Teknolojia ya kulehemu kwa leza, kutokana na msongamano wake mkubwa wa nishati, uingizaji mdogo wa joto na sifa zisizogusana, imekuwa moja ya michakato ya msingi katika utengenezaji wa kisasa wa usahihi. Hata hivyo, matatizo kama vile oksidi, unyeyushaji na kuungua kwa elementi kunakosababishwa na mguso wa bwawa lililoyeyushwa na angahewa wakati wa kulehemu huzuia kwa kiasi kikubwa sifa za kiufundi na maisha ya huduma ya mshono wa kulehemu. Kama njia ya msingi ya kudhibiti mazingira ya kulehemu, uteuzi wa aina, kiwango cha mtiririko na hali ya kupuliza ya gesi ya kinga inahitaji kuunganishwa na sifa za nyenzo (kama vile shughuli za kemikali, upitishaji joto) na unene wa sahani.
Aina za gesi za kinga
Kazi kuu ya gesi za kinga iko katika kutenganisha oksijeni, kudhibiti tabia ya bwawa lililoyeyushwa, na kuboresha ufanisi wa muunganiko wa nishati. Kulingana na sifa zao za kemikali, gesi za kinga zinaweza kuainishwa katika gesi zisizo na kemikali (argon, heliamu) na gesi zinazofanya kazi (nitrojeni, kaboni dioksidi). Gesi zisizo na kemikali zina uthabiti mkubwa wa kemikali na zinaweza kuzuia kwa ufanisi oksidasheni ya bwawa lililoyeyushwa, lakini tofauti zao muhimu katika sifa za kimwili za joto huathiri kwa kiasi kikubwa athari ya kulehemu. Kwa mfano, argon (Ar) ina msongamano mkubwa (1.784 kg/m³) na inaweza kuunda mipako thabiti, lakini upitishaji wake mdogo wa joto (0.0177 W/m·K) husababisha kupoa polepole kwa bwawa lililoyeyushwa na kupenya kwa weld isiyo na kina kirefu. Kwa upande mwingine, heliamu (He) ina upitishaji wa joto mara nane zaidi (0.1513 W/m·K) kuliko argon na inaweza kuharakisha upoeshaji wa bwawa lililoyeyushwa na kuongeza kupenya kwa weld, lakini msongamano wake mdogo (0.1785 kg/m³) hufanya iwe rahisi kutoroka, ikihitaji kiwango cha juu cha mtiririko ili kudumisha athari ya kinga. Gesi zinazofanya kazi kama vile nitrojeni (N₂) zinaweza kuongeza nguvu ya kulehemu kupitia uimarishaji wa myeyusho imara katika hali fulani, lakini matumizi mengi yanaweza kusababisha unyeyushaji au mvua ya awamu za kuvunjika. Kwa mfano, wakati wa kulehemu chuma cha pua chenye duplex mbili, uenezaji wa nitrojeni kwenye bwawa lililoyeyuka unaweza kuvuruga usawa wa awamu ya feriti/austenite, na kusababisha kupungua kwa upinzani wa kutu.
Mchoro 1. Kulehemu kwa leza kwa chuma cha pua cha 304L (juu): Kinga ya gesi ya Ar; (chini): Kinga ya gesi ya N2
Kwa mtazamo wa utaratibu wa mchakato, nishati ya juu ya ioni ya heliamu (24.6 eV) inaweza kukandamiza athari ya kinga ya plasma na kuongeza unyonyaji wa nishati ya leza, na hivyo kuongeza kina cha kupenya. Wakati huo huo, nishati ya chini ya ioni ya argon (15.8 eV) inakabiliwa na kutoa mawingu ya plasma, ambayo inahitaji kuondoa umakini au moduli ya mapigo ili kupunguza mwingiliano. Zaidi ya hayo, mmenyuko wa kemikali kati ya gesi hai na bwawa lililoyeyuka (kama vile nitrojeni inayoitikia na Cr katika chuma) inaweza kubadilisha muundo wa kulehemu, na uteuzi makini kulingana na sifa za nyenzo ni muhimu.
Mifano ya matumizi ya nyenzo:
• Chuma: Katika ulehemu wa bamba jembamba (<3 mm), argon inaweza kuhakikisha umaliziaji wa uso, ikiwa na unene wa safu ya oksidi ya 0.5 μm pekee kwa mshono wa kulehemu wa chuma wa kaboni kidogo wa 1.5 mm; kwa bamba nene (>10 mm), kiasi kidogo cha heliamu (He) kinahitaji kuongezwa ili kuongeza kina cha kupenya.
