लघु विश्वकोश: लेझर वेल्डिंगचे तत्त्व आणि प्रक्रिया अनुप्रयोग
ऊर्जा पातळी
पदार्थ अणूंनी बनलेला असतो, आणि अणूमध्ये केंद्रक व इलेक्ट्रॉन असतात. इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती फिरतात. अणूमधील इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा ही अनियंत्रित नसते.
सूक्ष्म जगाचे वर्णन करणारे क्वांटम मेकॅनिक्स आपल्याला सांगते की, इलेक्ट्रॉन निश्चित ऊर्जा पातळ्यांवर असतात. वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळ्या वेगवेगळ्या इलेक्ट्रॉन ऊर्जांशी संबंधित असतात: केंद्रकापासून दूर असलेल्या कक्षांमध्ये जास्त ऊर्जा असते.
याव्यतिरिक्त, प्रत्येक कक्षेत जास्तीत जास्त ठराविक संख्येने इलेक्ट्रॉन सामावू शकतात. उदाहरणार्थ, सर्वात खालच्या कक्षेत (केंद्रकाच्या सर्वात जवळची) जास्तीत जास्त २ इलेक्ट्रॉन सामावू शकतात, तर वरच्या कक्षांमध्ये जास्तीत जास्त ८ इलेक्ट्रॉन सामावू शकतात, आणि असेच पुढे.
संक्रमण
इलेक्ट्रॉन ऊर्जा शोषून किंवा सोडून एका ऊर्जा पातळीतून दुसऱ्या ऊर्जा पातळीत जाऊ शकतात.
उदाहरणार्थ, जेव्हा एखादा इलेक्ट्रॉन फोटॉन शोषून घेतो, तेव्हा तो खालच्या ऊर्जा पातळीवरून वरच्या ऊर्जा पातळीवर जाऊ शकतो. त्याचप्रमाणे, वरच्या ऊर्जा पातळीवर असलेला इलेक्ट्रॉन फोटॉन उत्सर्जित करून खालच्या पातळीवर येऊ शकतो.
या प्रक्रियांमध्ये, शोषलेल्या किंवा उत्सर्जित झालेल्या फोटॉनची ऊर्जा नेहमी दोन ऊर्जा पातळ्यांमधील फरकाएवढी असते. फोटॉनची ऊर्जा प्रकाशाची तरंगलांबी ठरवत असल्यामुळे, शोषलेल्या किंवा उत्सर्जित झालेल्या प्रकाशाला एक निश्चित रंग असतो.
लेझर निर्मितीचे तत्त्व
उत्तेजित शोषण
जेव्हा कमी-ऊर्जा अवस्थेतील अणू बाह्य किरणोत्सर्ग शोषून घेतात आणि उच्च-ऊर्जा अवस्थेत जातात, तेव्हा उत्तेजित शोषण घडते. इलेक्ट्रॉन फोटॉन शोषून कमी ऊर्जा पातळीवरून उच्च ऊर्जा पातळीवर उडी मारू शकतात.
उत्तेजित उत्सर्जन
प्रेरित उत्सर्जन म्हणजे उच्च ऊर्जा पातळीवरील इलेक्ट्रॉन, फोटॉनच्या "उत्तेजनामुळे" किंवा "प्रेरणेमुळे" कमी ऊर्जा पातळीवर जातात आणि आपाती फोटॉनच्या समान वारंवारतेचा फोटॉन उत्सर्जित करतात.
उत्तेजित उत्सर्जनाचे मुख्य वैशिष्ट्य हे आहे की निर्माण झालेला फोटॉन मूळ फोटॉनसारखाच असतो: त्याची वारंवारता आणि दिशा सारखीच असते आणि तो पूर्णपणे ओळखता येत नाही. अशा प्रकारे, एका उत्तेजित उत्सर्जन प्रक्रियेद्वारे एका फोटॉनचे दोन एकसारखे फोटॉन बनतात. याचा अर्थ प्रकाश अधिक प्रबल किंवा वर्धित होतो — जे लेझर निर्मितीचे मूलभूत तत्त्व आहे.
