लेजर सामग्री अंतःक्रिया – कीहोल प्रभाव

चाबी के छेदों का निर्माण और विकास:

कीहोल की परिभाषा: जब विकिरण की तीव्रता 10^6 W/cm^2 से अधिक होती है, तो लेजर की क्रिया से पदार्थ की सतह पिघलकर वाष्पीकृत हो जाती है। जब वाष्पीकरण की गति पर्याप्त रूप से तेज़ होती है, तो उत्पन्न वाष्प प्रतिदेय दाब धातु के पृष्ठ तनाव और गुरुत्वाकर्षण बल को पार करने के लिए पर्याप्त होता है, जिससे कुछ धातु विस्थापित हो जाती है और उत्तेजना क्षेत्र में पिघला हुआ द्रव नीचे धंसकर छोटे गड्ढे बना देता है। प्रकाश की किरण सीधे इन छोटे गड्ढों के तल पर कार्य करती है, जिससे धातु और अधिक पिघलकर गैसीकृत हो जाती है। उच्च दाब वाली भाप गड्ढे के तल में मौजूद धातु को पिघले हुए द्रव के बाहरी किनारे की ओर धकेलती रहती है, जिससे छोटा गड्ढा और गहरा होता जाता है। यह प्रक्रिया निरंतर चलती रहती है और अंततः धातु में कीहोल जैसा छेद बन जाता है। जब लेजर किरण द्वारा उत्पन्न धातु का वाष्प दाब, धातु के पृष्ठ तनाव और गुरुत्वाकर्षण बल के साथ संतुलन में आ जाता है, तो छोटा गड्ढा और गहरा नहीं होता और एक स्थिर गहराई वाला छोटा गड्ढा बन जाता है, जिसे "छोटा गड्ढा प्रभाव" कहा जाता है।

जैसे-जैसे लेज़र किरण वर्कपीस के सापेक्ष गति करती है, छोटे छेद का अगला भाग थोड़ा पीछे की ओर मुड़ा हुआ और पिछला भाग स्पष्ट रूप से झुका हुआ उल्टा त्रिभुजाकार दिखाई देता है। छोटे छेद का अगला किनारा लेज़र का क्रिया क्षेत्र होता है, जहाँ तापमान और वाष्प दाब दोनों ही अधिक होते हैं, जबकि पिछले किनारे का तापमान अपेक्षाकृत कम और वाष्प दाब भी कम होता है। इस दाब और तापमान के अंतर के कारण, पिघला हुआ द्रव छोटे छेद के अगले सिरे से पिछले सिरे तक प्रवाहित होता है, जिससे पिछले सिरे पर एक भंवर बनता है और अंत में पिछले किनारे पर जम जाता है। लेज़र सिमुलेशन और वास्तविक वेल्डिंग के माध्यम से प्राप्त कीहोल की गतिशील अवस्था को ऊपर दिए गए चित्र में दर्शाया गया है, जिसमें विभिन्न गतियों पर यात्रा के दौरान छोटे छेद की आकृति और आसपास के पिघले हुए द्रव के प्रवाह को दिखाया गया है।

छोटे-छोटे छिद्रों की उपस्थिति के कारण, लेजर बीम की ऊर्जा सामग्री के आंतरिक भाग में प्रवेश करती है, जिससे यह गहरी और संकीर्ण वेल्ड सीम बनती है। लेजर डीप पेनिट्रेशन वेल्ड सीम की विशिष्ट क्रॉस-सेक्शनल आकृति ऊपर दिए गए चित्र में दिखाई गई है। वेल्ड सीम की प्रवेश गहराई कीहोल की गहराई के लगभग बराबर होती है (सटीक रूप से कहें तो, धातुकर्म परत कीहोल से 60-100um अधिक गहरी होती है, यानी एक तरल परत कम)। लेजर ऊर्जा घनत्व जितना अधिक होगा, छोटा छिद्र उतना ही गहरा होगा, और वेल्ड सीम की प्रवेश गहराई उतनी ही अधिक होगी। उच्च-शक्ति लेजर वेल्डिंग में, वेल्ड सीम की गहराई और चौड़ाई का अधिकतम अनुपात 12:1 तक पहुँच सकता है।

