लघु विश्वकोश: लेजर वेल्डिंग के सिद्धांत और प्रक्रिया अनुप्रयोग
उर्जा स्तर
पदार्थ परमाणुओं से बना होता है, और परमाणुओं में एक नाभिक और इलेक्ट्रॉन होते हैं। इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर परिक्रमा करते हैं। परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा निश्चित नहीं होती।
सूक्ष्म जगत का वर्णन करने वाली क्वांटम यांत्रिकी हमें बताती है कि इलेक्ट्रॉन निश्चित ऊर्जा स्तरों में मौजूद होते हैं। विभिन्न ऊर्जा स्तर इलेक्ट्रॉनों की अलग-अलग ऊर्जाओं के अनुरूप होते हैं: नाभिक से दूर स्थित कक्षाओं में ऊर्जा का स्तर अधिक होता है।
इसके अलावा, प्रत्येक कक्षा में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या हो सकती है। उदाहरण के लिए, सबसे निचली कक्षा (नाभिक के सबसे निकट) में अधिकतम 2 इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, जबकि उच्च कक्षाओं में अधिकतम 8 इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, और इसी प्रकार आगे भी।
संक्रमण
इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को अवशोषित या मुक्त करके एक ऊर्जा स्तर से दूसरे ऊर्जा स्तर में जा सकते हैं।
उदाहरण के लिए, जब एक इलेक्ट्रॉन फोटॉन को अवशोषित करता है, तो वह निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च ऊर्जा स्तर पर जा सकता है। इसी प्रकार, उच्च ऊर्जा स्तर पर स्थित एक इलेक्ट्रॉन फोटॉन उत्सर्जित करके निम्न ऊर्जा स्तर पर आ सकता है।
इन प्रक्रियाओं में, अवशोषित या उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा हमेशा दो स्तरों के बीच ऊर्जा अंतर के बराबर होती है। चूंकि फोटॉन की ऊर्जा प्रकाश की तरंगदैर्ध्य निर्धारित करती है, इसलिए अवशोषित या उत्सर्जित प्रकाश का रंग निश्चित होता है।
लेजर उत्पादन का सिद्धांत
उत्तेजित अवशोषण
उत्तेजित अवशोषण तब होता है जब कम ऊर्जा अवस्था में मौजूद परमाणु बाहरी विकिरण को अवशोषित करके उच्च ऊर्जा अवस्था में चले जाते हैं। इलेक्ट्रॉन फोटॉन को अवशोषित करके निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च ऊर्जा स्तर तक जा सकते हैं।
उत्तेजित उत्सर्जन
उत्तेजित उत्सर्जन का अर्थ है कि उच्च ऊर्जा स्तर पर मौजूद इलेक्ट्रॉन, फोटॉन के "उत्तेजना" या "प्रेरण" के तहत, निम्न ऊर्जा स्तर पर संक्रमण करते हैं और आपतित फोटॉन के समान आवृत्ति वाला फोटॉन उत्सर्जित करते हैं।
उत्तेजित उत्सर्जन की प्रमुख विशेषता यह है कि उत्पन्न फोटॉन मूल फोटॉन के समान होता है: समान आवृत्ति, समान दिशा और पूरी तरह से अविभेदनीय। इस प्रकार, एक फोटॉन एक ही उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रिया के माध्यम से दो समान फोटॉनों में परिवर्तित हो जाता है। इसका अर्थ है कि प्रकाश प्रबल या प्रवर्धित होता है - जो लेजर उत्पादन का मूल सिद्धांत है।
स्वत: उत्सर्जन
