लेजर वेल्डिङमा ठोस दरारहरूको गठन संयन्त्र र दमन उपायहरू

लेजर बीम वेल्डिङयसको उच्च गति, उच्च परिशुद्धता र गैर-सम्पर्क विशेषताहरूको साथ, अटोमोबाइल, एयरोस्पेस, र इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू जस्ता क्षेत्रहरूमा व्यापक रूपमा लागू गरिन्छ, विशेष गरी भिन्न सामग्रीहरूको जडानमा अद्वितीय फाइदाहरू देखाउँदै। यद्यपि, वेल्डिंग प्रक्रियाको क्रममा उत्पन्न हुने ठोसीकरण दरारहरू (सॉलिडीकरण क्र्याकिंग) यसको औद्योगिक प्रयोगलाई प्रतिबन्धित गर्ने प्रमुख दोषहरू मध्ये एक हो। यी दरारहरू सामान्यतया फ्यूजन क्षेत्र (फ्यूजन क्षेत्र) मा ठोसीकरणको अन्त्यमा हुन्छन्, जुन थर्मल तनाव, ठोसीकरण संकुचन र अन्न सीमाहरूमा तरल फिल्मको संयुक्त प्रभावहरूबाट ट्रिगर हुन्छ, जसले जोर्नीको मेकानिकल गुणहरू र थकान जीवनलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्दछ।

१. गठन संयन्त्र

ठोसीकरण दरारको मुख्य संयन्त्र ठोसीकरणको अन्त्यमा अन्नको सीमामा रहेको अवशिष्ट तरल फिल्ममा हुन्छ। ठोसीकरण प्रक्रियाको क्रममा, पग्लिएको पोखरीलाई तीन क्षेत्रहरूमा विभाजन गरिएको छ: मुक्त तरल क्षेत्र, प्रतिबन्धित तरल क्षेत्र, र ठोस क्षेत्र, चित्र १ मा देखाइए अनुसार। प्रतिबन्धित तरल क्षेत्रमा, तरल प्रवाह अवरुद्ध हुन्छ र ठोसीकरण संकुचनबाट उत्पन्न हुने तनावको क्षतिपूर्ति गर्न सक्दैन, जसले गर्दा अन्न सीमा विभाजन हुन्छ। अन्न सीमा ऊर्जा (γgb) र ठोस-तरल इन्टरफेस ऊर्जा (γsl) को अनुपातले तरल फिल्मको स्थिरता निर्धारण गर्दछ: यदि γgb < 2γsl, तरल फिल्म अस्थिर हुन्छ र अन्न कोलेसेन्स हुन्छ; यसको विपरीत, तरल फिल्म स्थिर हुन्छ र दरार सुरु हुने सम्भावना हुन्छ।

यसबाहेक, ठोसीकरण दरारहरूको गठन पनि सामग्रीहरूको धातुकर्म गुणहरूसँग सम्बन्धित छ। विभिन्न सामग्रीहरूमा ठोसीकरणको तापक्रम दायरा, ठोसीकरण संकुचन दर, र मिश्र धातु तत्वहरूको वितरण, आदि जस्ता फरक ठोसीकरण विशेषताहरू हुन्छन्। यी विशेषताहरूले दरारहरूको संवेदनशीलतालाई प्रभाव पार्छन्। उदाहरणका लागि, कम-पग्लने-बिन्दु युटेक्टिक चरणहरूको ठूलो मात्रा भएको सामग्रीहरूमा, ठोसीकरण दरारहरूको संवेदनशीलता उच्च हुन्छ किनभने यी युटेक्टिक चरणहरू ठोसीकरणको समयमा निरन्तर तरल फिल्महरू बनाउने सम्भावना हुन्छ, जसले गर्दा दरारहरूको गठन तीव्र हुन्छ।

को समयमालेजर वेल्डिंग प्रक्रिया, लेजर पावर, वेल्डिंग गति, र स्पट साइज जस्ता वेल्डिंग प्यारामिटरहरूले पनि ठोसीकरण दरारहरूको गठनमा प्रभाव पार्छन्। यी प्यारामिटरहरूले वेल्डिंग प्रक्रियाको क्रममा ताप इनपुट र तापमान ढाँचालाई असर गर्छन्, जसले गर्दा ठोसीकरण संरचना र अन्न आकारविज्ञान परिवर्तन हुन्छ। उदाहरणका लागि, उच्च लेजर पावर र कम वेल्डिंग गतिले बढी ताप इनपुट र ढिलो शीतलन दरमा परिणाम दिन्छ, जसले स्तम्भ क्रिस्टलहरूको वृद्धिलाई बढावा दिन्छ र दरार संवेदनशीलता बढाउँछ। यसको विपरीत, कम लेजर पावर र उच्च वेल्डिंग गतिले कम ताप इनपुट र छिटो शीतलन दर निम्त्याउँछ, समतुल्य क्रिस्टलहरूको गठनलाई सहज बनाउँछ र दरार संवेदनशीलता कम गर्छ।

