लेझर वेल्डिंगमधील घनीकरण भेगांची निर्मिती यंत्रणा आणि प्रतिबंधात्मक उपाय

लेझर बीम वेल्डिंगत्याच्या उच्च गती, उच्च अचूकता आणि बिनसंपर्क वैशिष्ट्यांमुळे, त्याचा वापर ऑटोमोबाईल, एरोस्पेस आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो, विशेषतः भिन्न पदार्थांना जोडण्यात त्याचे अद्वितीय फायदे दिसून येतात. तथापि, वेल्डिंग प्रक्रियेदरम्यान निर्माण होणाऱ्या घनीकरण भेगा (Solidification Cracking) हा त्याच्या औद्योगिक वापराला मर्यादित करणाऱ्या प्रमुख दोषांपैकी एक आहे. या भेगा सामान्यतः घनीकरणाच्या शेवटी फ्यूजन झोनमध्ये (Fusion Zone) निर्माण होतात, ज्या औष्णिक ताण, घनीकरणामुळे होणारे आकुंचन आणि कणांच्या सीमांवरील द्रवरूप थर यांच्या एकत्रित परिणामांमुळे उद्भवतात, ज्यामुळे जोडाचे यांत्रिक गुणधर्म आणि थकवा आयुष्य लक्षणीयरीत्या कमी होते.

१. निर्मिती यंत्रणा

घनीकरणामुळे पडणाऱ्या भेगांची मूळ यंत्रणा ही घनीकरणाच्या शेवटी कणसीमांवर शिल्लक राहिलेल्या द्रवाच्या पातळ थरात असते. घनीकरण प्रक्रियेदरम्यान, वितळलेला द्रव तीन विभागांमध्ये विभागला जातो: मुक्त द्रव विभाग, प्रतिबंधित द्रव विभाग आणि घन विभाग, जसे की आकृती १ मध्ये दाखवले आहे. प्रतिबंधित द्रव विभागात, द्रवाचा प्रवाह अवरुद्ध होतो आणि घनीकरणामुळे होणाऱ्या आकुंचनामुळे निर्माण होणाऱ्या ताणाची भरपाई करू शकत नाही, ज्यामुळे कणसीमांचे विलगीकरण होते. कणसीमा ऊर्जा (γgb) आणि घन-द्रव आंतरपृष्ठ ऊर्जा (γsl) यांचे गुणोत्तर द्रवाच्या पातळ थराची स्थिरता ठरवते: जर γgb < 2γsl असेल, तर द्रवाचा पातळ थर अस्थिर असतो आणि कणांचे एकत्रीकरण होते; याउलट, द्रवाचा पातळ थर स्थिर असतो आणि भेगा पडण्याची शक्यता असते.

शिवाय, घनीकरण भेगांची निर्मिती ही पदार्थांच्या धातुशास्त्रीय गुणधर्मांशी देखील संबंधित आहे. वेगवेगळ्या पदार्थांमध्ये वेगवेगळी घनीकरण वैशिष्ट्ये असतात, जसे की घनीकरणाची तापमान श्रेणी, घनीकरण आकुंचन दर आणि मिश्रधातू घटकांचे वितरण इत्यादी. ही वैशिष्ट्ये भेगांच्या संवेदनशीलतेवर परिणाम करतात. उदाहरणार्थ, ज्या पदार्थांमध्ये कमी वितळणबिंदू असलेल्या युटेक्टिक अवस्थांचे प्रमाण जास्त असते, त्यांमध्ये घनीकरण भेगांची संवेदनशीलता अधिक असते, कारण या युटेक्टिक अवस्था घनीकरणादरम्यान सलग द्रवरूप थर तयार करण्यास प्रवण असतात, ज्यामुळे भेगांची निर्मिती तीव्र होते.

दरम्यानलेझर वेल्डिंग प्रक्रियालेझर पॉवर, वेल्डिंग स्पीड आणि स्पॉट साईज यांसारख्या वेल्डिंग पॅरामीटर्सचा देखील सॉलिडिफिकेशन क्रॅकच्या निर्मितीवर परिणाम होतो. हे पॅरामीटर्स वेल्डिंग प्रक्रियेदरम्यान उष्णता पुरवठा आणि तापमान प्रवणतेवर परिणाम करतात, ज्यामुळे सॉलिडिफिकेशन स्ट्रक्चर आणि ग्रेन मॉर्फोलॉजीमध्ये बदल होतो. उदाहरणार्थ, जास्त लेझर पॉवर आणि कमी वेल्डिंग स्पीडमुळे जास्त उष्णता पुरवठा होतो आणि थंड होण्याची गती मंदावते, ज्यामुळे स्तंभाकार स्फटिकांच्या वाढीस चालना मिळते आणि क्रॅकची संवेदनशीलता वाढते. याउलट, कमी लेझर पॉवर आणि जास्त वेल्डिंग स्पीडमुळे कमी उष्णता पुरवठा होतो आणि थंड होण्याची गती जलद होते, ज्यामुळे समअक्षीय स्फटिकांच्या निर्मितीस मदत होते आणि क्रॅकची संवेदनशीलता कमी होते.