उत्स्फूर्त उत्सर्जन
जेव्हा उच्च ऊर्जा पातळीवरील इलेक्ट्रॉन कोणत्याही बाह्य प्रभावाशिवाय खालच्या पातळीवर येतात, तेव्हा उत्स्फूर्त उत्सर्जन होते आणि या संक्रमणादरम्यान प्रकाश (विद्युतचुंबकीय प्रारण) उत्सर्जित होतो. फोटॉनची ऊर्जा E=E2−E1 असते, जी दोन पातळ्यांमधील ऊर्जेचा फरक आहे.
लेझर निर्मितीसाठीच्या अटी
लेझर गेन मध्यम
लेझर निर्मितीसाठी एका योग्य गेन माध्यमाची आवश्यकता असते, जे वायू, द्रव, घन किंवा सेमीकंडक्टर असू शकते. माध्यमामध्ये पॉप्युलेशन इन्व्हर्जन साध्य करणे हे महत्त्वाचे आहे, जी लेझर आउटपुटसाठी एक आवश्यक अट आहे. मेटास्टेबल ऊर्जा पातळी पॉप्युलेशन इन्व्हर्जनसाठी अत्यंत फायदेशीर ठरतात.
पंपिंग स्रोत
पॉप्युलेशन इन्व्हर्जन साध्य करण्यासाठी, उच्च ऊर्जा पातळीवरील कणांची संख्या वाढवण्याकरिता अणु प्रणालीला उत्तेजित करणे आवश्यक आहे.
सामान्य पद्धतींमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:
- विद्युत पंपिंग: उच्च-गतिज-ऊर्जा असलेल्या इलेक्ट्रॉन्सचा वापर करून वायूचा निचरा
- ऑप्टिकल पंपिंग: स्पंदित प्रकाश स्रोतांद्वारे किरणोत्सर्ग
- औष्णिक पंपिंग, रासायनिक पंपिंग, इत्यादी.
या पद्धतींना एकत्रितपणे पंपिंग म्हणतात. स्थिर लेझर आउटपुटसाठी खालच्या पातळीपेक्षा वरच्या पातळीवर अधिक कण टिकवून ठेवण्याकरिता सतत पंपिंग करणे आवश्यक असते.
रेझोनेटर
योग्य गेन माध्यम आणि पंपिंग स्रोताच्या साहाय्याने पॉप्युलेशन इन्व्हर्जन साध्य करता येते, परंतु स्टिम्युलेटेड एमिशनची तीव्रता व्यावहारिक वापरासाठी खूपच कमी असते. पुढील प्रवर्धनाची आवश्यकता असते, जे ऑप्टिकल रेझोनेटरद्वारे पुरवले जाते.
ऑप्टिकल रेझोनेटरमध्ये लेझरच्या दोन्ही टोकांना समांतर ठेवलेले दोन अत्यंत परावर्तक आरसे असतात:
- एक संपूर्ण प्रतिबिंब आरसा
- एक आंशिक परावर्तन आणि आंशिक पारगमन आरसा
पूर्ण परावर्तन आरसा सर्व आपाती प्रकाशाला त्याच्या मूळ मार्गावर परत परावर्तित करतो. आंशिक परावर्तन आरसा एका विशिष्ट ऊर्जा मर्यादेखालील फोटॉन्सना परत माध्यमात परावर्तित करतो, तर मर्यादेवरील फोटॉन्स प्रवर्धित लेझर प्रकाशाच्या रूपात बाहेर जातात.
रेझोनेटरमध्ये प्रकाश पुढे-मागे दोलन करतो, ज्यामुळे उत्तेजित उत्सर्जनाची साखळी प्रतिक्रिया सुरू होते, जी हिमस्खलनाप्रमाणे प्रवर्धित होऊन उच्च-तीव्रतेचे लेझर आउटपुट तयार करते.
