستېنىت نىسبىتى 48:52 دە مۇقىم بولۇپ، سوزۇلۇش كۈچى 780 MPa بولۇپ، بۇ ساپ ئارگون قوغداشتىن (720 MPa) ئۈستۈن تۇرىدۇ.

• ئاليۇمىن قېتىشمىسى: نېپىز تاختا (<3 مىللىمېتىر): ئاليۇمىن قېتىشمىسىنىڭ يۇقىرى نۇر قايتۇرۇشچانلىقى ئېنېرگىيەنى يۇتۇش نىسبىتىنىڭ تۆۋەن بولۇشىغا سەۋەب بولىدۇ، ھەمدە يۇقىرى ئىئونلىنىش ئېنېرگىيەسى (24.6 eV) بىلەن گېلىي پلازمىنى مۇقىملاشتۇرالايدۇ. تەتقىقاتلار شۇنى كۆرسىتىپ بېرىدۇكى، 2 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 6061 ئاليۇمىن قېتىشمىسى گېلىي بىلەن قوغدىغاندا، سىڭىپ كىرىش چوڭقۇرلۇقى 1.8 مىللىمېتىرغا يېتىپ، ئارگونغا سېلىشتۇرغاندا %25 ئاشىدۇ، تۆشۈكلۈك نىسبىتى %1 تىن تۆۋەن بولىدۇ. قېلىن تاختا (>5 مىللىمېتىر) ئۈچۈن: ئاليۇمىن قېتىشمىسى قېلىن تاختا يۇقىرى ئېنېرگىيە سەرپىياتىنى تەلەپ قىلىدۇ، گېلىي-ئارگون ئارىلاشمىسى (He:Ar = 3:1) سىڭىپ كىرىش چوڭقۇرلۇقى ۋە تەننەرخىنى تەڭشەيدۇ. مەسىلەن، 8 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 5083 تاختا كەپشەرلىگەندە، ئارىلاشما گاز قوغداش ئاستىدا سىڭىپ كىرىش چوڭقۇرلۇقى 6.2 مىللىمېتىرغا يېتىپ، ساپ ئارگون گازىغا سېلىشتۇرغاندا %35 ئاشىدۇ، ھەمدە كەپشەرلەش تەننەرخى %20 تۆۋەنلەيدۇ.

ئەسكەرتىش: ئەسلى تېكىستتە بەزى خاتالىقلار ۋە ماس كەلمەسلىكلەر بار. بېرىلگەن تەرجىمە تېكىستنىڭ تۈزىتىلگەن ۋە ماسلاشتۇرۇلغان نۇسخىسىغا ئاساسلانغان.

ئارگون گاز ئېقىم سۈرئىتىنىڭ تەسىرى

ئارگون گاز ئېقىمى سۈرئىتى ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ گاز قاپلاش ئىقتىدارى ۋە سۇيۇقلۇق دىنامىكىسىغا بىۋاسىتە تەسىر كۆرسىتىدۇ. ئېقىم سۈرئىتى يېتەرلىك بولمىغاندا، گاز قەۋىتى ھاۋانى تولۇق ئايرىيالمايدۇ، ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ گىرۋىكى ئوكسىدلىنىشقا ۋە گاز تۆشۈكلىرىنىڭ شەكىللىنىشىگە مايىل بولىدۇ؛ ئېقىم سۈرئىتى بەك يۇقىرى بولغاندا، بۇ تۇربۇلېنسىيەنى كەلتۈرۈپ چىقىرىشى مۇمكىن، بۇ ئېرىتىلگەن كۆلچەك يۈزىنى يۇيۇپ، كەپشەرلەشنىڭ چۆكۈش ياكى چاچراشقا ئېلىپ كېلىدۇ. رېينولدس سۇيۇقلۇق مېخانىكىسى سانىغا ئاساسلانغاندا (Re = ρvD/μ)، ئېقىم سۈرئىتىنىڭ ئېشىشى گاز ئېقىم سۈرئىتىنى ئاشۇرىدۇ. Re > 2300 بولغاندا، لامىنار ئېقىم تۇربۇلېنسىيە ئېقىمىغا ئۆزگىرىدۇ، بۇ ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ مۇقىملىقىنى بۇزىدۇ. شۇڭا، مۇھىم ئېقىم سۈرئىتىنى بېكىتىشنى تەجرىبە ياكى سانلىق سىمۇلياتسىيە (مەسىلەن، CFD) ئارقىلىق تەھلىل قىلىش كېرەك.

