लेझर आणि पदार्थांमधील आंतरक्रियेमध्ये अनेक भौतिक घटना आणि वैशिष्ट्ये समाविष्ट असतात. पुढील तीन लेखांमध्ये लेझर वेल्डिंग प्रक्रियेशी संबंधित तीन प्रमुख भौतिक घटनांची ओळख करून दिली जाईल, जेणेकरून सहकाऱ्यांना या प्रक्रियेची अधिक स्पष्ट समज मिळेल.लेझर वेल्डिंग प्रक्रियालेझर शोषण दर आणि अवस्थांतर, प्लाझ्मा आणि कीहोल प्रभाव यामध्ये विभागलेले आहे. यावेळी, आपण लेझर आणि पदार्थांच्या अवस्थांतर आणि शोषण दर यांच्यातील संबंध अद्ययावत करणार आहोत.
लेझर आणि पदार्थांमधील आंतरक्रियेमुळे पदार्थाच्या अवस्थेत होणारे बदल
धातूंच्या पदार्थांवरील लेझर प्रक्रिया मुख्यत्वे फोटोथर्मल परिणामांच्या औष्णिक प्रक्रियेवर आधारित असते. जेव्हा पदार्थाच्या पृष्ठभागावर लेझर किरणोत्सर्ग केला जातो, तेव्हा वेगवेगळ्या शक्ती घनतेनुसार पदार्थाच्या पृष्ठभागावर विविध बदल घडतात. या बदलांमध्ये पृष्ठभागाच्या तापमानात वाढ, वितळणे, बाष्पीभवन, कीहोल निर्मिती आणि प्लाझ्मा निर्मिती यांचा समावेश होतो. शिवाय, पदार्थाच्या पृष्ठभागाच्या भौतिक अवस्थेतील बदल पदार्थाच्या लेझर शोषणावर मोठ्या प्रमाणात परिणाम करतात. शक्ती घनता आणि कार्यकाळ वाढल्याने, धातूच्या पदार्थाच्या अवस्थेत खालील बदल घडून येतात:
जेव्हालेझर शक्तीघनता कमी असते (<10 ^ 4w/cm ^ 2) आणि किरणोत्सर्गाचा कालावधी कमी असतो, धातूद्वारे शोषलेली लेझर ऊर्जा केवळ पदार्थाचे तापमान पृष्ठभागापासून आतपर्यंत वाढवू शकते, परंतु घन अवस्था अपरिवर्तित राहते. याचा उपयोग प्रामुख्याने भागांच्या ॲनीलिंग आणि फेज ट्रान्सफॉर्मेशन हार्डनिंग उपचारांसाठी केला जातो, ज्यात अवजारे, गीअर्स आणि बेअरिंग्ज यांचा सर्वाधिक वापर होतो;
लेझर पॉवर डेन्सिटी (10^4-10^6w/cm^2) वाढवल्याने आणि किरणोत्सर्गाचा कालावधी वाढवल्याने, पदार्थाचा पृष्ठभाग हळूहळू वितळतो. जसजशी ऊर्जा वाढते, तसतसा द्रव-घन इंटरफेस हळूहळू पदार्थाच्या खोल भागाकडे सरकतो. ही भौतिक प्रक्रिया प्रामुख्याने धातूंच्या पृष्ठभागाचे पुनर्वितळण, संमिश्रण, क्लॅडिंग आणि औष्णिक वाहक वेल्डिंगसाठी वापरली जाते.
