लेजर अवशोषण दर और लेजर पदार्थ की परस्पर क्रिया के कारण पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन

लेजर और पदार्थों के बीच की परस्पर क्रिया में कई भौतिक घटनाएँ और विशेषताएँ शामिल होती हैं। अगले तीन लेख लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया से संबंधित तीन प्रमुख भौतिक घटनाओं का परिचय देंगे ताकि सहकर्मियों को इस प्रक्रिया की बेहतर समझ मिल सके।लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाइसमें लेजर अवशोषण दर और अवस्था परिवर्तन, प्लाज्मा और कीहोल प्रभाव को विभाजित किया गया है। इस बार, हम लेजर और पदार्थों की अवस्था परिवर्तन तथा अवशोषण दर के बीच संबंध को अपडेट करेंगे।

लेजर और पदार्थों के बीच परस्पर क्रिया के कारण पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन

धातु पदार्थों का लेजर प्रसंस्करण मुख्य रूप से फोटोथर्मल प्रभावों के थर्मल प्रसंस्करण पर आधारित है। जब लेजर विकिरण पदार्थ की सतह पर लगाया जाता है, तो विभिन्न शक्ति घनत्वों पर पदार्थ के सतह क्षेत्र में कई परिवर्तन होते हैं। इन परिवर्तनों में सतह के तापमान में वृद्धि, पिघलना, वाष्पीकरण, छिद्र निर्माण और प्लाज्मा उत्पादन शामिल हैं। इसके अलावा, पदार्थ के सतह क्षेत्र की भौतिक अवस्था में परिवर्तन पदार्थ द्वारा लेजर के अवशोषण को बहुत प्रभावित करते हैं। शक्ति घनत्व और क्रिया समय में वृद्धि के साथ, धातु पदार्थ की अवस्था में निम्नलिखित परिवर्तन होते हैं:

जबलेजर शक्तिघनत्व कम (<10^4w/cm^2) और विकिरण समय कम होने के कारण, धातु द्वारा अवशोषित लेजर ऊर्जा केवल सतह से अंदर की ओर सामग्री के तापमान में वृद्धि कर सकती है, लेकिन ठोस अवस्था अपरिवर्तित रहती है। इसका उपयोग मुख्य रूप से पुर्जों के एनीलिंग और चरण परिवर्तन सख्त करने के उपचार में किया जाता है, जिनमें औजार, गियर और बियरिंग प्रमुख हैं;

लेजर शक्ति घनत्व (10^4-10^6 w/cm^2) में वृद्धि और विकिरण समय में वृद्धि के साथ, पदार्थ की सतह धीरे-धीरे पिघलती है। जैसे-जैसे इनपुट ऊर्जा बढ़ती है, द्रव-ठोस इंटरफ़ेस धीरे-धीरे पदार्थ के गहरे भाग की ओर बढ़ता है। इस भौतिक प्रक्रिया का उपयोग मुख्य रूप से धातुओं की सतह को फिर से पिघलाने, मिश्रधातुकरण, आवरण चढ़ाने और ऊष्मीय चालकता वेल्डिंग के लिए किया जाता है।

पावर घनत्व को और बढ़ाकर (>10^6 w/cm^2) और लेजर क्रिया के समय को बढ़ाकर, पदार्थ की सतह न केवल पिघलती है बल्कि वाष्पीकृत भी हो जाती है, और वाष्पीकृत पदार्थ पदार्थ की सतह के पास एकत्रित होकर कमजोर रूप से आयनित होकर प्लाज्मा बनाते हैं। यह पतला प्लाज्मा पदार्थ को लेजर अवशोषित करने में मदद करता है; वाष्पीकरण और विस्तार के दबाव में, तरल सतह विकृत हो जाती है और गड्ढे बन जाते हैं। इस चरण का उपयोग लेजर वेल्डिंग के लिए किया जा सकता है, आमतौर पर 0.5 मिमी के भीतर सूक्ष्म कनेक्शनों की स्प्लिसिंग थर्मल कंडक्टिविटी वेल्डिंग में।

ऊर्जा घनत्व को और बढ़ाकर (>10^7 w/cm^2) और विकिरण समय को बढ़ाकर, पदार्थ की सतह पर तीव्र वाष्पीकरण होता है, जिससे उच्च आयनीकरण स्तर वाला प्लाज्मा बनता है। यह सघन प्लाज्मा लेजर पर परिरक्षण प्रभाव डालता है, जिससे पदार्थ पर आपतित लेजर की ऊर्जा घनत्व काफी कम हो जाती है। साथ ही, तीव्र वाष्प प्रतिक्रिया बल के कारण, पिघली हुई धातु के अंदर छोटे-छोटे छिद्र बन जाते हैं, जिन्हें आमतौर पर कीहोल कहा जाता है। कीहोल की उपस्थिति पदार्थ के लिए लेजर को अवशोषित करने में सहायक होती है, और इस चरण का उपयोग लेजर डीप फ्यूजन वेल्डिंग, कटिंग और ड्रिलिंग, इम्पैक्ट हार्डनिंग आदि के लिए किया जा सकता है।

विभिन्न परिस्थितियों में, विभिन्न धातु पदार्थों पर लेजर विकिरण की विभिन्न तरंग दैर्ध्य के परिणामस्वरूप प्रत्येक चरण में शक्ति घनत्व के विशिष्ट मान प्राप्त होंगे।

