लेजर वेल्डिंग में ठोसकरण दरारों के निर्माण की प्रक्रिया और उन्हें रोकने के उपाय

लेजर बीम वेल्डिंगअपनी उच्च गति, उच्च परिशुद्धता और गैर-संपर्क विशेषताओं के कारण, वेल्डिंग का उपयोग ऑटोमोबाइल, एयरोस्पेस और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया जाता है, विशेष रूप से विभिन्न सामग्रियों को जोड़ने में इसके अद्वितीय लाभ दिखाई देते हैं। हालांकि, वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होने वाली ठोस दरारें (सॉलिडिफिकेशन क्रैकिंग) इसके औद्योगिक अनुप्रयोग को सीमित करने वाले प्रमुख दोषों में से एक हैं। ये दरारें आमतौर पर संलयन क्षेत्र (फ्यूजन ज़ोन) में ठोसकरण के अंत में होती हैं, जो ऊष्मीय तनाव, ठोसकरण संकुचन और कण सीमाओं पर तरल परत के संयुक्त प्रभावों से उत्पन्न होती हैं, जिससे जोड़ के यांत्रिक गुणों और थकान जीवन में काफी कमी आती है।

1. गठन तंत्र

ठोसकरण दरारों का मूल तंत्र ठोसकरण के अंत में कण सीमाओं पर अवशिष्ट तरल परत में निहित है। ठोसकरण प्रक्रिया के दौरान, पिघला हुआ द्रव तीन क्षेत्रों में विभाजित हो जाता है: मुक्त तरल क्षेत्र, प्रतिबंधित तरल क्षेत्र और ठोस क्षेत्र, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। प्रतिबंधित तरल क्षेत्र में, तरल प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है और ठोसकरण संकुचन से उत्पन्न तनाव की भरपाई नहीं कर पाता, जिसके परिणामस्वरूप कण सीमा पृथक्करण होता है। कण सीमा ऊर्जा (γgb) और ठोस-तरल इंटरफ़ेस ऊर्जा (γsl) का अनुपात तरल परत की स्थिरता निर्धारित करता है: यदि γgb < 2γsl है, तो तरल परत अस्थिर होती है और कण संलयन होता है; इसके विपरीत, तरल परत स्थिर होती है और दरार उत्पन्न होने की संभावना बढ़ जाती है।

इसके अलावा, ठोसकरण दरारों का बनना पदार्थों के धातुकर्म संबंधी गुणों से भी संबंधित है। विभिन्न पदार्थों में ठोसकरण की अलग-अलग विशेषताएं होती हैं, जैसे ठोसकरण का तापमान, ठोसकरण संकुचन दर और मिश्रधातु तत्वों का वितरण आदि। ये विशेषताएं दरारों की संवेदनशीलता को प्रभावित करती हैं। उदाहरण के लिए, कम गलनांक वाले यूटेक्टिक चरणों की अधिक मात्रा वाले पदार्थों में ठोसकरण दरारों की संवेदनशीलता अधिक होती है क्योंकि ये यूटेक्टिक चरण ठोसकरण के दौरान निरंतर तरल परतें बनाने के लिए प्रवण होते हैं, जिससे दरारों का बनना तीव्र हो जाता है।

दौरानलेजर वेल्डिंग प्रक्रियावेल्डिंग के दौरान लेजर पावर, वेल्डिंग स्पीड और स्पॉट साइज जैसे पैरामीटर भी सॉलिडिफिकेशन क्रैक बनने पर असर डालते हैं। ये पैरामीटर वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान हीट इनपुट और तापमान ग्रेडिएंट को प्रभावित करते हैं, जिससे सॉलिडिफिकेशन संरचना और ग्रेन मॉर्फोलॉजी में बदलाव आता है। उदाहरण के लिए, अधिक लेजर पावर और कम वेल्डिंग स्पीड से हीट इनपुट अधिक होता है और कूलिंग रेट धीमी होती है, जिससे कॉलमनुमा क्रिस्टल बनते हैं और क्रैक की संवेदनशीलता बढ़ जाती है। इसके विपरीत, कम लेजर पावर और अधिक वेल्डिंग स्पीड से हीट इनपुट कम होता है और कूलिंग रेट तेज होती है, जिससे इक्विअक्स्ड क्रिस्टल बनते हैं और क्रैक की संवेदनशीलता कम हो जाती है।