२. दमन उपाय

घनीभवन भेगांना प्रभावीपणे दाबण्यासाठीलेझर वेल्डिंगसंशोधकांनी विविध धोरणे प्रस्तावित केली आहेत, जी प्रामुख्याने कण रचना नियंत्रित करणे, वेल्डिंग पॅरामीटर्स अनुकूलित करणे आणि सामग्रीचे गुणधर्म सुधारण्यावर लक्ष केंद्रित करतात. कण रचना सूक्ष्म केल्याने, कण सीमांची संख्या वाढवता येते आणि ताण एकाग्रतेचे प्रमाण कमी करता येते, ज्यामुळे तडे जाण्याची शक्यता कमी होते. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की लेझर बीम ऑसिलेशन तंत्रज्ञानाचा वापर करून, इतर सामग्री न घालता स्तंभाकार स्फटिकांचे रूपांतर सूक्ष्म समअक्षीय स्फटिकांमध्ये करता येते. लेझर बीम ऑसिलेशनमुळे लेझर ऊर्जा विखुरली जाते, ज्यामुळे वितळलेल्या द्रवात खळबळ निर्माण होते, परिणामी स्तंभाकार स्फटिकांच्या वाढीची दिशा खंडित होते आणि समअक्षीय स्फटिकांच्या निर्मितीस प्रोत्साहन मिळते, जसे की आकृती ३ मध्ये दाखवले आहे. याव्यतिरिक्त, लेझर बीम ऑसिलेशनमुळे वितळलेल्या द्रवाची रुंदी वाढते, तापमान प्रवणता कमी होते आणि वितळलेल्या द्रवाच्या घनीभवनाचा कालावधी वाढतो, जे विद्राव्यांच्या प्रसारासाठी आणि द्रव थरांच्या पुनर्भरणासाठी अनुकूल असते, ज्यामुळे घनीभवन तड्यांची संवेदनशीलता लक्षणीयरीत्या कमी होते.

वेगवेगळ्या पूल आकारांखालील कण सीमा द्रव फिल्म्सचे वितरण.

वेल्डिंग वितळलेल्या तलावाची योजनाबद्ध आकृती, a, b) कंपनाशिवाय, c, d) पार्श्व कंपन, e, f) अनुदैर्ध्य कंपन, g, h) परिघीय कंपन.

याव्यतिरिक्तलेझर बीमऑसिलेशन तंत्रज्ञानामध्ये, दुहेरी लेझर स्रोतांचा वापर करणे ही देखील घनीकरण भेगा रोखण्यासाठी एक प्रभावी पद्धत आहे. दुहेरी लेझर स्रोत थर्मल सायकलला अनुकूलित करून स्तंभाकार स्फटिकांचे समअक्षीय स्फटिकांमध्ये रूपांतर साध्य करू शकतात, ज्यामुळे कणांचा आकार आणि ताण एकाग्रता कमी होते. उदाहरणार्थ, जेव्हा CO₂ लेझर मुख्य उष्णता स्रोत म्हणून आणि Nd:YAG पल्स्ड लेझर सहायक उष्णता स्रोत म्हणून वापरला जातो, तेव्हा वेल्डिंग दरम्यान एक अनुकूलित थर्मल सायकल तयार केली जाऊ शकते, जी समअक्षीय स्फटिकांच्या निर्मितीस प्रोत्साहन देते आणि घनीकरण भेगांची संवेदनशीलता कमी करते, जसे की आकृती ४ मध्ये दाखवले आहे.

