Kaynak yapıldıktan sonra borunun içinde bir baskı kalır mı? Bu nasıl ortadan kaldırılır?
Hassas fiber optik sensörlerin (Fiber Bragg Grating - FBG sensörleri gibi) metal kapsülleme üretiminde, kaynak işlemi (lazer kaynağı, lehimleme veya kalaylama gibi) tamamlanıp soğuduktan sonra, tüpün iç kısmı ile fiber ve tüp duvarı arasındaki birleşim yerinde gerçekten de “sıkışmış bir gerilim” oluşur. Fizik ve mühendislikte bu duruma Kapsülleme Kalıntı Gerilimi (Residual Packaging Stress) adı verilir.
Aşağıda, bunun fiziksel mekanizmaları ve sektörde bu gerilimi ortadan kaldırmak ve gidermek için kullanılan yaygın mühendislik yöntemleri açıklanacaktır.
Bir: Kaynak Sonrası Oluşan "Sıkışmış Gerilim"in (Kalıntı Gerilim) Fiziksel Nedenleri
Kalıntı gerilimlerin oluşmasının temel nedenleri şunlardır:
- Termal Uyumsuzluk Etkisi (Thermal Mismatch): Bu en temel nedendir. Kuvars fiberin termal genleşme katsayısı (CTE) son derece düşüktür ( \alpha_{\text{f}} \approx 0.5 \times 10^{-6}/\text{K} ); ancak kapsülleme için kullanılan metal koruyucu tüpün (paslanmaz çelik için \alpha_{\text{m}} \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} , bakır veya alüminyum alaşımları için daha da yüksek) termal genleşme katsayısı, fiberinkinden bir ila iki kat daha büyüktür.
Kaynak işlemi bittiğinde ve sistem yüksek sıcaklıktan ( T_{\text{weld}} ) oda sıcaklığına ( T_{\text{room}} ) soğuduğunda, metal tüpün büzülme miktarı fiberinkinden çok daha fazladır. İkisi lehim tarafından sağlam bir şekilde yapıştırıldığı için, metal tüpün güçlü büzülmesi fibere büyük bir eksenel basma gerilimi uygular ve bu da tüp içinde büyük bir kalıntı gerilim alanı oluşturur. - Lehimin Katılaşma ve Kristalleşme Büzülmesi (Solidification Shrinkage): Sıvı haldeki lehimin soğuyup katı hale geçtiği ve kristalleştiği süreçte hacminde mikroskobik bir büzülme meydana gelir. Bu, katı-sıvı ve katı-katı arayüzlerinde yerel kayma gerilimleri yaratır.
- Fikstürlerin Mekanik Kısıtlaması (Mechanical Constraint): Montaj ve kaynak sırasında, fiber ve tüp, fikstürler tarafından sıkıca konumlandırılmalı ve düzeltilmelidir. Fikstürler fibere hafif bir çekme veya bükme uygularsa, kaynak tamamlanıp fikstürler çıkarıldıktan sonra bu mekanik deformasyon, kapsülleme gövdesinin içine kalıcı olarak “kilitlenir”.
Tehlikeleri: Bu kalıntı gerilimin devam etmesine izin verilirse, FBG sensörünün yansıma spektrumu bozulur (genişleme, bölünme, çift kırılma artışı gibi), bu da ölçüm doğruluğunun düşmesine neden olur. Uzun süreli kullanımda, kalıntı gerilim ayrıca fiberdeki mikro çatlakların genişlemesini hızlandırarak sensörün erken yorulma kırılmasına yol açabilir.
İki: Kalıntı Gerilim Nasıl Giderilir ve Serbest Bırakılır?