पदार्थों द्वारा लेजर के अवशोषण के संदर्भ में, पदार्थों का वाष्पीकरण एक सीमा रेखा है। जब पदार्थ वाष्पीकृत नहीं होता है, चाहे वह ठोस अवस्था में हो या तरल अवस्था में, तो सतह के तापमान में वृद्धि के साथ लेजर का अवशोषण धीरे-धीरे बदलता है; एक बार पदार्थ वाष्पीकृत हो जाता है और प्लाज्मा और छिद्र बन जाते हैं, तो पदार्थ द्वारा लेजर का अवशोषण अचानक बदल जाता है।

चित्र 2 में दर्शाए अनुसार, लेजर वेल्डिंग के दौरान पदार्थ की सतह पर लेजर के अवशोषण की दर लेजर पावर घनत्व और पदार्थ की सतह के तापमान के साथ बदलती रहती है। जब पदार्थ पिघलता नहीं है, तो पदार्थ की सतह के तापमान में वृद्धि के साथ लेजर द्वारा पदार्थ के अवशोषण की दर धीरे-धीरे बढ़ती है। जब पावर घनत्व (10⁶ w/cm²) से अधिक होता है, तो पदार्थ तेजी से वाष्पीकृत होकर एक छिद्र बनाता है। लेजर इस छिद्र में प्रवेश करके कई बार परावर्तित और अवशोषित होता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ द्वारा लेजर के अवशोषण की दर में काफी वृद्धि होती है और पिघलने की गहराई में भी काफी वृद्धि होती है।

धातु पदार्थों द्वारा लेजर का अवशोषण – तरंगदैर्ध्य

ऊपर दिया गया चित्र कमरे के तापमान पर सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली धातुओं की परावर्तनशीलता, अवशोषणशीलता और तरंगदैर्ध्य के बीच संबंध वक्र दर्शाता है। अवरक्त क्षेत्र में, तरंगदैर्ध्य बढ़ने के साथ अवशोषण दर घटती है और परावर्तनशीलता बढ़ती है। अधिकांश धातुएँ 10.6um (CO2) तरंगदैर्ध्य के अवरक्त प्रकाश को प्रबलता से परावर्तित करती हैं, जबकि 1.06um (1060nm) तरंगदैर्ध्य के अवरक्त प्रकाश को दुर्बल रूप से परावर्तित करती हैं। धातु पदार्थों में नीले और हरे प्रकाश जैसे अल्प तरंगदैर्ध्य वाले लेज़रों के लिए उच्च अवशोषण दर होती है।

धातु पदार्थों द्वारा लेजर का अवशोषण – पदार्थ का तापमान और लेजर ऊर्जा घनत्व

उदाहरण के तौर पर एल्युमीनियम मिश्र धातु को लें, तो जब सामग्री ठोस अवस्था में होती है, तो लेजर अवशोषण दर लगभग 5-7% होती है, तरल अवस्था में अवशोषण दर 25-35% तक होती है, और कीहोल अवस्था में यह 90% से अधिक तक पहुंच सकती है।

तापमान बढ़ने के साथ लेजर द्वारा पदार्थ के अवशोषण की दर भी बढ़ती है। कमरे के तापमान पर धातु पदार्थों की अवशोषण दर बहुत कम होती है। तापमान जब गलनांक के निकट पहुँचता है, तो इसकी अवशोषण दर 40% से 60% तक पहुँच सकती है। यदि तापमान क्वथनांक के करीब हो, तो इसकी अवशोषण दर 90% तक भी पहुँच सकती है।

धातु पदार्थों द्वारा लेजर का अवशोषण – सतह की स्थिति

परंपरागत रूप से अवशोषण दर को एक चिकनी धातु की सतह का उपयोग करके मापा जाता है, लेकिन लेजर हीटिंग के व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, उच्च परावर्तन के कारण होने वाली गलत सोल्डरिंग से बचने के लिए कुछ उच्च परावर्तन सामग्री (एल्यूमीनियम, तांबा) की अवशोषण दर को बढ़ाना आमतौर पर आवश्यक होता है;

निम्नलिखित विधियों का उपयोग किया जा सकता है:

1. लेजर की परावर्तनशीलता को बेहतर बनाने के लिए उपयुक्त सतह पूर्व-उपचार प्रक्रियाओं को अपनाना: प्रोटोटाइप ऑक्सीकरण, सैंडब्लास्टिंग, लेजर सफाई, निकेल प्लेटिंग, टिन प्लेटिंग, ग्रेफाइट कोटिंग आदि सभी सामग्री की लेजर अवशोषण दर को बेहतर बना सकते हैं;

इसका मुख्य उद्देश्य सामग्री की सतह की खुरदरापन बढ़ाना है (जो कई लेजर परावर्तन और अवशोषण के लिए अनुकूल है), साथ ही उच्च अवशोषण दर वाली कोटिंग सामग्री की मात्रा बढ़ाना है। उच्च अवशोषण दर वाली सामग्रियों द्वारा लेजर ऊर्जा को अवशोषित करके और उसे पिघलाकर और वाष्पीकृत करके, लेजर ऊष्मा को आधार सामग्री में स्थानांतरित किया जाता है, जिससे सामग्री की अवशोषण दर में सुधार होता है और उच्च परावर्तन के कारण होने वाली आभासी वेल्डिंग कम हो जाती है।