लेझर वेल्डिंग प्रक्रियेवर संरक्षक वायू मापदंडांचा प्रभाव

लेझर वेल्डिंग तंत्रज्ञानत्याच्या उच्च ऊर्जा घनता, कमी उष्णता आणि बिनसंपर्क वैशिष्ट्यांमुळे, वेल्डिंग ही आधुनिक अचूक उत्पादनातील एक प्रमुख प्रक्रिया बनली आहे. तथापि, वेल्डिंग दरम्यान वितळलेल्या भागाचा वातावरणाशी संपर्क आल्यामुळे होणारे ऑक्सिडेशन, पोरोसिटी आणि मूलद्रव्यांचे जळणे यांसारख्या समस्या वेल्ड सीमचे यांत्रिक गुणधर्म आणि सेवा आयुष्य गंभीरपणे मर्यादित करतात. वेल्डिंग वातावरण नियंत्रित करण्यासाठी मुख्य माध्यम म्हणून, संरक्षक वायूचा प्रकार, प्रवाह दर आणि फुंकण्याची पद्धत यांची निवड पदार्थाची वैशिष्ट्ये (जसे की रासायनिक क्रियाशीलता, औष्णिक वाहकता) आणि प्लेटची जाडी यांच्याशी जुळवून घेणे आवश्यक आहे.

संरक्षक वायूंचे प्रकार

शिल्डिंग वायूंचे मुख्य कार्य ऑक्सिजनला वेगळे करणे, वितळलेल्या भागाच्या वर्तनाचे नियमन करणे आणि ऊर्जा जोडणीची कार्यक्षमता सुधारणे हे आहे. त्यांच्या रासायनिक गुणधर्मांवर आधारित, शिल्डिंग वायूंचे वर्गीकरण निष्क्रिय वायू (आर्गॉन, हेलियम) आणि सक्रिय वायू (नायट्रोजन, कार्बन डायऑक्साइड) असे केले जाऊ शकते. निष्क्रिय वायूंची रासायनिक स्थिरता जास्त असते आणि ते वितळलेल्या भागाचे ऑक्सिडीकरण प्रभावीपणे रोखू शकतात, परंतु त्यांच्या औष्णिक भौतिक गुणधर्मांमधील लक्षणीय फरकांमुळे वेल्डिंगच्या परिणामावर मोठा परिणाम होतो. उदाहरणार्थ, आर्गॉन (Ar) ची घनता जास्त (१.७८४ kg/m³) असते आणि तो एक स्थिर थर तयार करू शकतो, परंतु त्याची कमी औष्णिक वाहकता (०.०१७७ W/m·K) वितळलेल्या भागाला हळू थंड होण्यास आणि वेल्डची खोली कमी होण्यास कारणीभूत ठरते. याउलट, हेलियम (He) ची औष्णिक वाहकता (0.1513 W/m·K) आर्गॉनपेक्षा आठपट जास्त आहे आणि तो वितळलेल्या भागाचे थंड होणे जलद करू शकतो व वेल्डची खोली वाढवू शकतो, परंतु त्याच्या कमी घनतेमुळे (0.1785 kg/m³) तो बाहेर पडण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे संरक्षणात्मक परिणाम टिकवून ठेवण्यासाठी जास्त प्रवाह दराची आवश्यकता असते. नायट्रोजन (N₂) सारखे सक्रिय वायू विशिष्ट परिस्थितीत सॉलिड सोल्युशन स्ट्रेंग्थनिंगद्वारे वेल्डची मजबुती वाढवू शकतात, परंतु त्यांच्या अतिवापरामुळे पोरोसिटी किंवा ठिसूळ टप्प्यांचे अवक्षेपण होऊ शकते. उदाहरणार्थ, ड्युप्लेक्स स्टेनलेस स्टीलचे वेल्डिंग करताना, वितळलेल्या भागात नायट्रोजनच्या प्रसारामुळे फेराइट/ऑस्टेनाइट टप्प्यांचे संतुलन बिघडू शकते, ज्यामुळे गंज-प्रतिरोधकतेत घट होते.