Hassas optik sensör üretiminde, bu gerilimi serbest bırakmak ve stabilize etmek için genellikle aşağıdaki yöntemler kullanılır:
- Termal Tavlama İşlemi (Thermal Annealing):
Bu, endüstride en yaygın ve en etkili gerilim giderme yöntemidir. Kapsüllemelenmiş sensör, bir ısıl işlem fırınına yerleştirilir, belirli bir tavlama sıcaklığına (sensörün gelecekteki çalışma sıcaklığından yüksek, ancak fiber kaplamasının ve gratinglerin arıza sıcaklığından düşük olmalıdır) kadar yavaşça ısıtılır ve belirli bir süre (izotermal tutma) tutulur.
Bu aşamada, metal atomları, lehim ve fiber arayüzü termal aktivasyon altında mikroskobik sürünme ve plastik deformasyona uğrayarak konsantre elastik gerinim enerjisinin serbest kalmasını sağlar. Ardından, ikincil termal gerilimleri önlemek için oda sıcaklığına kadar aşırı yavaş bir hızla (örneğin 1\ ^{\circ}\text{C}/\text{min} ) soğutulmalıdır. - Ön Germe Kontrolü (Pre-tension Control):
Kaynak işleminden önce, hassas bir yerleştirme masası kullanılarak fibere bir eksenel çekme kuvveti uygulanır (yani, küçük bir ön gerinim uygulanır). Böylece kaynak soğuma büzülmesi sırasında metal tüp tarafından üretilen basma gerilimi, fiberdeki mevcut ön çekme gerilimini tam olarak dengeler. Bu “pozitif ve negatif dengeleme” yoluyla, oda sıcaklığındaki net kalıntı gerilim sıfıra yakın veya küçük, güvenli bir çekme gerilimi aralığında tutulabilir. - Düşük Termal Genleşme Katsayılı Malzeme Eşleştirmesi (CTE Matching):
Tasarımın başlangıcında, kuvars fibere daha yakın termal genleşme katsayısına sahip malzemeler (örneğin Kovar, Invar veya elastik alaşımlar) seçilerek, fiziksel kaynaktan termal büzülme farkı azaltılır. - Ultrasonik / Titreşimle Gerilim Giderme (Ultrasonic / Vibrational Stress Relief):
Kaynak tamamlandıktan sonra, bileşene belirli frekanslarda ultrasonik dalgalar veya alternatif yüksek frekanslı titreşimler uygulanır. Bu, malzemenin içindeki kristal yapının yerel mikro-plastik deformasyonuna neden olarak kalıntı gerilimin homojen dağılımını ve giderilmesini hızlandırır.
Üç: OFSCN® Teknoloji Çözümleri ve Ürün Uygulamaları
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) tarafından üretilen yüksek hassasiyetli fiber optik sensörler, kapsülleme kalıntı gerilimini ortadan kaldırmak için katı proses standartlarına sahiptir:
Hassas stres ve gerinim ölçümü için yaygın olarak kullanılan OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor, özel elastik alaşımlı tüplerle kapsüllenmiştir ve fabrikadan çıkmadan önce yüksek ve düşük sıcaklık döngüsü ile termal yaşlandırma tavlama işlemlerinden geçirilerek kapsülleme kalıntı gerilimi tamamen giderilir. Bu, sensörün uzun süreli çalışmasının sıfır noktası kararlılığını sağlar.
OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
Ekstrem sıcaklık aralıklarında çalışan dağıtılmış sensörler için, örneğin OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor, geniş çalışma sıcaklığı farkı nedeniyle ( -270\ ^{\circ}\text{C} ila 700\ ^{\circ}\text{C} ), altın kaplama fiber ve özel tek katmanlı elastik alaşımlı tüpün kusursuz tam metal kaynaklı kapsüllemesini kullanır. Üretim sürecinde, çoklu yüksek sıcaklık yaşlandırma tavlama işlemleri ile kristal gerilimler tamamen giderilir ve yeniden şekillendirilir. Bu, ultra geniş sıcaklık aralığında yapılan ölçümlerin mutlak doğrusal hassasiyetini ve yüksek tekrarlanabilirliğini sağlar.