स्वतः उत्सर्जन तब होता है जब उच्च ऊर्जा स्तर पर स्थित इलेक्ट्रॉन बिना किसी बाहरी प्रभाव के निचले स्तर पर गिरते हैं और इस संक्रमण के दौरान प्रकाश (विद्युतचुंबकीय विकिरण) उत्सर्जित करते हैं। फोटॉन की ऊर्जा E=E2−E1 होती है, जो दोनों स्तरों के बीच ऊर्जा का अंतर है।
लेजर उत्पादन के लिए शर्तें
लेजर गेन मीडियम
लेजर उत्पन्न करने के लिए एक उपयुक्त गेन माध्यम की आवश्यकता होती है, जो गैस, तरल, ठोस या अर्धचालक हो सकता है। मुख्य बात माध्यम में पापुलेशन इनवर्जन प्राप्त करना है, जो लेजर आउटपुट के लिए एक आवश्यक शर्त है। पापुलेशन इनवर्जन के लिए मेटास्टेबल ऊर्जा स्तर अत्यंत लाभकारी होते हैं।
पंपिंग स्रोत
जनसंख्या व्युत्क्रमण प्राप्त करने के लिए, परमाणु प्रणाली को उत्तेजित किया जाना चाहिए ताकि उच्च ऊर्जा स्तर पर कणों की संख्या बढ़ सके।
सामान्य विधियों में शामिल हैं:
- विद्युत पंपिंग: उच्च गतिज ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके गैस का निर्वहन
- ऑप्टिकल पंपिंग: स्पंदित प्रकाश स्रोतों द्वारा विकिरण
- थर्मल पंपिंग, केमिकल पंपिंग आदि।
इन विधियों को सामूहिक रूप से पंपिंग कहा जाता है। स्थिर लेजर आउटपुट के लिए निचले स्तर की तुलना में ऊपरी स्तर पर अधिक कण बनाए रखने के लिए निरंतर पंपिंग आवश्यक है।
गुंजयमान यंत्र
उपयुक्त गेन मीडियम और पंपिंग सोर्स की सहायता से पॉपुलेशन इन्वर्जन प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन व्यावहारिक उपयोग के लिए उत्तेजित उत्सर्जन की तीव्रता बहुत कम होती है। इसके लिए और अधिक प्रवर्धन की आवश्यकता होती है, जो ऑप्टिकल रेज़ोनेटर द्वारा प्रदान किया जाता है।
एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर में लेज़र के दोनों सिरों पर समानांतर रूप से रखे गए दो अत्यधिक परावर्तक दर्पण होते हैं:
- एक पूर्ण परावर्तक दर्पण
- एक आंशिक परावर्तन और आंशिक संचरण दर्पण
पूर्ण परावर्तक दर्पण आपतित प्रकाश को उसके मूल पथ पर ही वापस परावर्तित कर देता है। आंशिक परावर्तक दर्पण एक निश्चित ऊर्जा सीमा से नीचे के फोटॉनों को माध्यम में वापस परावर्तित कर देता है, जबकि सीमा से ऊपर के फोटॉन प्रवर्धित लेजर प्रकाश के रूप में बाहर निकल जाते हैं।
रेजोनेटर में प्रकाश आगे-पीछे दोलन करता है, जिससे उत्तेजित उत्सर्जन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू होती है, जो हिमस्खलन की तरह प्रवर्धित होकर उच्च-तीव्रता वाला लेजर आउटपुट उत्पन्न करती है।
पंप लैंप क्या होता है?
ज़ेनॉन लैंप एक अक्रिय गैस डिस्चार्ज लैंप है, जो आमतौर पर सीधी नली के आकार का होता है। इसमें आम तौर पर इलेक्ट्रोड, एक क्वार्ट्ज ट्यूब और ज़ेनॉन (Xe) गैस भरी होती है।
इलेक्ट्रोड उच्च गलनांक, उच्च इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन दक्षता और कम स्पटरिंग वाली धातु से बने होते हैं। लैंप ट्यूब उच्च शक्ति, उच्च तापमान प्रतिरोधकता और उच्च पारगम्यता वाले क्वार्ट्ज ग्लास से बनी होती है, जिसमें ज़ेनॉन गैस भरी होती है।
Nd:YAG लेजर रॉड क्या है?