2-رەسىم. ھەر خىل گاز ئېقىمى سۈرئىتىنىڭ كەپشەرلەش تىكىشىگە تەسىرى

ئېقىننى ئەلالاشتۇرۇش ماتېرىيالنىڭ ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى ۋە تاختا قېلىنلىقى بىلەن بىرلەشتۈرۈلۈپ تەڭشىلىنىشى كېرەك:

• پولات ۋە داتلاشماس پولات ئۈچۈن: نېپىز پولات تاختىلار (1-2 مىللىمېتىر) ئۈچۈن، ئېقىش سۈرئىتى ئەڭ ياخشىسى 10-15 لىتىر/مىنۇت بولۇشى كېرەك. قېلىن تاختىلار (>6 مىللىمېتىر) ئۈچۈن، قۇيرۇق ئوكسىدلىنىشىنى باستۇرۇش ئۈچۈن، ئۇنى 18-22 لىتىر/مىنۇتقا كۆتۈرۈش كېرەك. مەسىلەن، 6 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 316L داتلاشماس پولاتنىڭ ئېقىش سۈرئىتى 20 لىتىر/مىنۇت بولغاندا، HAZ قاتتىقلىقىنىڭ بىردەكلىكى %30 يۇقىرى كۆتۈرۈلىدۇ.

• ئاليۇمىن قېتىشمىسى ئۈچۈن: يۇقىرى ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى قوغداش ۋاقتىنى ئۇزارتىش ئۈچۈن يۇقىرى ئېقىم سۈرئىتىنى تەلەپ قىلىدۇ. 3 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 7075 ئاليۇمىن قېتىشمىسى ئۈچۈن، ئېقىم سۈرئىتى 25-30 L/min بولغاندا، تۆشۈكلۈك سۈرئىتى ئەڭ تۆۋەن (%0.3). قانداقلا بولمىسۇن، ئىنتايىن قېلىن تاختايلار (>10 مىللىمېتىر) ئۈچۈن، قالايمىقانچىلىقتىن ساقلىنىش ئۈچۈن، بىرىكمە پۈۋلەش بىلەن بىرلەشتۈرۈش كېرەك.

گاز پۈۋلەش ئۇسۇلىنىڭ تەسىرى

گاز پۈۋلەش ھالىتى گاز ئېقىمىنىڭ يۆنىلىشى ۋە تارقىلىشىنى كونترول قىلىش ئارقىلىق ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ ئېقىم شەكلى ۋە نۇقساننى باستۇرۇش ئۈنۈمىگە بىۋاسىتە تەسىر كۆرسىتىدۇ. گاز پۈۋلەش ھالىتى يۈزەكى تارتىش گرادىيېنتى ۋە مارانگونى ئېقىمىنى (مارانگونى ئېقىمى) ئۆزگەرتىش ئارقىلىق ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ ئېقىمىنى تەڭشەيدۇ. يان تەرەپكە پۈۋلەش ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ مەلۇم يۆنىلىشتە ئېقىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىپ، تۆشۈكلەر ۋە شلاك قوشۇلۇشنى ئازايتىدۇ؛ بىرىكمە پۈۋلەش كۆپ يۆنىلىشلىك گاز ئېقىمى ئارقىلىق ئېنېرگىيە تەقسىملىنىشىنى تەڭپۇڭلاشتۇرۇش ئارقىلىق كەپشەرلەش شەكىللىنىشىنىڭ بىردەكلىكىنى ياخشىلىيالايدۇ.

پۈۋلەشنىڭ ئاساسلىق ئۇسۇللىرى تۆۋەندىكىلەرنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ:

• كوئاكسىيال پۈۋلەش: گاز ئېقىمى لازېر نۇرى بىلەن كوئاكسىيال ھالدا چىقىرىلىدۇ، ئېرىتىلگەن كۆلچەكنى سىممېترىك ھالدا قاپلايدۇ، يۇقىرى سۈرئەتلىك كەپشەرلەشكە ماس كېلىدۇ. ئۇنىڭ ئەۋزەللىكى يۇقىرى جەريان مۇقىملىقى، ئەمما گاز ئېقىمى لازېرنىڭ مەركەزلىشىشىگە توسقۇنلۇق قىلىشى مۇمكىن. مەسىلەن، ئاپتوموبىلنىڭ گالۋاڭلاشتۇرۇلغان پولات تاختىسىغا (1.2 مىللىمېتىر) كوئاكسىيال پۈۋلەش ئىشلەتكەندە، كەپشەرلەش سۈرئىتىنى 40 مىللىمېتىر/سېكۇنتقىچە ئاشۇرغىلى بولىدۇ، چاچراش نىسبىتى 0.1 دىن تۆۋەن بولىدۇ.