पॉवर डेन्सिटी (शक्ती घनता) आणखी वाढवून (>10^6w/cm^2) आणि लेझर क्रियेचा कालावधी वाढवून, पदार्थाचा पृष्ठभाग केवळ वितळतच नाही तर त्याचे बाष्पीभवनही होते, आणि बाष्पीभवन झालेले पदार्थ पदार्थाच्या पृष्ठभागाजवळ जमा होतात व त्यांचे सौम्य आयनीकरण होऊन प्लाझ्मा तयार होतो. हा पातळ प्लाझ्मा पदार्थाला लेझर शोषून घेण्यास मदत करतो; बाष्पीभवन आणि प्रसरणाच्या दाबामुळे, द्रवरूप पृष्ठभाग विकृत होतो आणि त्यावर खड्डे तयार होतात. या टप्प्याचा उपयोग लेझर वेल्डिंगसाठी केला जाऊ शकतो, विशेषतः ०.५ मिमी पर्यंतच्या सूक्ष्म जोडण्यांच्या स्प्लिसिंग थर्मल कंडक्टिव्हिटी वेल्डिंगमध्ये.
पॉवर डेन्सिटी (शक्ती घनता) आणखी वाढवून (>10^7w/cm^2) आणि किरणोत्सर्गाचा कालावधी वाढवून, पदार्थाच्या पृष्ठभागावर तीव्र बाष्पीभवन होते, ज्यामुळे उच्च आयनीकरण पातळी असलेला प्लाझ्मा तयार होतो. हा घन प्लाझ्मा लेझरवर एक संरक्षक प्रभाव टाकतो, ज्यामुळे पदार्थावर पडणाऱ्या लेझरची ऊर्जा घनता मोठ्या प्रमाणात कमी होते. त्याच वेळी, मोठ्या बाष्प प्रतिक्रिया बलामुळे, वितळलेल्या धातूच्या आत लहान छिद्रे तयार होतात, ज्यांना सामान्यतः कीहोल (keyholes) म्हणून ओळखले जाते. कीहोलचे अस्तित्व पदार्थाला लेझर शोषून घेण्यासाठी फायदेशीर ठरते आणि या टप्प्याचा उपयोग लेझर डीप फ्यूजन वेल्डिंग, कटिंग आणि ड्रिलिंग, इम्पॅक्ट हार्डनिंग इत्यादींसाठी केला जाऊ शकतो.
वेगवेगळ्या परिस्थितीत, वेगवेगळ्या धातूंच्या पदार्थांवर लेझर किरणांच्या वेगवेगळ्या तरंगलांबींचा मारा केल्यास प्रत्येक टप्प्यावर शक्ती घनतेची विशिष्ट मूल्ये प्राप्त होतील.
पदार्थांद्वारे लेझरच्या शोषणाच्या बाबतीत, पदार्थांचे बाष्पीभवन ही एक सीमा आहे. जेव्हा पदार्थाचे बाष्पीभवन होत नाही, मग तो घन किंवा द्रव अवस्थेत असो, पृष्ठभागाचे तापमान वाढल्याने त्याचे लेझर शोषण केवळ हळूहळू बदलते; एकदा का पदार्थाचे बाष्पीभवन होऊन प्लाझ्मा आणि कीहोल्स तयार झाले की, त्या पदार्थाचे लेझर शोषण अचानक बदलते.
आकृती २ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, लेझर वेल्डिंग दरम्यान पदार्थाच्या पृष्ठभागावर लेझरचा शोषण दर हा लेझर पॉवर डेन्सिटी आणि पदार्थाच्या पृष्ठभागाच्या तापमानानुसार बदलतो. जेव्हा पदार्थ वितळलेला नसतो, तेव्हा पदार्थाच्या पृष्ठभागाचे तापमान वाढल्याने लेझरसाठी पदार्थाचा शोषण दर हळूहळू वाढतो. जेव्हा पॉवर डेन्सिटी (10^6w/cm^2) पेक्षा जास्त असते, तेव्हा पदार्थाचे तीव्रतेने बाष्पीभवन होते, ज्यामुळे एक कीहोल (keyhole) तयार होतो. लेझर अनेक परावर्तन आणि शोषणासाठी त्या कीहोलमध्ये प्रवेश करतो, ज्यामुळे पदार्थाच्या लेझरसाठीच्या शोषण दरात आणि वितळण्याच्या खोलीत लक्षणीय वाढ होते.