वेल्डिंग पॅरामीटर्सना अनुकूल बनवणे हे देखील घनीकरण भेगा रोखण्यासाठी एक महत्त्वाचे साधन आहे. लेझर पॉवर, वेल्डिंगचा वेग आणि स्पॉटचा आकार यांसारखे पॅरामीटर्स समायोजित करून, वेल्डिंग प्रक्रियेदरम्यान उष्णता पुरवठा आणि तापमान प्रवणता नियंत्रित केली जाऊ शकते, ज्यामुळे घनीकरण संरचना आणि कणांच्या आकारविज्ञानावर प्रभाव पडतो. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की, आकृती ५ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, पूर्व-तापमान उपचारामुळे थंड होण्याचा दर कमी होतो, समअक्षीय स्फटिकांच्या निर्मितीस चालना मिळते आणि त्यामुळे घनीकरण भेगांची संवेदनशीलता कमी होते. याव्यतिरिक्त, पल्स्ड लेझर वेल्डिंग वापरणे आणि वेल्डिंगचा वेग वाढवणे यांसारख्या पद्धतींनी देखील उष्णता पुरवठा आणि थंड होण्याचा दर बदलून स्तंभाकार स्फटिकांचे समअक्षीय स्फटिकांमध्ये रूपांतर साधता येते, ज्यामुळे भेगांची संवेदनशीलता कमी होते.

आकृती ५. अ) ताप न दिलेले, ब) ३००°C पूर्वताप दिलेले समअक्षीय कण.

लेझरने भिन्न पदार्थांचे वेल्डिंग करताना, पदार्थांच्या भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांमधील लक्षणीय फरकांमुळे, ठिसूळ आंतरधातू संयुगे तयार होण्याची शक्यता असते, जे घनीकरण भेगांच्या मुख्य कारणांपैकी एक आहे. म्हणून, आंतरधातू संयुगांची निर्मिती किंवा प्रमाण कमी करण्यासाठी लेझरचे पॅरामीटर्स आणि सेटिंग्ज समायोजित करणे, हे देखील घनीकरण भेगांना रोखण्यासाठी एक महत्त्वाचे धोरण आहे. उदाहरणार्थ, तांबे-ॲल्युमिनियम या भिन्न पदार्थांच्या लेझर वेल्डिंगमध्ये, लेझर बीमचे ऑफसेट आणि वेल्डिंगचा वेग नियंत्रित करून, वितळलेल्या भागातील तांबे आणि ॲल्युमिनियमचे मिश्रण प्रमाण कमी केले जाऊ शकते, ज्यामुळे ठिसूळ आंतरधातू संयुगांची निर्मिती कमी होते आणि भेगांची संवेदनशीलता कमी होते. याव्यतिरिक्त, फिलर मटेरियलचा वापर केल्याने वेल्ड केलेल्या जोडाची कार्यक्षमता सुधारू शकते आणि भेगांची निर्मिती कमी होऊ शकते. फिलर मटेरियल वेल्ड केलेल्या जोडाची रचना आणि सूक्ष्म-संरचना बदलून आंतरधातू संयुगांची निर्मिती कमी करू शकतात आणि वेल्ड केलेल्या जोडाची कणखरता सुधारू शकतात.

लेझर वेल्डिंग प्रक्रियेतील घनीकरण भेगा हा एक सामान्य दोष आहे. त्यांच्या निर्मितीची यंत्रणा गुंतागुंतीची असून त्यात उष्णता, यांत्रिकी आणि धातुशास्त्र यांसारख्या अनेक घटकांच्या परस्परक्रियेचा समावेश असतो. घनीकरण भेगांच्या निर्मिती यंत्रणेचा सखोल अभ्यास करून, भेगा रोखण्यासाठी सैद्धांतिक आधार प्रदान केला जाऊ शकतो. अलिकडच्या वर्षांत, संशोधकांनी घनीकरण भेगा रोखण्यासाठी विविध उपाययोजना प्रस्तावित केल्या आहेत, ज्या मुख्यत्वे कणरचना नियंत्रित करणे, वेल्डिंग पॅरामीटर्स अनुकूलित करणे आणि सामग्रीचे गुणधर्म सुधारण्यावर लक्ष केंद्रित करतात. अनुभवाने हे सिद्ध झाले आहे की या उपाययोजना घनीकरण भेगांची संवेदनशीलता काही प्रमाणात प्रभावीपणे कमी करू शकतात आणि लेझर वेल्डिंगची गुणवत्ता व विश्वसनीयता सुधारू शकतात. तथापि, लेझर वेल्डिंग प्रक्रियेच्या गुंतागुंतीमुळे आणि विविधतेमुळे, सध्याच्या संशोधनात अजूनही काही उणिवा आहेत. उदाहरणार्थ, वेगवेगळ्या सामग्री आणि वेल्डिंग परिस्थितींमध्ये घनीकरण भेगांच्या प्रतिबंधात्मक यंत्रणांसाठी, अधिक सखोल संशोधनाची अजूनही गरज आहे.