लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया पर सुरक्षात्मक गैस मापदंडों का प्रभाव

लेजर वेल्डिंग तकनीकअपनी उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊष्मा खपत और गैर-संपर्क विशेषताओं के कारण, वेल्डिंग आधुनिक परिशुद्ध विनिर्माण में एक प्रमुख प्रक्रिया बन गई है। हालांकि, वेल्डिंग के दौरान पिघले हुए धातु के वायुमंडल के संपर्क में आने से ऑक्सीकरण, सरंध्रता और तत्वों के जलने जैसी समस्याएं वेल्ड सीम के यांत्रिक गुणों और सेवा जीवन को गंभीर रूप से सीमित कर देती हैं। वेल्डिंग वातावरण को नियंत्रित करने वाले प्रमुख माध्यम के रूप में, सुरक्षात्मक गैस के प्रकार, प्रवाह दर और ब्लोइंग मोड का चयन सामग्री की विशेषताओं (जैसे रासायनिक सक्रियता, तापीय चालकता) और प्लेट की मोटाई के साथ किया जाना चाहिए।

परिरक्षण गैसों के प्रकार

परिरक्षण गैसों का मुख्य कार्य ऑक्सीजन को पृथक करना, पिघले हुए धातु के व्यवहार को नियंत्रित करना और ऊर्जा युग्मन की दक्षता में सुधार करना है। रासायनिक गुणों के आधार पर, परिरक्षण गैसों को अक्रिय गैसों (आर्गन, हीलियम) और सक्रिय गैसों (नाइट्रोजन, कार्बन डाइऑक्साइड) में वर्गीकृत किया जा सकता है। अक्रिय गैसों में उच्च रासायनिक स्थिरता होती है और वे पिघले हुए धातु के ऑक्सीकरण को प्रभावी ढंग से रोक सकती हैं, लेकिन उनके तापीय भौतिक गुणों में महत्वपूर्ण अंतर वेल्डिंग प्रभाव को काफी हद तक प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, आर्गन (Ar) का घनत्व अधिक (1.784 kg/m³) होता है और यह एक स्थिर परत बना सकती है, लेकिन इसकी कम तापीय चालकता (0.0177 W/m·K) के कारण पिघले हुए धातु का शीतलन धीमा होता है और वेल्ड का प्रवेश उथला होता है। इसके विपरीत, हीलियम (He) की तापीय चालकता (0.1513 W/m·K) आर्गन से आठ गुना अधिक होती है और यह पिघले हुए धातु के ठंडा होने की प्रक्रिया को तेज कर वेल्ड पेनिट्रेशन को बढ़ा सकती है, लेकिन इसका कम घनत्व (0.1785 kg/m³) इसे वाष्पीकृत होने के लिए प्रवण बनाता है, जिसके कारण सुरक्षात्मक प्रभाव बनाए रखने के लिए उच्च प्रवाह दर की आवश्यकता होती है। नाइट्रोजन (N₂) जैसी सक्रिय गैसें कुछ स्थितियों में ठोस विलयन सुदृढ़ीकरण के माध्यम से वेल्ड की मजबूती को बढ़ा सकती हैं, लेकिन अत्यधिक उपयोग से सरंध्रता या भंगुर अवस्थाओं का अवक्षेपण हो सकता है। उदाहरण के लिए, डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील की वेल्डिंग करते समय, पिघले हुए धातु में नाइट्रोजन का प्रसार फेराइट/ऑस्टेनाइट अवस्था संतुलन को बिगाड़ सकता है, जिसके परिणामस्वरूप संक्षारण प्रतिरोध में कमी आ सकती है।

चित्र 1. 304L स्टेनलेस स्टील की लेजर वेल्डिंग (ऊपर): आर्गन गैस परिरक्षण; (नीचे): नाइट्रोजन गैस परिरक्षण

प्रक्रिया तंत्र के दृष्टिकोण से, हीलियम की उच्च आयनीकरण ऊर्जा (24.6 eV) प्लाज्मा परिरक्षण प्रभाव को कम कर सकती है और लेजर ऊर्जा अवशोषण को बढ़ा सकती है, जिससे प्रवेश गहराई बढ़ जाती है। वहीं, आर्गन की कम आयनीकरण ऊर्जा (15.8 eV) प्लाज्मा बादल उत्पन्न करने की प्रवृत्ति रखती है, जिसके कारण हस्तक्षेप को कम करने के लिए डिफोकसिंग या पल्स मॉड्यूलेशन की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, सक्रिय गैसों और पिघले हुए पूल के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया (जैसे स्टील में क्रोमियम के साथ नाइट्रोजन की प्रतिक्रिया) वेल्ड की संरचना को बदल सकती है, इसलिए सामग्री के गुणों के आधार पर सावधानीपूर्वक चयन आवश्यक है।

सामग्री अनुप्रयोग के उदाहरण:

• इस्पात: पतली प्लेटों (<3 मिमी) की वेल्डिंग में, आर्गन सतह की फिनिश सुनिश्चित कर सकता है, जिसमें 1.5 मिमी कम कार्बन स्टील वेल्ड सीम के लिए ऑक्साइड परत की मोटाई केवल 0.5 μm होती है; मोटी प्लेटों (>10 मिमी) के लिए, प्रवेश गहराई बढ़ाने के लिए थोड़ी मात्रा में हीलियम (He) मिलाना आवश्यक होता है।

• स्टेनलेस स्टील: आर्गन संरक्षण क्रोमियम तत्व के नुकसान को रोक सकता है, 3 मिमी मोटी 304 स्टेनलेस स्टील वेल्ड सीम में 18.2% क्रोमियम की मात्रा बेस मेटल की 18.5% मात्रा के लगभग बराबर होती है; डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील के लिए, अनुपात को संतुलित करने के लिए आर्गन-नाइट्रोजन मिश्रण (नाइट्रोजन ≤ 5%) की आवश्यकता होती है। अध्ययनों से पता चला है कि 8 मिमी मोटी 2205 डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील के लिए आर्गन-2% नाइट्रोजन मिश्रण का उपयोग करने पर, फेराइट/ऑस्टेनाइट अनुपात 48:52 पर स्थिर रहता है, और तन्यता शक्ति 780 एमपीए होती है, जो शुद्ध आर्गन संरक्षण (720 एमपीए) से बेहतर है।

• एल्युमीनियम मिश्र धातु: पतली प्लेट (<3 मिमी): एल्युमीनियम मिश्र धातुओं की उच्च परावर्तनशीलता के कारण ऊर्जा अवशोषण दर कम होती है, और हीलियम, अपनी उच्च आयनीकरण ऊर्जा (24.6 eV) के साथ, प्लाज्मा को स्थिर कर सकता है। शोध से पता चलता है कि जब 2 मिमी मोटी 6061 एल्युमीनियम मिश्र धातु को हीलियम से सुरक्षित किया जाता है, तो प्रवेश गहराई 1.8 मिमी तक पहुँच जाती है, जो आर्गन की तुलना में 25% अधिक है, और सरंध्रता दर 1% से कम है। मोटी प्लेटों (>5 मिमी) के लिए: एल्युमीनियम मिश्र धातु की मोटी प्लेटों को उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और हीलियम-आर्गन मिश्रण (He:Ar = 3:1) प्रवेश गहराई और लागत दोनों को संतुलित कर सकता है। उदाहरण के लिए, 8 मिमी मोटी 5083 प्लेटों की वेल्डिंग करते समय, मिश्रित गैस सुरक्षा के तहत प्रवेश गहराई 6.2 मिमी तक पहुँच जाती है, जो शुद्ध आर्गन गैस की तुलना में 35% अधिक है, और वेल्डिंग लागत 20% कम हो जाती है।

नोट: मूल पाठ में कुछ त्रुटियाँ और विसंगतियाँ हैं। यह अनुवाद पाठ के संशोधित और सुसंगत संस्करण पर आधारित है।

आर्गन गैस प्रवाह दर का प्रभाव

आर्गन गैस की प्रवाह दर पिघले हुए पूल की गैस कवरेज क्षमता और द्रव गतिकी को सीधे प्रभावित करती है। जब प्रवाह दर अपर्याप्त होती है, तो गैस की परत हवा को पूरी तरह से अलग नहीं कर पाती, जिससे पिघले हुए पूल का किनारा ऑक्सीकरण और गैस छिद्रों के निर्माण के लिए प्रवण हो जाता है; जब प्रवाह दर बहुत अधिक होती है, तो यह अशांति पैदा कर सकती है, जो पिघले हुए पूल की सतह को धो सकती है और वेल्ड में गड्ढे या छींटे पैदा कर सकती है। द्रव यांत्रिकी के रेनॉल्ड्स संख्या (Re = ρvD/μ) के अनुसार, प्रवाह दर में वृद्धि से गैस प्रवाह वेग में वृद्धि होती है। जब Re > 2300 होता है, तो लैमिनर प्रवाह अशांत प्रवाह में बदल जाता है, जो पिघले हुए पूल की स्थिरता को नष्ट कर देता है। इसलिए, क्रांतिक प्रवाह दर का निर्धारण प्रयोगों या संख्यात्मक सिमुलेशन (जैसे CFD) के माध्यम से विश्लेषण करके किया जाना आवश्यक है।

चित्र 2. वेल्ड सीम पर विभिन्न गैस प्रवाह दरों का प्रभाव

सामग्री की तापीय चालकता और प्लेट की मोटाई के संयोजन में प्रवाह अनुकूलन को समायोजित किया जाना चाहिए:

• स्टील और स्टेनलेस स्टील के लिए: पतली स्टील प्लेटों (1-2 मिमी) के लिए प्रवाह दर अधिमानतः 10-15 लीटर/मिनट होती है। मोटी प्लेटों (>6 मिमी) के लिए, टेल ऑक्सीडेशन को रोकने के लिए इसे 18-22 लीटर/मिनट तक बढ़ाया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, जब 6 मिमी मोटी 316L स्टेनलेस स्टील की प्रवाह दर 20 लीटर/मिनट होती है, तो HAZ कठोरता की एकरूपता में 30% तक सुधार होता है।