• يان تەرەپكە پۈۋلەش: گاز ئېقىمى ئېرىتىلگەن كۆلچەكنىڭ يېنىدىن كىرگۈزۈلىدۇ، بۇ ئارقىلىق پلازما ياكى ئاستىدىكى قالدۇقلارنى يۆنىلىشلىك چىقىرىۋېتىشكە بولىدۇ، چوڭقۇر سىڭىپ كىرىش كەپشەرلەشكە ماس كېلىدۇ. مەسىلەن، 12 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى Q345 پولاتنى 30 گرادۇسلۇق بۇلۇڭدا پۈۋلىگەندە، كەپشەرلەشنىڭ سىڭىپ كىرىش نىسبىتى %18 ئاشىدۇ، ئاستىدىكى تۆشۈكلۈك نىسبىتى %4 تىن %0.8 گىچە تۆۋەنلەيدۇ.

• بىرىكمە پۈۋلەش: بىرىكمە پۈۋلەش ۋە يان تەرەپكە پۈۋلەشنى بىرلەشتۈرۈپ، ئوكسىدلىنىش ۋە پلازما ئارىلىشىشىنى بىرلا ۋاقىتتا باستۇرالايدۇ. مەسىلەن، قوش ئۇچلۇق لايىھەلەنگەن 3 مىللىمېتىر قېلىنلىقتىكى 6061 ئاليۇمىن قېتىشمىسى ئۈچۈن، تۆشۈكلۈك نىسبىتى %2.5 تىن %0.4 كە تۆۋەنلىتىلىدۇ، سوزۇلۇش كۈچى ئاساسىي ماتېرىيالنىڭ %95 ىگە يېتىدۇ.

قوغداش گازىنىڭ كەپشەرلەش سۈپىتىگە بولغان تەسىرى ئاساسلىقى ئۇنىڭ ئېنېرگىيە يۆتكىلىشىنى تەڭشەش، ئېرىگەن سۇنىڭ تېرمودىنامىكىسى ۋە خىمىيىلىك رېئاكسىيەلەردىن كېلىپ چىقىدۇ:

1. ئېنېرگىيە يۆتكىلىشى: گېلىينىڭ يۇقىرى ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ سوۋۇشىنى تېزلىتىپ، ئىسسىقلىق تەسىر رايونى (HAZ) نىڭ كەڭلىكىنى ئازايتىدۇ؛ ئارگوننىڭ تۆۋەن ئىسسىقلىق ئۆتكۈزۈشچانلىقى ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ مەۋجۇت بولۇش ۋاقتىنى ئۇزارتىدۇ، بۇ نېپىز تاختايلارنىڭ يۈزىنىڭ شەكىللىنىشىگە پايدىلىق.

2. ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ مۇقىملىقى: گاز ئېقىمى ئېرىگەن كۆلچەكنىڭ ئېقىمىغا قىرقىش كۈچى ئارقىلىق تەسىر كۆرسىتىدۇ، مۇۋاپىق ئېقىم سۈرئىتى چاچراشنى باستۇرالايدۇ؛ ھەددىدىن زىيادە ئېقىم سۈرئىتى بۇرۇلۇش پەيدا قىلىپ، كەپشەرلەش نۇقسانلىرىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.

3. خىمىيىلىك قوغداش: ئىنېرت گازلار ئوكسىگېننى ئايرىپ، قېتىشما ئېلېمېنتلارنىڭ (مەسىلەن، Cr، Al) ئوكسىدلىنىشىنىڭ ئالدىنى ئالىدۇ؛ ئاكتىپ گازلار (مەسىلەن، N₂) قاتتىق ئېرىتمىنى كۈچەيتىش ياكى بىرىكمە ھاسىل قىلىش ئارقىلىق كەپشەرلەش خۇسۇسىيىتىنى ئۆزگەرتىدۇ، ئەمما قويۇقلۇقنى ئېنىق كونترول قىلىش كېرەك.