Nd:YAG (नियॉडीमियम-डॉप्ड यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट) सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला ठोस लेजर पदार्थ है।
YAG एक घनाकार क्रिस्टल है जिसमें उच्च कठोरता, उत्कृष्ट प्रकाशीय गुण और उच्च तापीय चालकता होती है। क्रिस्टल जालक में कुछ त्रिसंयोजक यट्रियम आयनों को त्रिसंयोजक नियोडिमियम आयनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, इसलिए इसका नाम नियोडिमियम-मिश्रित यट्रियम एल्युमिनियम गार्नेट है।
लेजर की विशेषताएं
अच्छी सुसंगति
सामान्य स्रोतों से आने वाला प्रकाश दिशा, अवस्था और समय के मामले में अव्यवस्थित होता है, और लेंस की सहायता से भी इसे एक बिंदु पर केंद्रित नहीं किया जा सकता है।
लेजर प्रकाश अत्यधिक सुसंगत होता है: इसकी आवृत्ति शुद्ध होती है, यह पूर्ण कला में एक ही दिशा में फैलता है, और इसे अत्यधिक केंद्रित ऊर्जा के साथ एक छोटे से बिंदु पर केंद्रित किया जा सकता है।
उत्कृष्ट दिशात्मकता
लेजर की दिशात्मकता अन्य किसी भी प्रकाश स्रोत से कहीं बेहतर होती है, यह लगभग एक समानांतर किरण की तरह व्यवहार करता है। यहां तक कि जब इसे चंद्रमा (लगभग 384,000 किमी दूर) की ओर लक्षित किया जाता है, तब भी स्पॉट का व्यास केवल लगभग 2 किमी होता है।
अच्छी एकरंगता
उत्तेजित उत्सर्जन से उत्पन्न लेजर प्रकाश की आवृत्ति सीमा अत्यंत संकीर्ण होती है। सरल शब्दों में कहें तो, लेजर में उत्कृष्ट एकरंगता होती है — इसका "रंग" अत्यंत शुद्ध होता है। लेजर प्रसंस्करण अनुप्रयोगों के लिए एकरंगता अत्यंत महत्वपूर्ण है।
उच्च चमक
लेजर वेल्डिंग में लेजर बीम की उत्कृष्ट दिशात्मकता और उच्च शक्ति घनत्व का उपयोग किया जाता है। ऑप्टिकल सिस्टम के माध्यम से लेजर को एक छोटे से क्षेत्र में केंद्रित किया जाता है, जिससे बहुत कम समय में अत्यधिक केंद्रित ऊष्मा स्रोत बनता है, जो सामग्री को पिघलाकर स्थिर वेल्ड स्पॉट और जोड़ बनाता है।
लेजर वेल्डिंग के फायदे
अन्य वेल्डिंग विधियों की तुलना में, लेजर वेल्डिंग निम्नलिखित लाभ प्रदान करती है:
- उच्च ऊर्जा सांद्रता, उच्च वेल्डिंग दक्षता, उच्च परिशुद्धता और वेल्ड की गहराई-चौड़ाई का बड़ा अनुपात।
- कम ऊष्मा प्रवेश, छोटा ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र, न्यूनतम अवशिष्ट तनाव और विरूपण।
- बिना संपर्क के वेल्डिंग, लचीला फाइबर-ऑप्टिक संचरण, अच्छी पहुंच और उच्च स्वचालन।
- लचीले जोड़ का डिज़ाइन, कच्चे माल की बचत करता है।
- सटीक रूप से नियंत्रित ऊर्जा, स्थिर वेल्डिंग परिणाम और उत्कृष्ट वेल्ड दिखावट।
धातु सामग्री के लिए लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाएँ
स्टेनलेस स्टील
- साधारण वर्ग-तरंग स्पंदनों से भी अच्छे परिणाम प्राप्त किए जा सकते हैं।
- वेल्ड स्पॉट को अधात्विक पदार्थों से दूर रखने के लिए जोड़ों को डिजाइन करें।
- मजबूती और दिखावट के लिए पर्याप्त वेल्डिंग क्षेत्र और वर्कपीस की मोटाई आरक्षित रखें।
- वेल्डिंग के दौरान वर्कपीस की स्वच्छता और शुष्क वातावरण सुनिश्चित करें।
एल्युमिनियम मिश्र धातु
- उच्च परावर्तनशीलता के लिए उच्च लेजर पीक पावर की आवश्यकता होती है।
- पल्स स्पॉट वेल्डिंग के दौरान इसमें दरार पड़ने की संभावना रहती है, जिससे इसकी मजबूती कम हो जाती है।
- सामग्री की संरचना के कारण छींटे पड़ सकते हैं; उच्च गुणवत्ता वाली कच्ची सामग्री का उपयोग करें।
- बड़े स्पॉट साइज और लंबी पल्स चौड़ाई से बेहतर परिणाम मिलते हैं।
