Myndunarferli og aðgerðir til að bæla storknunarsprungur í leysissuðu

Lasergeislasuðu, með miklum hraða, mikilli nákvæmni og snertilausum eiginleikum, er mikið notað í bifreiðum, geimferðum og rafeindatækjum, sérstaklega í tengingu ólíkra efna. Hins vegar eru storknunarsprungur (storknunarsprungur) sem myndast við suðuferlið einn af helstu göllunum sem takmarka notkun þess í iðnaði. Þessar sprungur koma venjulega fram í lok storknunar á bræðslusvæðinu (bræðslusvæði), af völdum sameindra áhrifa hitaspennu, storknunarrýrnunar og vökvafilmu á kornamörkum, sem dregur verulega úr vélrænum eiginleikum og þreytuþoli samskeytisins.

1. Myndunarferli

Kjarni storknunarsprungna liggur í vökvafilmunni sem eftir er af við kornamörkin að loknum storknun. Við storknunina skiptist bráðna pollurinn í þrjú svæði: svæðið fyrir frjálsan vökva, svæðið með lokuðum vökva og svæðið með föstu formi, eins og sýnt er á mynd 1. Í svæði með lokuðum vökva er vökvaflæðið stíflað og getur ekki bætt upp fyrir álagið sem myndast við rýrnun storknunar, sem leiðir til aðskilnaðar kornamörka. Hlutfall kornamörkorku (γgb) og orku millifletis fasts efnis og vökva (γsl) ákvarðar stöðugleika vökvafilmunnar: ef γgb < 2γsl er vökvafilman óstöðug og kornasamruni á sér stað; öfugt er vökvafilman stöðug og sprungumyndun er líkleg til að eiga sér stað.

Ennfremur tengist myndun storknunarsprungna einnig málmfræðilegum eiginleikum efnanna. Mismunandi efni hafa mismunandi storknunareiginleika, svo sem hitastigsbil storknunar, rýrnunarhraða storknunar og dreifingu málmblönduþátta o.s.frv. Þessir eiginleikar hafa áhrif á næmi sprungna. Til dæmis, í efnum sem innihalda mikið magn af evtektískum fösum með lágt bræðslumark, er næmi storknunarsprungna hærra vegna þess að þessir evtektísku fasar eru líklegir til að mynda samfellda vökvahimnu við storknun, sem eykur þannig myndun sprungna.

Á meðanleysissuðuferliSuðubreytur eins og leysigeislaafl, suðuhraði og stærð punkta hafa einnig áhrif á myndun storknunarsprungna. Þessir breytur hafa áhrif á varmainntak og hitastigshalla meðan á suðuferlinu stendur og breyta þannig storknunarbyggingu og kornaformgerð. Til dæmis leiðir hærri leysigeislaafl og lægri suðuhraði til meiri varmainntaks og hægari kælingarhraða, sem stuðlar að vexti súlulaga kristalla og eykur næmi fyrir sprungum. Aftur á móti leiðir lægri leysigeislaafl og hærri suðuhraði til minni varmainntaks og hraðari kælingarhraða, sem auðveldar myndun jafnása kristalla og dregur úr sprungunæmi.

2. Aðgerðir til að bæla niður

Til að bæla á áhrifaríkan hátt niður storknunarsprungur íleysissuðu, hafa vísindamenn lagt til ýmsar aðferðir sem aðallega beinast að því að stjórna kornabyggingu, hámarka suðubreytur og bæta eiginleika efnisins. Með því að fínpússa kornabyggingu er hægt að auka fjölda kornamarka og minnka spennuþéttni og þar með draga úr myndun sprungna. Rannsóknir hafa sýnt að með því að nota leysigeislasveiflutækni er hægt að umbreyta súlulaga kristöllum í fína jafnása kristalla án þess að bæta við öðrum efnum. Sveiflur leysigeislans geta dreift leysigeislaorku, sem veldur því að bráðna laugin myndar ókyrrð og brýtur þannig vaxtarstefnu súlulaga kristalla og stuðlar að myndun jafnása kristalla, eins og sýnt er á mynd 3. Að auki geta leysigeislasveiflur einnig aukið breidd bráðna laugarinnar, dregið úr hitastigshalla og lengt storknunartíma bráðna laugarinnar, sem stuðlar að dreifingu uppleystra efna og endurnýjun vökvafilma og þar með dregið verulega úr næmi storknunarsprungna.