पंप लॅम्प म्हणजे काय?
झेनॉन दिवा हा एक निष्क्रिय वायू विसर्जन दिवा असून, तो सामान्यतः सरळ नळीच्या आकाराचा असतो. यामध्ये साधारणपणे इलेक्ट्रोड, एक क्वार्ट्झ नळी आणि भरलेला झेनॉन (Xe) वायू यांचा समावेश असतो.
इलेक्ट्रोड हे उच्च वितळणबिंदू, उच्च इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन कार्यक्षमता आणि कमी स्फटन असलेल्या धातूपासून बनवलेले असतात. दिव्याची नळी ही उच्च-शक्ती, उच्च-तापमान-प्रतिरोधक, उच्च-पारगम्यता असलेल्या क्वार्ट्ज काचेपासून बनवलेली असून, ती झेनॉन वायूने भरलेली असते.
Nd:YAG लेझर रॉड म्हणजे काय?
Nd:YAG (निओडिमियम-मिश्रित यट्रियम ॲल्युमिनियम गार्नेट) हे सर्वाधिक वापरले जाणारे घन लेझर मटेरियल आहे.
YAG हा एक घन स्फटिक आहे, ज्यात उच्च कठीणता, उत्कृष्ट प्रकाशीय गुणवत्ता आणि उच्च औष्णिक वाहकता असते. स्फटिक जाळीमध्ये काही त्रिसंयोजक यट्रियम आयनांच्या जागी त्रिसंयोजक निओडिमियम आयन येतात, म्हणूनच याला निओडिमियम-मिश्रित यट्रियम ॲल्युमिनियम गार्नेट असे नाव पडले आहे.
लेझरची वैशिष्ट्ये
चांगली सुसंगतता
सामान्य स्रोतांकडून येणारा प्रकाश दिशा, कला आणि वेळेच्या बाबतीत अव्यवस्थित असतो आणि त्याला भिंगाच्या साहाय्यानेसुद्धा एका बिंदूवर केंद्रित करता येत नाही.
लेझर प्रकाश अत्यंत सुसंगत असतो: त्याची वारंवारता शुद्ध असते, तो अचूक फेजमध्ये एकाच दिशेने पसरतो आणि त्याला अत्यंत केंद्रित ऊर्जेसह एका लहानशा बिंदूवर केंद्रित केले जाऊ शकते.
उत्कृष्ट दिशात्मकता
इतर कोणत्याही प्रकाश स्रोतापेक्षा लेझरमध्ये अधिक चांगली दिशात्मकता असते आणि तो जवळजवळ एका समांतर किरणपुंजाप्रमाणे कार्य करतो. चंद्रावर (सुमारे ३८४,००० किमी दूर) लक्ष्य केले असताही, त्याच्या ठिपक्याचा व्यास फक्त सुमारे २ किमी असतो.
चांगली एकरंगीता
उत्तेजित उत्सर्जनातून निघणाऱ्या लेझर प्रकाशाची वारंवारता श्रेणी अत्यंत अरुंद असते. सोप्या भाषेत सांगायचे झाल्यास, लेझरमध्ये उत्कृष्ट एकवर्णीयता असते — त्याचा “रंग” अत्यंत शुद्ध असतो. लेझर प्रक्रिया अनुप्रयोगांसाठी एकवर्णीयता अत्यंत महत्त्वाची आहे.
उच्च चमक
लेझर वेल्डिंगमध्ये लेझर किरणांच्या उत्कृष्ट दिशात्मकतेचा आणि उच्च शक्ती घनतेचा वापर केला जातो. एका ऑप्टिकल प्रणालीद्वारे लेझरला एका लहानशा भागावर केंद्रित केले जाते, ज्यामुळे अतिशय कमी वेळात उष्णतेचा एक अत्यंत केंद्रित स्रोत तयार होतो, जो पदार्थ वितळवून स्थिर वेल्ड स्पॉट्स आणि सीम तयार करतो.