तांबा और तांबे की मिश्र धातुएँ
- एल्युमीनियम से भी अधिक परावर्तकता; इसके लिए लेजर की और भी अधिक चरम शक्ति की आवश्यकता होती है।
- लेजर हेड को एक कोण पर झुकाया जाना चाहिए।
- तांबे की मिश्रधातुओं (पीतल, क्यूप्रोनीकल आदि) को उनमें मौजूद मिश्रधातु तत्वों के कारण वेल्ड करना अधिक कठिन होता है; इसके लिए मापदंडों का सावधानीपूर्वक चयन आवश्यक है।
लेजर वेल्डिंग में आम दोष और उनके समाधान
गलत मापदंडों या अनुचित संचालन के कारण अक्सर वेल्डिंग में दोष उत्पन्न होते हैं, जिनमें निम्नलिखित शामिल हैं:
- सतही छींटे
- आंतरिक वेल्ड सरंध्रता
- वेल्डिंग दरारें
- वेल्डिंग विरूपण
झालने के झींटें
स्पैटर मुख्य रूप से अत्यधिक उच्च लेजर पावर घनत्व के कारण होता है: वर्कपीस थोड़े समय में बहुत अधिक ऊर्जा अवशोषित कर लेता है, जिससे सामग्री का गंभीर वाष्पीकरण और हिंसक पिघले हुए पूल की प्रतिक्रिया होती है।
छींटे पड़ने से दिखावट, संयोजन की सटीकता और वेल्डिंग की मजबूती को नुकसान पहुंचता है।
कारण
- अत्यधिक उच्च लेजर पीक पावर।
- अनुपयुक्त वेल्डिंग तरंगरूप, विशेष रूप से उच्च परावर्तकता वाली सामग्रियों के लिए।
- पदार्थों के पृथक्करण के कारण स्थानीय स्तर पर उच्च ऊर्जा अवशोषण होता है।
- वर्कपीस की सतह पर संदूषण या अधात्विक अशुद्धियाँ।
- वेल्डिंग के दौरान गैस उत्पन्न करने वाले निम्न गलनांक वाले पदार्थ वर्कपीस के बीच या नीचे मौजूद होते हैं।
- बंद खोखली संरचनाओं के कारण गैस का विस्तार और छिटकाव होता है।
समाधान
- मापदंडों को अनुकूलित करें: पीक पावर को कम करें या स्पाइक वेवफॉर्म का उपयोग करें।
- योग्य और उच्च गुणवत्ता वाले कच्चे माल का उपयोग करें।
- तेल और अशुद्धियों को हटाने के लिए वेल्डिंग से पहले की सफाई को और मजबूत करें।
- वेल्डिंग संरचना डिजाइन को अनुकूलित करें।
आंतरिक सरंध्रता
लेजर वेल्डिंग में सरंध्रता सबसे आम दोष है। तीव्र तापीय चक्र और पिघले हुए धातु के पूल का कम जीवनकाल गैस को बाहर निकलने से रोकता है, जिससे छिद्र बन जाते हैं।
सामान्य प्रकार: हाइड्रोजन छिद्र, कार्बन मोनोऑक्साइड छिद्र और कीहोल कोलैप्स छिद्र।
वेल्डिंग दरारें
दरारें वेल्ड की मजबूती और सेवा जीवन को गंभीर रूप से कम कर देती हैं। लेजर वेल्डिंग में तेजी से गर्म होने और ठंडा होने से दरारें पड़ने का खतरा बढ़ जाता है।
लेजर वेल्डिंग से उत्पन्न होने वाली अधिकांश दरारें गर्म दरारें होती हैं, जो एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं और उच्च कार्बन/उच्च मिश्र धातु इस्पात में आम हैं।
रोकथाम
- भंगुर पदार्थों के लिए, दरारों को कम करने के लिए प्रीहीटिंग और धीमी-शीतलन तरंगों को शामिल करें।
- वेल्डिंग के दौरान होने वाले तनाव को कम करने के लिए जोड़ के डिजाइन को अनुकूलित करें।
- समान प्रदर्शन क्षमता वाले ऐसे पदार्थ चुनें जिनमें दरार पड़ने की प्रवृत्ति कम हो।
वेल्डिंग विरूपण
पतली शीटों, बड़े क्षेत्रफल वाले वर्कपीस या मल्टी-स्पॉट वेल्डिंग में अक्सर विरूपण होता है, जिससे असेंबली और प्रदर्शन प्रभावित होता है। यह असमान ऊष्मा इनपुट और असंगत तापीय विस्तार/संकुचन के कारण होता है।
समाधान
- ऊष्मा के प्रवाह को कम करने के लिए मापदंडों को अनुकूलित करें: पल्स की चौड़ाई कम करते हुए पीक पावर बढ़ाएं।
- प्रति इकाई समय में ऊष्मा को कम करने के लिए वेल्डिंग की गति और पल्स आवृत्ति को कम करें।
- एकसमान ताप सुनिश्चित करने के लिए वेल्डिंग अनुक्रम को अनुकूलित करें।
पोस्ट करने का समय: 25 फरवरी 2026