२. दमन उपायहरू

ठोसीकरण दरारहरूलाई प्रभावकारी रूपमा दबाउनलेजर वेल्डिंग, अनुसन्धानकर्ताहरूले विभिन्न रणनीतिहरू प्रस्ताव गरेका छन्, जुन मुख्यतया अन्न संरचना नियन्त्रण गर्ने, वेल्डिंग प्यारामिटरहरू अनुकूलन गर्ने र भौतिक गुणहरू सुधार गर्ने कुरामा केन्द्रित छन्। अन्न संरचनालाई परिष्कृत गरेर, अन्न सीमाहरूको संख्या बढाउन सकिन्छ, र तनाव एकाग्रताको एकाग्रता घटाउन सकिन्छ, जसले गर्दा दरारहरूको गठन कम हुन्छ। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि लेजर बीम दोलन प्रविधि प्रयोग गरेर, स्तम्भकार क्रिस्टलहरूलाई अन्य सामग्रीहरू थप नगरी सूक्ष्म समतुल्य क्रिस्टलमा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ। लेजर बीम दोलनले लेजर ऊर्जा फैलाउन सक्छ, जसले गर्दा पग्लिएको पोखरीले अशान्ति उत्पन्न गर्छ, जसले गर्दा स्तम्भकार क्रिस्टलहरूको वृद्धि दिशा तोड्छ र समतुल्य क्रिस्टलहरूको गठनलाई बढावा दिन्छ, जस्तै चित्र ३ मा देखाइएको छ। थप रूपमा, लेजर बीम दोलनले पग्लिएको पोखरीको चौडाइ बढाउन, तापक्रम ढाँचा घटाउन र पग्लिएको पोखरीको ठोसीकरण समयलाई लम्ब्याउन सक्छ, जुन घुलनशील पदार्थहरूको प्रसार र तरल फिल्महरूको पुनःपूर्तिको लागि अनुकूल छ, जसले गर्दा ठोसीकरण दरारहरूको संवेदनशीलतालाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्दछ।

विभिन्न पोखरी आकारहरू अन्तर्गत अन्न सीमा तरल फिल्महरूको वितरण।

वेल्डिंग पग्लिएको पोखरीको योजनाबद्ध रेखाचित्र, a, b) दोलन बिना, c, d) पार्श्व दोलन, e, f) अनुदैर्ध्य दोलन, g, h) परिधि दोलन।

यसको अतिरिक्तलेजर किरणदोहोरो लेजर स्रोतहरू प्रयोग गर्नु पनि ठोसीकरण दरारहरूलाई दबाउन प्रभावकारी तरिकाहरू मध्ये एक हो। दोहोरो लेजर स्रोतहरूले थर्मल चक्रलाई अनुकूलन गरेर स्तम्भकार क्रिस्टलबाट समकक्ष क्रिस्टलमा रूपान्तरण प्राप्त गर्न सक्छन्, जसले गर्दा अन्नको आकार र तनाव सांद्रता घट्छ। उदाहरणका लागि, CO₂ लेजरलाई मुख्य ताप स्रोतको रूपमा र Nd:YAG पल्स्ड लेजरलाई सहायक ताप स्रोतको रूपमा प्रयोग गर्दा, वेल्डिङको समयमा एक अनुकूलित थर्मल चक्र गठन गर्न सकिन्छ, जसले समकक्ष क्रिस्टलहरूको गठनलाई बढावा दिन्छ र ठोसीकरण दरारहरूको संवेदनशीलता कम गर्दछ, चित्र ४ मा देखाइए अनुसार।