अवशोषण का विश्लेषणलेजर ऊर्जाचाबी के छेद से

छोटे छिद्रों और प्लाज्मा के निर्माण से पहले, लेजर की ऊर्जा मुख्य रूप से ऊष्मीय चालन के माध्यम से वर्कपीस के आंतरिक भाग में स्थानांतरित होती है। यह वेल्डिंग प्रक्रिया चालक वेल्डिंग (0.5 मिमी से कम प्रवेश गहराई वाली) की श्रेणी में आती है, और सामग्री द्वारा लेजर का अवशोषण 25-45% के बीच होता है। एक बार कीहोल बन जाने के बाद, लेजर की ऊर्जा मुख्य रूप से कीहोल प्रभाव के माध्यम से वर्कपीस के आंतरिक भाग द्वारा अवशोषित हो जाती है, और वेल्डिंग प्रक्रिया गहरी प्रवेश वेल्डिंग (0.5 मिमी से अधिक प्रवेश गहराई वाली) बन जाती है, जिसमें अवशोषण दर 60-90% तक पहुंच सकती है।

लेजर वेल्डिंग, कटिंग और ड्रिलिंग जैसी प्रक्रियाओं के दौरान लेजर के अवशोषण को बढ़ाने में कीहोल प्रभाव अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कीहोल में प्रवेश करने वाली लेजर किरण छेद की दीवार से कई बार परावर्तन के कारण लगभग पूरी तरह से अवशोषित हो जाती है।

यह आम तौर पर माना जाता है कि कीहोल के अंदर लेजर की ऊर्जा अवशोषण प्रक्रिया में दो प्रक्रियाएं शामिल होती हैं: विपरीत अवशोषण और फ्रेस्नेल अवशोषण।

चाबी के छेद के अंदर दबाव संतुलन

लेजर डीप पेनिट्रेशन वेल्डिंग के दौरान, पदार्थ में तीव्र वाष्पीकरण होता है, और उच्च तापमान वाली भाप द्वारा उत्पन्न विस्तार दबाव तरल धातु को बाहर निकाल देता है, जिससे छोटे छेद बन जाते हैं। पदार्थ के वाष्प दाब और अपघर्षण दाब (जिसे वाष्पीकरण प्रतिक्रिया बल या प्रतिक्षेप दाब भी कहा जाता है) के अलावा, पृष्ठ तनाव, गुरुत्वाकर्षण के कारण तरल स्थैतिक दाब और छोटे छेद के अंदर पिघले हुए पदार्थ के प्रवाह से उत्पन्न द्रव गतिक दाब भी कार्य करते हैं। इन दाबों में से, केवल भाप का दाब ही छोटे छेद को खुला रखता है, जबकि अन्य तीन बल इसे बंद करने का प्रयास करते हैं। वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान छेद की स्थिरता बनाए रखने के लिए, वाष्प दाब इतना पर्याप्त होना चाहिए कि वह अन्य प्रतिरोधों पर काबू पाकर संतुलन स्थापित कर सके, जिससे छेद की दीर्घकालिक स्थिरता बनी रहे। सरलता के लिए, आमतौर पर यह माना जाता है कि छेद की दीवार पर कार्य करने वाले बल मुख्य रूप से अपघर्षण दाब (धातु वाष्प प्रतिक्षेप दाब) और पृष्ठ तनाव होते हैं।

कुंजी छिद्र की अस्थिरता

पृष्ठभूमि: लेज़र पदार्थों की सतह पर क्रिया करता है, जिससे बड़ी मात्रा में धातु वाष्पीकृत हो जाती है। प्रतिक्षेप दाब पिघले हुए द्रव-पात्र पर दबाव डालता है, जिससे छिद्र और प्लाज़्मा बनते हैं, जिसके परिणामस्वरूप पिघलने की गहराई बढ़ जाती है। गतिमान प्रक्रिया के दौरान, लेज़र छिद्र की सामने वाली दीवार से टकराता है, और जिस स्थान पर लेज़र पदार्थ के संपर्क में आता है, वहां पदार्थ का तीव्र वाष्पीकरण होता है। साथ ही, छिद्र की दीवार का द्रव्यमान कम हो जाता है, और वाष्पीकरण से एक प्रतिक्षेप दाब उत्पन्न होता है जो तरल धातु पर दबाव डालता है, जिससे छिद्र की भीतरी दीवार नीचे की ओर खिसकती है और छिद्र के तल से पिघले हुए द्रव-पात्र के पीछे की ओर खिसकती है। तरल पिघले हुए द्रव-पात्र के सामने वाली दीवार से पीछे वाली दीवार तक खिसकने के कारण, छिद्र के अंदर का आयतन लगातार बदलता रहता है। छिद्र का आंतरिक दाब भी तदनुसार बदलता है, जिससे उत्सर्जित प्लाज़्मा के आयतन में परिवर्तन होता है। प्लाज्मा की मात्रा में परिवर्तन से लेजर ऊर्जा के परिरक्षण, अपवर्तन और अवशोषण में परिवर्तन होता है, जिसके परिणामस्वरूप सामग्री की सतह तक पहुँचने वाली लेजर ऊर्जा में परिवर्तन होता है। पूरी प्रक्रिया गतिशील और आवधिक है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः आरी के दाँतों के आकार का और लहरदार धातु प्रवेश होता है, और कोई चिकना और समान प्रवेश वाला वेल्ड नहीं होता है। उपरोक्त चित्र वेल्ड के केंद्र के समानांतर अनुदैर्ध्य कटाई द्वारा प्राप्त वेल्ड के केंद्र का अनुप्रस्थ काट दृश्य है, साथ ही कीहोल की गहराई में परिवर्तन का वास्तविक समय माप भी दर्शाता है।आईपीजी-एलडीडी को साक्ष्य के रूप में प्रस्तुत किया गया।