आकृती १. ३०४एल स्टेनलेस स्टीलचे लेझर वेल्डिंग (वर): एआर गॅस शिल्डिंग; (खाली): एन२ गॅस शिल्डिंग

प्रक्रियेच्या कार्यप्रणालीच्या दृष्टिकोनातून पाहिल्यास, हेलियमची उच्च आयनीकरण ऊर्जा (24.6 eV) प्लाझ्मा शिल्डिंग प्रभाव कमी करू शकते आणि लेझर ऊर्जा शोषण वाढवू शकते, ज्यामुळे प्रवेश खोली वाढते. त्याच वेळी, आर्गॉनच्या कमी आयनीकरण ऊर्जेमुळे (15.8 eV) प्लाझ्माचे ढग तयार होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे होणारा व्यत्यय कमी करण्यासाठी डिफोकसिंग किंवा पल्स मॉड्युलेशनची आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त, सक्रिय वायू आणि वितळलेल्या पूलमधील रासायनिक अभिक्रिया (जसे की स्टीलमधील क्रोमियमसोबत नायट्रोजनची अभिक्रिया) वेल्डची रचना बदलू शकते, आणि त्यामुळे पदार्थांच्या गुणधर्मांवर आधारित काळजीपूर्वक निवड करणे आवश्यक आहे.

सामग्रीच्या वापराची उदाहरणे:

• स्टील: पातळ प्लेटच्या (<3 मिमी) वेल्डिंगमध्ये, आर्गॉन वायूमुळे पृष्ठभागाचा गुळगुळीतपणा सुनिश्चित होतो, ज्यामुळे 1.5 मिमी कमी-कार्बन स्टीलच्या वेल्ड सीमसाठी ऑक्साईड थराची जाडी फक्त 0.5 μm राहते; जाड प्लेट्ससाठी (>10 मिमी), वेल्डिंगची खोली वाढवण्यासाठी थोड्या प्रमाणात हेलियम (He) वायू मिसळण्याची आवश्यकता असते.

• स्टेनलेस स्टील: आर्गॉन संरक्षणामुळे क्रोमियम (Cr) घटकाचे नुकसान टाळता येते, कारण ३ मिमी जाडीच्या ३०४ स्टेनलेस स्टीलच्या वेल्ड सीममधील १८.२% क्रोमियमचे प्रमाण मूळ धातूच्या १८.५% च्या जवळपास असते; ड्युप्लेक्स स्टेनलेस स्टीलसाठी, हे प्रमाण संतुलित ठेवण्याकरिता Ar-N₂ मिश्रणाची (N₂ ≤ ५%) आवश्यकता असते. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की, ८ मिमी जाडीच्या २२०५ ड्युप्लेक्स स्टेनलेस स्टीलसाठी Ar-२% N₂ मिश्रण वापरल्यास, फेराइट/ऑस्टेनाइट गुणोत्तर ४८:५२ वर स्थिर राहते आणि त्याची तन्यता शक्ती (tensile strength) ७८० MPa असते, जी केवळ आर्गॉन संरक्षणापेक्षा (७२० MPa) श्रेष्ठ आहे.

• ॲल्युमिनियम मिश्रधातू: पातळ प्लेट (<३ मिमी): ॲल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या उच्च परावर्तकतेमुळे ऊर्जा शोषणाचा दर कमी असतो, आणि हेलियम, त्याच्या उच्च आयनीकरण ऊर्जेमुळे (२४.६ eV), प्लाझ्माला स्थिर करू शकतो. संशोधनातून असे दिसून आले आहे की, जेव्हा २ मिमी जाडीच्या ६०६१ ॲल्युमिनियम मिश्रधातूचे हेलियमद्वारे संरक्षण केले जाते, तेव्हा वेधन खोली १.८ मिमी पर्यंत पोहोचते, जी आर्गॉनच्या तुलनेत २५% नी वाढते, आणि सच्छिद्रतेचा दर १% पेक्षा कमी असतो. जाड प्लेट्ससाठी (>५ मिमी): ॲल्युमिनियम मिश्रधातूच्या जाड प्लेट्सना उच्च ऊर्जेची आवश्यकता असते, आणि हेलियम-आर्गॉन मिश्रण (He:Ar = ३:१) वेधन खोली आणि खर्च या दोन्हींमध्ये संतुलन साधू शकते. उदाहरणार्थ, ८ मिमी जाडीच्या ५०८३ प्लेट्सचे वेल्डिंग करताना, मिश्र वायू संरक्षणाखाली वेधन खोली ६.२ मिमी पर्यंत पोहोचते, जी शुद्ध आर्गॉन वायूच्या तुलनेत ३५% नी वाढते, आणि वेल्डिंगचा खर्च २०% नी कमी होतो.