लेझर वेल्डिंगचे फायदे
इतर वेल्डिंग पद्धतींच्या तुलनेत, लेझर वेल्डिंगचे फायदे:
- उच्च ऊर्जा केंद्रीकरण, उच्च वेल्डिंग कार्यक्षमता, उच्च अचूकता आणि वेल्डचे मोठे खोली-रुंदी गुणोत्तर.
- कमी उष्णता, लहान उष्णता-प्रभावित क्षेत्र, किमान अवशिष्ट ताण आणि विरूपण.
- संपर्करहित वेल्डिंग, लवचिक फायबर-ऑप्टिक प्रसारण, उत्तम सुलभता आणि उच्च स्वचालन.
- लवचिक जोडणी रचनेमुळे कच्च्या मालाची बचत होते.
- अचूकपणे नियंत्रित करता येणारी ऊर्जा, स्थिर वेल्डिंग परिणाम आणि उत्कृष्ट वेल्ड देखावा.
धातूंच्या सामग्रीसाठी लेझर वेल्डिंग प्रक्रिया
स्टेनलेस स्टील
- सामान्य स्क्वेअर-वेव्ह पल्स वापरून चांगले परिणाम मिळवता येतात.
- वेल्डिंगचे ठिपके अधातू पदार्थांपासून दूर राहतील अशा प्रकारे जोडांची रचना करा.
- मजबुती आणि आकर्षक दिसण्यासाठी वेल्डिंगची पुरेशी जागा आणि वर्कपीसची जाडी राखून ठेवा.
- वेल्डिंग करताना वर्कपीस स्वच्छ आणि वातावरण कोरडे असल्याची खात्री करा.
ॲल्युमिनियम मिश्रधातू
- उच्च परावर्तनासाठी उच्च लेझर पीक पॉवरची आवश्यकता असते.
- पल्स स्पॉट वेल्डिंग दरम्यान तडे जाण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे मजबुती कमी होते.
- सामग्रीच्या रचनेमुळे शिंतोडे उडू शकतात; उच्च-गुणवत्तेचा कच्चा माल वापरा.
- मोठ्या स्पॉट साईज आणि लांब पल्स विड्थमुळे उत्तम परिणाम मिळतात.
तांबे आणि तांब्याच्या मिश्रधातू
- ॲल्युमिनियमपेक्षा जास्त परावर्तकता; त्यामुळे आणखी जास्त लेझर पीक पॉवरची आवश्यकता असते.
- लेझर हेड एका कोनात झुकवले पाहिजे.
- मिश्रधातू घटकांमुळे तांब्याच्या मिश्रधातूंचे (पितळ, क्युप्रोनिकेल, इत्यादी) वेल्डिंग करणे अधिक कठीण असते; त्यामुळे पॅरामीटरची काळजीपूर्वक निवड करणे आवश्यक आहे.
लेझर वेल्डिंगमधील सामान्य दोष आणि उपाय
चुकीचे मापदंड किंवा अयोग्य हाताळणीमुळे अनेकदा वेल्डिंगमध्ये दोष निर्माण होतात, ज्यामध्ये खालील दोषांचा समावेश आहे:
- पृष्ठभागावर शिडकाव
- अंतर्गत वेल्ड पोरोसिटी
- वेल्डिंगमधील भेगा
- वेल्डिंग विकृती
वेल्ड स्पॅटर
स्पॅटर मुख्यत्वे अत्याधिक लेझर पॉवर डेन्सिटीमुळे होतो: वर्कपीस कमी वेळात खूप जास्त ऊर्जा शोषून घेतो, ज्यामुळे पदार्थाचे तीव्र बाष्पीभवन होते आणि वितळलेल्या द्रवाची तीव्र रासायनिक अभिक्रिया होते.
स्पॅटरमुळे दिसण्याला, जोडणीच्या अचूकतेला आणि वेल्डिंगच्या मजबुतीला नुकसान पोहोचते.