2. दमनकारी उपाय

ठोसकरण दरारों को प्रभावी ढंग से दबाने के लिएलेसर वेल्डिंगशोधकर्ताओं ने कई रणनीतियाँ प्रस्तावित की हैं, जो मुख्य रूप से कण संरचना को नियंत्रित करने, वेल्डिंग मापदंडों को अनुकूलित करने और सामग्री के गुणों में सुधार करने पर केंद्रित हैं। कण संरचना को परिष्कृत करके, कण सीमाओं की संख्या बढ़ाई जा सकती है और तनाव सांद्रता को कम किया जा सकता है, जिससे दरारों का बनना कम हो जाता है। अध्ययनों से पता चला है कि लेजर बीम दोलन तकनीक का उपयोग करके, स्तंभनुमा क्रिस्टलों को अन्य सामग्री मिलाए बिना महीन समअक्षीय क्रिस्टलों में परिवर्तित किया जा सकता है। लेजर बीम दोलन लेजर ऊर्जा को फैला सकता है, जिससे पिघले हुए पूल में अशांति उत्पन्न होती है, जिससे स्तंभनुमा क्रिस्टलों की वृद्धि दिशा टूट जाती है और समअक्षीय क्रिस्टलों के निर्माण को बढ़ावा मिलता है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। इसके अलावा, लेजर बीम दोलन पिघले हुए पूल की चौड़ाई को भी बढ़ा सकता है, तापमान प्रवणता को कम कर सकता है और पिघले हुए पूल के जमने के समय को बढ़ा सकता है, जो विलेय पदार्थों के प्रसार और तरल परतों की पुनःपूर्ति के लिए अनुकूल है, जिससे जमने की दरारों की संवेदनशीलता में काफी कमी आती है।

विभिन्न पूल आकृतियों के अंतर्गत अनाज सीमा तरल फिल्मों का वितरण।

वेल्डिंग पिघले हुए पूल का योजनाबद्ध आरेख, a, b) दोलन के बिना, c, d) पार्श्व दोलन, e, f) अनुदैर्ध्य दोलन, g, h) परिधीय दोलन।

निम्न के अलावालेजर किरणदोहरे लेजर स्रोतों का उपयोग करने वाली दोलन तकनीक भी ठोसकरण दरारों को कम करने के प्रभावी तरीकों में से एक है। दोहरे लेजर स्रोत तापीय चक्र को अनुकूलित करके स्तंभनुमा क्रिस्टलों को समअक्षीय क्रिस्टलों में परिवर्तित कर सकते हैं, जिससे कण आकार और तनाव सांद्रता कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, जब CO₂ लेजर को मुख्य ताप स्रोत और Nd:YAG स्पंदित लेजर को सहायक ताप स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, तो वेल्डिंग के दौरान एक अनुकूलित तापीय चक्र बनाया जा सकता है, जो समअक्षीय क्रिस्टलों के निर्माण को बढ़ावा देता है और ठोसकरण दरारों की संवेदनशीलता को कम करता है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