• Chuma cha pua: Ulinzi wa Argon unaweza kuzuia upotevu wa kipengele cha Cr, ukiwa na kiwango cha Cr cha 18.2% katika mshono wa kulehemu wa chuma cha pua cha 304 chenye unene wa milimita 3 unaokaribia 18.5% ya chuma cha msingi; kwa chuma cha pua cha duplex, mchanganyiko wa Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) unahitajika ili kusawazisha uwiano. Uchunguzi umeonyesha kwamba unapotumia mchanganyiko wa Ar-2% N₂ kwa chuma cha pua cha duplex cha 2205 chenye unene wa milimita 8, uwiano wa ferrite/austenite ni thabiti kwa 48:52, ukiwa na nguvu ya mkunjo ya 780 MPa, ambayo ni bora kuliko ulinzi safi wa argon (720 MPa).
• Aloi ya alumini: Sahani nyembamba (<3 mm): Uakisi mkubwa wa aloi za alumini husababisha kiwango cha chini cha kunyonya nishati, na heliamu, ikiwa na nishati yake ya juu ya ioni (24.6 eV), inaweza kuleta utulivu kwenye plasma. Utafiti unaonyesha kwamba wakati aloi ya alumini ya 6061 yenye unene wa mm 2 inalindwa na heliamu, kina cha kupenya hufikia 1.8 mm, na kuongezeka kwa 25% ikilinganishwa na argon, na kiwango cha porosity ni chini ya 1%. Kwa sahani nene (>5 mm): Sahani nene za aloi ya alumini zinahitaji uingizaji wa nishati ya juu, na mchanganyiko wa heliamu-argon (He:Ar = 3:1) unaweza kusawazisha kina cha kupenya na gharama. Kwa mfano, wakati wa kulehemu sahani za 5083 zenye unene wa mm 8, kina cha kupenya hufikia 6.2 mm chini ya ulinzi wa gesi mchanganyiko, na kuongezeka kwa 35% ikilinganishwa na gesi safi ya argon, na gharama ya kulehemu hupunguzwa kwa 20%.
Kumbuka: Maandishi ya asili yana makosa na kutofautiana. Tafsiri iliyotolewa inategemea toleo lililosahihishwa na linaloeleweka la maandishi.
Ushawishi wa kiwango cha mtiririko wa gesi ya argon
Kiwango cha mtiririko wa gesi ya argon huathiri moja kwa moja uwezo wa kufunika gesi na mienendo ya umajimaji wa bwawa lililoyeyushwa. Wakati kiwango cha mtiririko hakitoshi, safu ya gesi haiwezi kutenganisha hewa kabisa, na ukingo wa bwawa lililoyeyushwa unakabiliwa na oksidi na uundaji wa vinyweleo vya gesi; wakati kiwango cha mtiririko ni kikubwa sana, kinaweza kusababisha mtikisiko, ambao unaweza kuosha uso wa bwawa lililoyeyushwa na kusababisha unyogovu wa kulehemu au matone. Kulingana na idadi ya mitambo ya maji ya Reynolds (Re = ρvD/μ), ongezeko la kiwango cha mtiririko litaongeza kasi ya mtiririko wa gesi. Wakati Re > 2300, mtiririko wa laminar hubadilika kuwa mtiririko wenye misukosuko, ambao utaharibu utulivu wa bwawa lililoyeyushwa. Kwa hivyo, uamuzi wa kiwango muhimu cha mtiririko unahitaji kuchambuliwa kupitia majaribio au simulizi za nambari (kama vile CFD).
Mchoro 2. Athari za Viwango Tofauti vya Mtiririko wa Gesi kwenye Mshono wa Weld
Uboreshaji wa mtiririko unapaswa kurekebishwa pamoja na upitishaji joto wa nyenzo na unene wa sahani:
• Kwa chuma na chuma cha pua: Kwa sahani nyembamba za chuma (1-2 mm), kiwango cha mtiririko kinapendekezwa kuwa lita 10-15/dakika. Kwa sahani nene (>6 mm), inapaswa kuongezwa hadi lita 18-22/dakika ili kukandamiza oxidation ya mkia. Kwa mfano, wakati kiwango cha mtiririko wa chuma cha pua cha 316L chenye unene wa milimita 6 ni lita 20/dakika, usawa wa ugumu wa HAZ unaboreshwa kwa 30%.