कारणे
- अत्यधिक उच्च लेझर पीक पॉवर.
- अयोग्य वेल्डिंग वेव्हफॉर्म, विशेषतः उच्च परावर्तकता असलेल्या पदार्थांसाठी.
- पदार्थांच्या विलगीकरणामुळे स्थानिक पातळीवर उच्च ऊर्जेचे शोषण होते.
- कार्यवस्तूच्या पृष्ठभागावरील दूषितता किंवा अधातू अशुद्धी.
- वर्कपीसच्या मध्ये किंवा खाली कमी वितळणबिंदू असलेले पदार्थ, वेल्डिंग दरम्यान वायू निर्माण करतात.
- बंद पोकळ संरचनांमुळे वायूचा विस्तार आणि शिडकावा होतो.
उपाय
- पॅरामीटर्स अनुकूलित करा: पीक पॉवर कमी करा किंवा स्पाइक वेव्हफॉर्म वापरा.
- पात्र आणि उच्च-गुणवत्तेच्या कच्च्या मालाचा वापर करा.
- तेल आणि अशुद्धी काढून टाकण्यासाठी वेल्डिंगपूर्वीची स्वच्छता अधिक प्रभावी करा.
- वेल्डिंग संरचनेची रचना अनुकूलित करा.
अंतर्गत सच्छिद्रता
लेझर वेल्डिंगमधील सर्वात सामान्य दोष म्हणजे सच्छिद्रता. जलद औष्णिक चक्र आणि वितळलेल्या भागाचे अल्पायुष्य यामुळे वायू बाहेर पडू शकत नाही, ज्यामुळे छिद्रे तयार होतात.
सामान्य प्रकार: हायड्रोजन छिद्रे, कार्बन मोनॉक्साईड छिद्रे आणि कीहोल कोलॅप्स छिद्रे.
वेल्डिंगमधील भेगा
भेगांमुळे वेल्डची मजबुती आणि सेवा आयुष्य मोठ्या प्रमाणात कमी होते. लेझर वेल्डिंगमधील जलद तापवणे आणि थंड होण्यामुळे भेगा पडण्याचा धोका वाढतो.
लेझर वेल्डिंगमधील बहुतेक तडे हे उष्ण तडे असतात, जे ॲल्युमिनियम मिश्रधातू आणि उच्च-कार्बन / उच्च-मिश्रधातू पोलादामध्ये सामान्यपणे आढळतात.
प्रतिबंध
- ठिसूळ पदार्थांमधील तडे कमी करण्यासाठी, पूर्व-तापमानवाढ आणि मंद-थंड होण्याच्या प्रक्रियांचा वापर करा.
- वेल्डिंगचा ताण कमी करण्यासाठी जोडाची रचना अनुकूलित करा.
- समान कार्यक्षमतेअंतर्गत, कमी तडे जाण्याची शक्यता असलेले साहित्य निवडा.
वेल्डिंग विकृती
पातळ पत्र्यांमध्ये, मोठ्या आकाराच्या वर्कपीसमध्ये किंवा मल्टी-स्पॉट वेल्डिंगमध्ये अनेकदा विरूपण होते, ज्यामुळे जोडणी आणि कार्यक्षमतेवर परिणाम होतो. हे असमान उष्णता पुरवठा आणि विसंगत औष्णिक प्रसरण/आकुंचनामुळे होते.
उपाय
- उष्णता कमी करण्यासाठी पॅरामीटर्स अनुकूलित करा: पल्स रुंदी कमी करून पीक पॉवर वाढवा.
- प्रति युनिट वेळेतील उष्णता कमी करण्यासाठी वेल्डिंगचा वेग आणि पल्स फ्रिक्वेन्सी कमी करा.
- एकसमान उष्णता मिळण्यासाठी वेल्डिंगचा क्रम अनुकूलित करा.
पोस्ट करण्याची वेळ: २५ फेब्रुवारी २०२६