टीप: मूळ मजकुरात काही चुका आणि विसंगती आहेत. दिलेले भाषांतर हे मजकुराच्या सुधारित आणि सुसंगत आवृत्तीवर आधारित आहे.

आर्गॉन वायू प्रवाह दराचा प्रभाव

आर्गॉन वायूचा प्रवाह दर वितळलेल्या द्रवाच्या वायू आच्छादन क्षमतेवर आणि द्रव गतिकीवर थेट परिणाम करतो. जेव्हा प्रवाह दर अपुरा असतो, तेव्हा वायूचा थर हवेला पूर्णपणे वेगळे करू शकत नाही आणि वितळलेल्या द्रवाच्या कडेला ऑक्सिडीकरण होण्याची आणि वायूची छिद्रे तयार होण्याची शक्यता असते; जेव्हा प्रवाह दर खूप जास्त असतो, तेव्हा त्यामुळे प्रक्षोभ निर्माण होऊ शकतो, ज्यामुळे वितळलेल्या द्रवाचा पृष्ठभाग धुतला जाऊ शकतो आणि वेल्डिंगमध्ये खळगे किंवा ठिणग्या उडू शकतात. द्रव यांत्रिकीच्या रेनॉल्ड्स संख्येनुसार (Re = ρvD/μ), प्रवाह दरात वाढ झाल्याने वायू प्रवाहाचा वेग वाढतो. जेव्हा Re > 2300 असतो, तेव्हा स्तरीय प्रवाह प्रक्षुब्ध प्रवाहात बदलतो, ज्यामुळे वितळलेल्या द्रवाची स्थिरता नष्ट होते. म्हणून, क्रांतिकारक प्रवाह दराचे निर्धारण प्रयोगांद्वारे किंवा संख्यात्मक सिम्युलेशनद्वारे (जसे की CFD) विश्लेषण करणे आवश्यक आहे.

आकृती २. वेगवेगळ्या वायू प्रवाह दरांचा वेल्ड सीमवरील परिणाम

प्रवाह अनुकूलन हे पदार्थाची औष्णिक वाहकता आणि प्लेटची जाडी यांच्या संयोगाने समायोजित केले पाहिजे:

• स्टील आणि स्टेनलेस स्टीलसाठी: पातळ स्टील प्लेट्ससाठी (१-२ मिमी), प्रवाह दर प्राधान्याने १०-१५ लिटर/मिनिट असतो. जाड प्लेट्ससाठी (>६ मिमी), शेपटीकडील ऑक्सिडेशन रोखण्यासाठी तो १८-२२ लिटर/मिनिटपर्यंत वाढवला पाहिजे. उदाहरणार्थ, जेव्हा ६ मिमी जाडीच्या ३१६एल स्टेनलेस स्टीलचा प्रवाह दर २० लिटर/मिनिट असतो, तेव्हा एचएझेड (HAZ) कठीणपणाची एकसमानता ३०% ने सुधारते.

• ॲल्युमिनियम मिश्रधातूसाठी: उच्च औष्णिक वाहकतेमुळे संरक्षणाचा कालावधी वाढवण्यासाठी उच्च प्रवाह दराची आवश्यकता असते. ३ मिमी जाडीच्या ७०७५ ॲल्युमिनियम मिश्रधातूसाठी, जेव्हा प्रवाह दर २५-३० लिटर/मिनिट असतो, तेव्हा सच्छिद्रतेचे प्रमाण सर्वात कमी (०.३%) असते. तथापि, अति-जाड प्लेट्ससाठी (>१० मिमी), प्रक्षोभ टाळण्याकरिता संयुक्त ब्लोइंगचा वापर करणे आवश्यक आहे.

ब्लोइंग गॅस मोडचा प्रभाव

ब्लोइंग गॅस मोड हा वायू प्रवाहाची दिशा आणि वितरण नियंत्रित करून वितळलेल्या पूलाच्या प्रवाह पद्धतीवर आणि दोष दमन प्रभावावर थेट परिणाम करतो. ब्लोइंग गॅस मोड पृष्ठताण प्रवणता आणि मॅरांगोनी प्रवाह (Marangoni flow) बदलून वितळलेल्या पूलाच्या प्रवाहाचे नियमन करतो. बाजूने ब्लोइंग केल्याने वितळलेला पूल एका विशिष्ट दिशेने वाहू शकतो, ज्यामुळे छिद्रे आणि स्लगचे कण कमी होतात; तर संमिश्र ब्लोइंग बहु-दिशात्मक वायू प्रवाहाद्वारे ऊर्जा वितरणात संतुलन साधून वेल्ड निर्मितीची एकसमानता सुधारू शकते.