• एल्युमीनियम मिश्र धातु के लिए: उच्च तापीय चालकता के कारण सुरक्षा अवधि बढ़ाने के लिए उच्च प्रवाह दर आवश्यक होती है। 3 मिमी मोटी 7075 एल्युमीनियम मिश्र धातु के लिए, 25-30 लीटर/मिनट की प्रवाह दर पर सरंध्रता दर सबसे कम (0.3%) होती है। हालांकि, अति-मोटी प्लेटों (>10 मिमी) के लिए, अशांति से बचने के लिए मिश्रित ब्लोइंग का उपयोग करना आवश्यक है।

गैस प्रवाहित करने की विधि का प्रभाव

गैस प्रवाह की दिशा और वितरण को नियंत्रित करके, ब्लोइंग गैस मोड पिघले हुए धातु के प्रवाह पैटर्न और दोष निवारण प्रभाव को सीधे प्रभावित करता है। यह मोड सतह तनाव प्रवणता और मारंगोनी प्रवाह (मारांगोनी प्रवाह) को बदलकर पिघले हुए धातु के प्रवाह को नियंत्रित करता है। पार्श्व ब्लोइंग पिघले हुए धातु को एक विशिष्ट दिशा में प्रवाहित कर सकता है, जिससे छिद्र और स्लैग की मात्रा कम हो जाती है; मिश्रित ब्लोइंग बहु-दिशात्मक गैस प्रवाह के माध्यम से ऊर्जा वितरण को संतुलित करके वेल्ड निर्माण की एकरूपता में सुधार कर सकता है।

फूंक मारने की मुख्य विधियाँ निम्नलिखित हैं:

• समाक्षीय ब्लोइंग: गैस का प्रवाह लेजर बीम के साथ समाक्षीय रूप से निकलता है, जिससे पिघले हुए धातु के पूल को सममित रूप से कवर किया जाता है, जो उच्च गति वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। इसका लाभ उच्च प्रक्रिया स्थिरता है, लेकिन गैस का प्रवाह लेजर फोकसिंग में बाधा डाल सकता है। उदाहरण के लिए, ऑटोमोटिव गैल्वेनाइज्ड स्टील शीट (1.2 मिमी) पर समाक्षीय ब्लोइंग का उपयोग करते समय, वेल्डिंग गति को 40 मिमी/सेकंड तक बढ़ाया जा सकता है, और स्पैटर दर 0.1 से कम होती है।

• पार्श्व प्रवाह: पिघले हुए धातु के पूल के किनारे से गैस का प्रवाह किया जाता है, जिसका उपयोग प्लाज्मा या तल की अशुद्धियों को दिशात्मक रूप से हटाने के लिए किया जा सकता है, जो गहरी पैठ वाली वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। उदाहरण के लिए, 12 मिमी मोटी Q345 स्टील पर 30° के कोण पर प्रवाह करने पर, वेल्ड पैठ 18% बढ़ जाती है, और तल की सरंध्रता दर 4% से घटकर 0.8% हो जाती है।

• मिश्रित ब्लोइंग: समाक्षीय और पार्श्व ब्लोइंग को मिलाकर, यह ऑक्सीकरण और प्लाज्मा हस्तक्षेप को एक साथ दबा सकता है। उदाहरण के लिए, दोहरे नोजल डिज़ाइन वाले 3 मिमी मोटे 6061 एल्युमीनियम मिश्र धातु के लिए, सरंध्रता दर 2.5% से घटकर 0.4% हो जाती है, और तन्यता शक्ति मूल सामग्री के 95% तक पहुँच जाती है।

वेल्डिंग की गुणवत्ता पर परिरक्षण गैस का प्रभाव मूल रूप से ऊर्जा हस्तांतरण, पिघले हुए पूल के ऊष्मागतिकी और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के नियमन से उत्पन्न होता है:

1. ऊर्जा स्थानांतरण: हीलियम की उच्च तापीय चालकता पिघले हुए पूल के शीतलन को तेज करती है, जिससे ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र (HAZ) की चौड़ाई कम हो जाती है; आर्गन की कम तापीय चालकता पिघले हुए पूल के अस्तित्व के समय को बढ़ाती है, जो पतली प्लेटों की सतह निर्माण के लिए फायदेमंद है।

2. पिघले हुए पूल की स्थिरता: गैस का प्रवाह कतरनी बल के माध्यम से पिघले हुए पूल के प्रवाह को प्रभावित करता है, और एक उपयुक्त प्रवाह दर छींटे को दबा सकती है; अत्यधिक प्रवाह दर भंवर का कारण बनेगी, जिससे वेल्ड दोष उत्पन्न होंगे।

3. रासायनिक संरक्षण: अक्रिय गैसें ऑक्सीजन को अलग करती हैं और मिश्र धातु तत्वों (जैसे Cr, Al) के ऑक्सीकरण को रोकती हैं; सक्रिय गैसें (जैसे N₂) ठोस विलयन सुदृढ़ीकरण या यौगिक निर्माण के माध्यम से वेल्ड के गुणों को बदल देती हैं, लेकिन सांद्रता को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।