वेल्डिंग प्यारामिटरहरू अप्टिमाइज गर्नु पनि ठोसीकरण दरारहरूलाई दबाउनको लागि एक महत्त्वपूर्ण माध्यम हो। लेजर पावर, वेल्डिंग गति, र स्पट साइज जस्ता प्यारामिटरहरू समायोजन गरेर, वेल्डिंग प्रक्रियाको क्रममा ताप इनपुट र तापमान ढाँचा नियन्त्रण गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा ठोसीकरण संरचना र अन्न आकारविज्ञानमा प्रभाव पर्छ। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि प्रिहिटिंग उपचारले शीतलन दर घटाउन सक्छ, समतुल्य क्रिस्टलहरूको गठनलाई बढावा दिन सक्छ, र यसरी ठोसीकरण दरारहरूको संवेदनशीलता कम गर्न सक्छ, जस्तै चित्र ५ मा देखाइएको छ। थप रूपमा, स्पंदित लेजर वेल्डिंग प्रयोग गर्ने र वेल्डिंग गति बढाउने जस्ता विधिहरूले पनि ताप इनपुट र शीतलन दर परिवर्तन गरेर स्तम्भ क्रिस्टलबाट समतुल्य क्रिस्टलमा रूपान्तरण प्राप्त गर्न सक्छ, जसले गर्दा दरारहरूको संवेदनशीलता कम हुन्छ।

चित्र ५. क) नतिएको, ख) ३०० डिग्री सेल्सियस पहिले नै तताइएको समतल अन्न।

लेजरहरूसँग फरक-फरक सामग्रीहरू वेल्डिंग गर्दा, सामग्रीहरू बीचको भौतिक र रासायनिक गुणहरूमा महत्त्वपूर्ण भिन्नताका कारण, भंगुर इन्टरमेटालिक यौगिकहरू बन्ने सम्भावना हुन्छ, जुन ठोसीकरण दरारहरूको मुख्य कारणहरू मध्ये एक हो। त्यसकारण, इन्टरमेटालिक यौगिकहरूको गठन वा मात्रा कम गर्न लेजर प्यारामिटरहरू र सेटिङहरू समायोजन गर्नु पनि ठोसीकरण दरारहरूलाई दबाउनको लागि एक महत्त्वपूर्ण रणनीति हो। उदाहरणका लागि, तामा-एल्युमिनियम फरक-फरक सामग्रीहरूको लेजर वेल्डिंगमा, लेजर बीमको अफसेट र वेल्डिंग गति नियन्त्रण गरेर, पग्लिएको पोखरीमा तामा र एल्युमिनियमको मिश्रण अनुपात घटाउन सकिन्छ, जसले गर्दा भंगुर इन्टरमेटालिक यौगिकहरूको गठन घट्छ र दरारहरूको संवेदनशीलता कम हुन्छ। थप रूपमा, फिलर सामग्रीहरू प्रयोग गर्नाले वेल्डेड जोइन्टको कार्यसम्पादनमा पनि सुधार गर्न सकिन्छ र दरारहरूको गठन कम गर्न सकिन्छ। फिलर सामग्रीहरूले वेल्डेड जोइन्टको संरचना र माइक्रोस्ट्रक्चर परिवर्तन गरेर इन्टरमेटालिक यौगिकहरूको गठन कम गर्न सक्छ र वेल्डेड जोइन्टको कठोरता सुधार गर्न सक्छ।

लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाहरूमा ठोसीकरण दरारहरू सामान्य दोषहरू मध्ये एक हो। तिनीहरूको गठन संयन्त्र जटिल छ र यसमा ताप, मेकानिक्स र धातु विज्ञान जस्ता धेरै कारकहरूको अन्तरक्रिया समावेश छ। ठोसीकरण दरारहरूको गठन संयन्त्रको गहन अध्ययन गरेर, दरारहरूलाई दबाउनको लागि सैद्धान्तिक आधार प्रदान गर्न सकिन्छ। हालका वर्षहरूमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले ठोसीकरण दरारहरूलाई दबाउन विभिन्न रणनीतिहरू प्रस्ताव गरेका छन्, जुन मुख्यतया अन्न संरचना नियन्त्रण गर्ने, वेल्डिंग प्यारामिटरहरू अनुकूलन गर्ने र सामग्री गुणहरू सुधार गर्ने कुरामा केन्द्रित छन्। अभ्यासले प्रमाणित गरेको छ कि यी रणनीतिहरूले ठोसीकरण दरारहरूको संवेदनशीलतालाई प्रभावकारी रूपमा केही हदसम्म कम गर्न र लेजर वेल्डिंगको गुणस्तर र विश्वसनीयता सुधार गर्न सक्छ। यद्यपि, लेजर वेल्डिंग प्रक्रियाको जटिलता र विविधताका कारण, हालको अनुसन्धानमा अझै पनि केही कमीहरू छन्। उदाहरणका लागि, विभिन्न सामग्री र वेल्डिंग अवस्थाहरूमा ठोसीकरण दरारहरूको अवरोध संयन्त्रहरूको लागि, थप गहन अनुसन्धान अझै आवश्यक छ।