धातूंच्या पदार्थांद्वारे लेझरचे शोषण – तरंगलांबी
वरील आकृती सामान्य तापमानात सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या धातूंची परावर्तकता, शोषणक्षमता आणि तरंगलांबी यांच्यातील संबंधाचा वक्र दर्शवते. अवरक्त क्षेत्रात, तरंगलांबी वाढल्याने शोषणाचा दर कमी होतो आणि परावर्तकता वाढते. बहुतेक धातू १०.६ मायक्रॉन (CO2) तरंगलांबीचा अवरक्त प्रकाश तीव्रतेने परावर्तित करतात, तर १.०६ मायक्रॉन (१०६० नॅनोमीटर) तरंगलांबीचा अवरक्त प्रकाश क्षीणपणे परावर्तित करतात. निळ्या आणि हिरव्या प्रकाशासारख्या कमी तरंगलांबीच्या लेझर्ससाठी धातूंच्या पदार्थांमध्ये शोषणाचा दर अधिक असतो.
धातूच्या पदार्थांद्वारे लेझरचे शोषण – पदार्थाचे तापमान आणि लेझर ऊर्जा घनता
ॲल्युमिनियम मिश्रधातूचे उदाहरण घेतल्यास, जेव्हा पदार्थ घन अवस्थेत असतो, तेव्हा लेझर शोषणाचा दर सुमारे ५-७% असतो, द्रव अवस्थेत हा दर २५-३५% पर्यंत असतो आणि कीहोल अवस्थेत तो ९०% पेक्षा जास्त पोहोचू शकतो.
तापमान वाढल्याने पदार्थाचा लेझर शोषणाचा दर वाढतो. सामान्य तापमानात धातूंच्या पदार्थांचा शोषण दर खूप कमी असतो. जेव्हा तापमान वितळणबिंदूच्या जवळ पोहोचते, तेव्हा त्याचा शोषण दर ४०% ते ६०% पर्यंत पोहोचू शकतो. जर तापमान उत्कलनबिंदूच्या जवळ असेल, तर त्याचा शोषण दर ९०% पर्यंत पोहोचू शकतो.
धातूच्या पदार्थांद्वारे लेझरचे शोषण – पृष्ठभागाची स्थिती
पारंपारिक शोषण दर गुळगुळीत धातूच्या पृष्ठभागाचा वापर करून मोजला जातो, परंतु लेझर हीटिंगच्या व्यावहारिक उपयोगांमध्ये, उच्च परावर्तनामुळे होणारे खोटे सोल्डरिंग टाळण्यासाठी विशिष्ट उच्च परावर्तन सामग्रीचा (ॲल्युमिनियम, तांबे) शोषण दर वाढवणे सहसा आवश्यक असते;
खालील पद्धती वापरल्या जाऊ शकतात:
१. लेझरची परावर्तकता सुधारण्यासाठी योग्य पृष्ठभाग पूर्व-उपचार प्रक्रियांचा अवलंब करणे: प्रोटोटाइप ऑक्सिडेशन, सँडब्लास्टिंग, लेझर क्लीनिंग, निकेल प्लेटिंग, टिन प्लेटिंग, ग्राफाइट कोटिंग, इत्यादी सर्व गोष्टींमुळे सामग्रीचा लेझर शोषण दर सुधारू शकतो;
यामागील मुख्य उद्देश म्हणजे पदार्थाच्या पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा वाढवणे (जे अनेक लेझर परावर्तन आणि शोषणासाठी अनुकूल असते), तसेच उच्च शोषण दर असलेल्या लेपन पदार्थाचे प्रमाण वाढवणे. उच्च शोषण दर असलेल्या पदार्थांमधून लेझर ऊर्जा शोषून, तिचे वितळणे आणि बाष्पीभवन केल्याने, लेझरची उष्णता मूळ पदार्थापर्यंत पोहोचवली जाते, ज्यामुळे पदार्थाचा शोषण दर सुधारतो आणि उच्च परावर्तनाच्या घटनेमुळे होणारे आभासी वेल्डिंग कमी होते.
पोस्ट करण्याची वेळ: २३ नोव्हेंबर २०२३