कुंजी छिद्र की स्थिरता दिशा में सुधार करें

लेजर डीप पेनिट्रेशन वेल्डिंग के दौरान, छोटे छेद की स्थिरता केवल छेद के अंदर विभिन्न दबावों के गतिशील संतुलन द्वारा ही सुनिश्चित की जा सकती है। हालांकि, छेद की दीवार द्वारा लेजर ऊर्जा का अवशोषण, पदार्थों का वाष्पीकरण, छोटे छेद के बाहर धातु वाष्प का निकलना, और छोटे छेद और पिघले हुए पूल की आगे की गति, ये सभी बहुत तीव्र और तेजी से होने वाली प्रक्रियाएं हैं। कुछ प्रक्रिया स्थितियों के तहत, वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान कुछ क्षणों में, यह संभावना होती है कि छोटे छेद की स्थिरता स्थानीय क्षेत्रों में बाधित हो सकती है, जिससे वेल्डिंग दोष उत्पन्न हो सकते हैं। सबसे विशिष्ट और सामान्य दोष छोटे छिद्र प्रकार के सरंध्रता दोष और कीहोल के ढहने के कारण होने वाला स्पैटर हैं।

तो चाबी के छेद को स्थिर कैसे करें?

कीहोल द्रव का उतार-चढ़ाव अपेक्षाकृत जटिल है और इसमें कई कारक (तापमान क्षेत्र, प्रवाह क्षेत्र, बल क्षेत्र, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक भौतिकी) शामिल हैं, जिन्हें संक्षेप में दो श्रेणियों में रखा जा सकता है: सतह तनाव और धातु वाष्प प्रतिक्षेप दाब के बीच संबंध; धातु वाष्प का प्रतिक्षेप दाब सीधे कीहोल के निर्माण पर कार्य करता है, जो कीहोल की गहराई और आयतन से निकटता से संबंधित है। साथ ही, वेल्डिंग प्रक्रिया में धातु वाष्प का एकमात्र ऊपर की ओर गतिमान पदार्थ होने के कारण, यह स्पैटर की घटना से भी निकटता से संबंधित है; सतह तनाव पिघले हुए पूल के प्रवाह को प्रभावित करता है;

इसलिए स्थिर लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया पिघले हुए धातु के पूल में सतह तनाव के वितरण ग्रेडिएंट को बिना अधिक उतार-चढ़ाव के बनाए रखने पर निर्भर करती है। सतह तनाव तापमान वितरण से संबंधित है, और तापमान वितरण ऊष्मा स्रोत से संबंधित है। इसलिए, मिश्रित ऊष्मा स्रोत और स्विंग वेल्डिंग स्थिर वेल्डिंग प्रक्रिया के लिए संभावित तकनीकी दिशाएँ हैं।

धातु वाष्प और कीहोल आयतन के लिए प्लाज्मा प्रभाव और कीहोल के आकार पर ध्यान देना आवश्यक है। कीहोल जितना बड़ा होगा, उसका आकार भी उतना ही बड़ा होगा, और पिघले हुए धातु के तल बिंदु में होने वाले उतार-चढ़ाव नगण्य होते हैं, जिनका समग्र कीहोल आयतन और आंतरिक दबाव परिवर्तन पर अपेक्षाकृत कम प्रभाव पड़ता है; इसलिए समायोज्य रिंग मोड लेजर (वलयाकार स्पॉट), लेजर आर्क रिकॉम्बिनेशन, आवृत्ति मॉड्यूलेशन आदि सभी ऐसे तरीके हैं जिनसे कीहोल का विस्तार किया जा सकता है।