फुंकण्याच्या मुख्य पद्धतींमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• कोॲक्सिअल ब्लोइंग: वायूचा प्रवाह लेझर बीमच्या अक्षावर बाहेर टाकला जातो, ज्यामुळे वितळलेला भाग सममितीयपणे व्यापला जातो आणि हे उच्च-गती वेल्डिंगसाठी योग्य आहे. याचा फायदा म्हणजे प्रक्रियेतील उच्च स्थिरता, परंतु वायूचा प्रवाह लेझर फोकसिंगमध्ये अडथळा आणू शकतो. उदाहरणार्थ, ऑटोमोटिव्ह गॅल्वनाइज्ड स्टील शीटवर (१.२ मिमी) कोॲक्सिअल ब्लोइंग वापरताना, वेल्डिंगचा वेग ४० मिमी/सेकंद पर्यंत वाढवता येतो आणि स्पॅटरचा दर ०.१ पेक्षा कमी असतो.

• बाजूने फुंकणे: वितळलेल्या भागाच्या बाजूने वायूचा प्रवाह सोडला जातो, ज्याचा उपयोग प्लाझ्मा किंवा तळातील अशुद्धी दिशात्मकरीत्या काढून टाकण्यासाठी केला जाऊ शकतो, आणि हे खोल प्रवेश वेल्डिंगसाठी (deep penetration welding) योग्य आहे. उदाहरणार्थ, 12 मिमी जाडीच्या Q345 स्टीलवर 30° च्या कोनातून फुंकल्यास, वेल्डचा प्रवेश 18% ने वाढतो आणि तळातील छिद्रांचे प्रमाण 4% वरून 0.8% पर्यंत कमी होते.

• संयुक्त ब्लोइंग: समाक्षीय आणि बाजूकडील ब्लोइंग एकत्र करून, ते एकाच वेळी ऑक्सिडेशन आणि प्लाझ्मा हस्तक्षेप रोखू शकते. उदाहरणार्थ, डबल नोजल डिझाइनसह ३ मिमी जाडीच्या ६०६१ ॲल्युमिनियम मिश्रधातूसाठी, सच्छिद्रतेचा दर २.५% वरून ०.४% पर्यंत कमी होतो आणि तन्यता शक्ती मूळ सामग्रीच्या ९५% पर्यंत पोहोचते.

वेल्डिंगच्या गुणवत्तेवर शिल्डिंग गॅसचा प्रभाव हा प्रामुख्याने ऊर्जा हस्तांतरणाचे नियमन, वितळलेल्या भागाचे थर्मोडायनॅमिक्स आणि रासायनिक अभिक्रिया यांमधून येतो:

१. ऊर्जा हस्तांतरण: हेलियमची उच्च औष्णिक वाहकता वितळलेल्या भागाचे थंड होणे गतिमान करते, ज्यामुळे उष्णता प्रभावित क्षेत्राची (HAZ) रुंदी कमी होते; आर्गॉनची कमी औष्णिक वाहकता वितळलेल्या भागाचा अस्तित्व कालावधी वाढवते, जे पातळ पट्ट्यांच्या पृष्ठभागाच्या निर्मितीसाठी फायदेशीर आहे.

२. वितळलेल्या भागाची स्थिरता: वायूचा प्रवाह कर्तन बलाद्वारे वितळलेल्या भागाच्या प्रवाहावर परिणाम करतो आणि योग्य प्रवाह दरामुळे ठिणग्या उडणे कमी होते; जास्त प्रवाह दरामुळे भोवरा निर्माण होतो, ज्यामुळे वेल्डमध्ये दोष निर्माण होतात.

३. रासायनिक संरक्षण: निष्क्रिय वायू ऑक्सिजनला वेगळे करतात आणि मिश्रधातू घटकांचे (जसे की Cr, Al) ऑक्सिडीकरण रोखतात; सक्रिय वायू (जसे की N₂) सॉलिड सोल्युशन स्ट्रेंग्थनिंग किंवा संयुग निर्मितीद्वारे वेल्डचे गुणधर्म बदलतात, परंतु त्यांची सांद्रता अचूकपणे नियंत्रित करणे आवश्यक असते.