Dreifing vökvafilma á kornamörkum undir mismunandi lögun polla.

Skýringarmynd af bráðnu suðulauginni, a, b) án sveiflna, c, d) hliðarsveiflur, e, f) langsum sveiflur, g, h) ummálssveiflur.

Auk þess aðleysigeisliMeð sveiflutækni, þar sem tvöfaldur leysigeisli er notaður, er einnig ein áhrifarík aðferð til að bæla niður storknunarsprungur. Tvöfaldir leysigeislar geta náð fram umbreytingu úr súlulaga kristöllum í jafnása kristalla með því að hámarka hitauppstreymið og þar með minnka kornastærð og álagsþéttni. Til dæmis, þegar CO₂ leysir er notaður sem aðalhitagjafi og Nd:YAG púlsleysir sem aukahitagjafi, er hægt að mynda hámarks hitauppstreymi við suðu, sem stuðlar að myndun jafnása kristalla og dregur úr næmi storknunarsprungna, eins og sýnt er á mynd 4.

Að hámarka suðubreytur er einnig mikilvæg leið til að bæla niður storknunarsprungur. Með því að stilla breytur eins og leysigeislaafl, suðuhraða og punktstærð er hægt að stjórna hitainntaki og hitastigshalla meðan á suðuferlinu stendur og þannig hafa áhrif á storknunarbyggingu og kornaformgerð. Rannsóknir hafa sýnt að forhitunarmeðferð getur dregið úr kælihraða, stuðlað að myndun jafnása kristalla og þar með dregið úr næmi storknunarsprungna, eins og sýnt er á mynd 5. Að auki geta aðferðir eins og að nota púlsaðan leysigeislasuðu og auka suðuhraða einnig náð fram umbreytingu úr súlulaga kristöllum í jafnása kristalla með því að breyta hitainntaki og kælihraða og þar með draga úr næmi sprungna.

Mynd 5. a) Óhitað, b) 300°C forhitað jafnása korn.

Þegar mismunandi efni eru suðað með leysigeisla, vegna mikils munar á eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum efnanna, er hætta á að brothætt millimálmsambönd myndist, sem er ein helsta orsök storknunarsprungna. Þess vegna er aðlögun leysigeislabreyta og stillinga til að draga úr myndun eða magni millimálmsambanda einnig mikilvæg stefna til að bæla niður storknunarsprungur. Til dæmis, við leysigeislasuðu á ólíkum kopar-ál efnum, með því að stjórna fráviki leysigeislans og suðuhraða, er hægt að minnka blöndunarhlutfall kopars og áls í bráðnu vatni, og þar með minnka myndun brothættra millimálmsambanda og draga úr næmi sprungna. Að auki getur notkun fylliefna einnig bætt afköst suðusamskeytisins og dregið úr myndun sprungna. Fylliefni geta dregið úr myndun millimálmsambanda með því að breyta samsetningu og örbyggingu suðusamskeytisins og bæta seiglu suðusamskeytisins.

Storknunarsprungur eru einn algengasti gallinn í leysissuðuferlum. Myndunarferlið er flókið og felur í sér samspil margra þátta eins og hita, aflfræði og málmfræði. Með því að rannsaka myndunarferlið storknunarsprungna ítarlega er hægt að leggja fræðilegan grunn að því að bæla niður sprungur. Á undanförnum árum hafa vísindamenn lagt til ýmsar aðferðir til að bæla niður storknunarsprungur, sem aðallega beinast að því að stjórna kornabyggingu, hámarka suðubreytur og bæta efniseiginleika. Reynslan hefur sýnt að þessar aðferðir geta á áhrifaríkan hátt dregið úr næmi storknunarsprungna að vissu marki og bætt gæði og áreiðanleika leysissuðu. Hins vegar, vegna flækjustigs og fjölbreytileika leysissuðuferlisins, eru enn nokkrir annmarkar á núverandi rannsóknum. Til dæmis, varðandi hömlunarferli storknunarsprungna við mismunandi efni og suðuskilyrði, er enn þörf á frekari ítarlegri rannsóknum.