वेल्डिंग मापदंडों को अनुकूलित करना भी ठोसकरण दरारों को कम करने का एक महत्वपूर्ण उपाय है। लेजर शक्ति, वेल्डिंग गति और स्पॉट आकार जैसे मापदंडों को समायोजित करके, वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान ऊष्मा इनपुट और तापमान प्रवणता को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे ठोसकरण संरचना और कण आकृति विज्ञान प्रभावित होते हैं। अध्ययनों से पता चला है कि पूर्व-तापन उपचार शीतलन दर को कम कर सकता है, समअक्षीय क्रिस्टलों के निर्माण को बढ़ावा दे सकता है, और इस प्रकार ठोसकरण दरारों की संवेदनशीलता को कम कर सकता है, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है। इसके अलावा, स्पंदित लेजर वेल्डिंग का उपयोग करने और वेल्डिंग गति बढ़ाने जैसी विधियों से भी ऊष्मा इनपुट और शीतलन दर को बदलकर स्तंभकार क्रिस्टलों को समअक्षीय क्रिस्टलों में परिवर्तित किया जा सकता है, जिससे दरारों की संवेदनशीलता कम हो जाती है।

चित्र 5. क) बिना गर्म किए हुए, ख) 300°C पर पहले से गर्म किए हुए समअक्षीय दाने।

लेजर द्वारा भिन्न-भिन्न पदार्थों की वेल्डिंग करते समय, पदार्थों के भौतिक और रासायनिक गुणों में महत्वपूर्ण अंतर के कारण, भंगुर अंतर्धात्विक यौगिक बनने की संभावना होती है, जो ठोसकरण दरारों के मुख्य कारणों में से एक है। इसलिए, अंतर्धात्विक यौगिकों के निर्माण या मात्रा को कम करने के लिए लेजर मापदंडों और सेटिंग्स को समायोजित करना ठोसकरण दरारों को रोकने की एक महत्वपूर्ण रणनीति है। उदाहरण के लिए, तांबा-एल्यूमीनियम के भिन्न-भिन्न पदार्थों की लेजर वेल्डिंग में, लेजर बीम के ऑफसेट और वेल्डिंग गति को नियंत्रित करके, पिघले हुए पूल में तांबे और एल्यूमीनियम के मिश्रण अनुपात को कम किया जा सकता है, जिससे भंगुर अंतर्धात्विक यौगिकों का निर्माण कम हो जाता है और दरारों की संवेदनशीलता कम हो जाती है। इसके अलावा, भराव सामग्री का उपयोग करने से भी वेल्डेड जोड़ के प्रदर्शन में सुधार हो सकता है और दरारों का निर्माण कम हो सकता है। भराव सामग्री वेल्डेड जोड़ की संरचना और सूक्ष्म संरचना को बदलकर अंतर्धात्विक यौगिकों के निर्माण को कम कर सकती है और वेल्डेड जोड़ की मजबूती में सुधार कर सकती है।

लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाओं में ठोसकरण दरारें एक आम दोष हैं। इनके बनने की प्रक्रिया जटिल है और इसमें ऊष्मा, यांत्रिकी और धातु विज्ञान जैसे कई कारकों की परस्पर क्रिया शामिल होती है। ठोसकरण दरारों के बनने की प्रक्रिया का गहन अध्ययन करके, दरारों को रोकने के लिए सैद्धांतिक आधार प्रदान किया जा सकता है। हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने ठोसकरण दरारों को रोकने के लिए विभिन्न रणनीतियाँ प्रस्तावित की हैं, जो मुख्य रूप से कण संरचना को नियंत्रित करने, वेल्डिंग मापदंडों को अनुकूलित करने और सामग्री के गुणों में सुधार करने पर केंद्रित हैं। व्यवहार में यह सिद्ध हो चुका है कि ये रणनीतियाँ ठोसकरण दरारों की संवेदनशीलता को एक निश्चित सीमा तक प्रभावी ढंग से कम कर सकती हैं और लेजर वेल्डिंग की गुणवत्ता और विश्वसनीयता में सुधार कर सकती हैं। हालांकि, लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया की जटिलता और विविधता के कारण, वर्तमान शोध में अभी भी कुछ कमियाँ हैं। उदाहरण के लिए, विभिन्न सामग्रियों और वेल्डिंग स्थितियों के तहत ठोसकरण दरारों के अवरोध तंत्र के लिए, गहन शोध की अभी भी आवश्यकता है।