• Kwa aloi ya alumini: Upitishaji joto mwingi unahitaji kiwango cha juu cha mtiririko ili kuongeza muda wa ulinzi. Kwa aloi ya alumini ya 7075 yenye unene wa milimita 3, kiwango cha unyeyushaji ni cha chini kabisa (0.3%) wakati kiwango cha mtiririko ni 25-30 L/dakika. Hata hivyo, kwa sahani zenye unene wa juu (>10 mm), ni muhimu kuchanganya na upigaji mchanganyiko ili kuepuka msukosuko.
Ushawishi wa hali ya gesi inayopuliza
Hali ya gesi inayopuliza huathiri moja kwa moja muundo wa mtiririko wa bwawa lililoyeyuka na athari ya kukandamiza kasoro kwa kudhibiti mwelekeo na usambazaji wa mtiririko wa gesi. Hali ya gesi inayopuliza hudhibiti mtiririko wa bwawa lililoyeyuka kwa kubadilisha mteremko wa mvutano wa uso na mtiririko wa Marangoni (mtiririko wa Marangoni). Kupuliza kwa pembeni kunaweza kusababisha bwawa lililoyeyuka kutiririka katika mwelekeo maalum, kupunguza vinyweleo na kuingizwa kwa slag; upulizaji mchanganyiko unaweza kuboresha usawa wa uundaji wa weld kwa kusawazisha usambazaji wa nishati kupitia mtiririko wa gesi wa pande nyingi.
Njia kuu za kupiga ni pamoja na:
• Upigaji wa Koaxial: Mtiririko wa gesi hutolewa kwa njia ya koaxial na boriti ya leza, ikifunika bwawa lililoyeyushwa kwa ulinganifu, linalofaa kwa kulehemu kwa kasi ya juu. Faida yake ni uthabiti wa mchakato wa juu, lakini mtiririko wa gesi unaweza kuingiliana na umakini wa leza. Kwa mfano, unapotumia upigaji wa koaxial kwenye karatasi ya chuma ya mabati ya magari (1.2 mm), kasi ya kulehemu inaweza kuongezeka hadi 40 mm/s, na kiwango cha kumwagika ni chini ya 0.1.
• Kupulizia pembeni: Mtiririko wa gesi huletwa kutoka upande wa bwawa lililoyeyushwa, ambalo linaweza kutumika kuondoa uchafu wa plasma au chini kwa mwelekeo, unaofaa kwa kulehemu kwa kina. Kwa mfano, wakati wa kupulizia chuma cha Q345 chenye unene wa mm 12 kwa pembe ya 30°, kupenya kwa kulehemu huongezeka kwa 18%, na kiwango cha porosity ya chini hupungua kutoka 4% hadi 0.8%.
• Upigaji mchanganyiko: Kwa kuchanganya upigaji wa koaxial na pembeni, inaweza kukandamiza uoksidishaji na mwingiliano wa plasma kwa wakati mmoja. Kwa mfano, kwa aloi ya alumini 6061 yenye unene wa mm 3 yenye muundo wa pua mbili, kiwango cha unyeyushaji hupunguzwa kutoka 2.5% hadi 0.4%, na nguvu ya mvutano hufikia 95% ya nyenzo ya msingi.
Ushawishi wa gesi ya kinga kwenye ubora wa kulehemu kimsingi unatokana na udhibiti wake wa uhamishaji wa nishati, halijoto ya bwawa lililoyeyuka, na athari za kemikali:
1. Uhamisho wa nishati: Upitishaji joto wa juu wa heliamu huharakisha upoevu wa bwawa lililoyeyushwa, na kupunguza upana wa eneo lililoathiriwa na joto (HAZ); upitishaji joto wa chini wa argon huongeza muda wa kuwepo kwa bwawa lililoyeyushwa, jambo ambalo lina manufaa kwa uundaji wa uso wa sahani nyembamba.
2. Uthabiti wa bwawa lililoyeyuka: Mtiririko wa gesi huathiri mtiririko wa bwawa lililoyeyuka kupitia nguvu ya kukata, na kiwango kinachofaa cha mtiririko kinaweza kuzuia matone; kiwango kikubwa cha mtiririko kitasababisha vortex, na kusababisha kasoro za kulehemu.
3. Ulinzi wa kemikali: Gesi zisizo na kemikali hutenganisha oksijeni na kuzuia oksidi ya vipengele vya aloi (kama vile Cr, Al); gesi hai (kama vile N₂) hubadilisha sifa za kulehemu kupitia uimarishaji wa myeyusho imara au uundaji wa misombo, lakini mkusanyiko unahitaji kudhibitiwa kwa usahihi.
Muda wa chapisho: Aprili-09-2025
