લેસર વેલ્ડીંગમાં ઘનતા તિરાડોની રચના પદ્ધતિ અને દમન પગલાં

લેસર બીમ વેલ્ડીંગતેની ઊંચી ગતિ, ઉચ્ચ ચોકસાઇ અને સંપર્ક વિનાની લાક્ષણિકતાઓ સાથે, ઓટોમોબાઇલ્સ, એરોસ્પેસ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો જેવા ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે, ખાસ કરીને ભિન્ન સામગ્રીના જોડાણમાં અનન્ય ફાયદા દર્શાવે છે. જો કે, વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ઘનતા તિરાડો (સોલિડિફિકેશન ક્રેકીંગ) તેના ઔદ્યોગિક ઉપયોગને પ્રતિબંધિત કરતી મુખ્ય ખામીઓમાંની એક છે. આ તિરાડો સામાન્ય રીતે ફ્યુઝન ઝોન (ફ્યુઝન ઝોન) માં ઘનતાના અંતે થાય છે, જે થર્મલ તણાવ, ઘનતા સંકોચન અને અનાજની સીમાઓ પર પ્રવાહી ફિલ્મના સંયુક્ત પ્રભાવોને કારણે થાય છે, જે સાંધાના યાંત્રિક ગુણધર્મો અને થાક જીવનને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે.

૧. રચના પદ્ધતિ

ઘનકરણ તિરાડોનું મુખ્ય મિકેનિઝમ ઘનકરણના અંતે અનાજની સીમાઓ પર અવશેષ પ્રવાહી ફિલ્મમાં રહેલું છે. ઘનકરણ પ્રક્રિયા દરમિયાન, પીગળેલા પૂલને ત્રણ ઝોનમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે: મુક્ત પ્રવાહી ઝોન, પ્રતિબંધિત પ્રવાહી ઝોન અને ઘન ઝોન, જેમ કે આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. પ્રતિબંધિત પ્રવાહી ઝોનમાં, પ્રવાહી પ્રવાહ અવરોધિત થાય છે અને ઘનકરણ સંકોચન દ્વારા ઉત્પન્ન થતા તાણને વળતર આપી શકતો નથી, જેના પરિણામે અનાજની સીમા અલગ થાય છે. અનાજની સીમા ઊર્જા (γgb) અને ઘન-પ્રવાહી ઇન્ટરફેસ ઊર્જા (γsl) નો ગુણોત્તર પ્રવાહી ફિલ્મની સ્થિરતા નક્કી કરે છે: જો γgb < 2γsl, તો પ્રવાહી ફિલ્મ અસ્થિર છે અને અનાજનું સંકલન થાય છે; તેનાથી વિપરીત, પ્રવાહી ફિલ્મ સ્થિર છે અને તિરાડો શરૂ થવાની સંભાવના છે.

વધુમાં, ઘનકરણ તિરાડોનું નિર્માણ પણ સામગ્રીના ધાતુશાસ્ત્રીય ગુણધર્મો સાથે સંબંધિત છે. વિવિધ સામગ્રીમાં અલગ-અલગ ઘનકરણ લાક્ષણિકતાઓ હોય છે, જેમ કે ઘનકરણની તાપમાન શ્રેણી, ઘનકરણ સંકોચન દર અને એલોય તત્વોનું વિતરણ, વગેરે. આ લાક્ષણિકતાઓ તિરાડોની સંવેદનશીલતાને પ્રભાવિત કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઓછી ગલન-બિંદુ યુટેક્ટિક તબક્કાઓ ધરાવતી સામગ્રીમાં, ઘનકરણ તિરાડોની સંવેદનશીલતા વધુ હોય છે કારણ કે આ યુટેક્ટિક તબક્કાઓ ઘનકરણ દરમિયાન સતત પ્રવાહી ફિલ્મો બનાવવાની સંભાવના ધરાવે છે, જેનાથી તિરાડોની રચના વધુ તીવ્ર બને છે.

દરમિયાનલેસર વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા, લેસર પાવર, વેલ્ડીંગ સ્પીડ અને સ્પોટ સાઇઝ જેવા વેલ્ડીંગ પરિમાણો પણ સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સના નિર્માણ પર અસર કરે છે. આ પરિમાણો વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ગરમીના ઇનપુટ અને તાપમાનના ઢાળને અસર કરે છે, જેનાથી ઘનકરણ માળખું અને અનાજના આકારશાસ્ત્રમાં ફેરફાર થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઉચ્ચ લેસર પાવર અને ઓછી વેલ્ડીંગ ગતિ વધુ ગરમીના ઇનપુટ અને ધીમા ઠંડક દરમાં પરિણમે છે, જે સ્તંભાકાર સ્ફટિકોના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપે છે અને તિરાડની સંવેદનશીલતામાં વધારો કરે છે. તેનાથી વિપરીત, ઓછી લેસર પાવર અને ઊંચી વેલ્ડીંગ ગતિ ઓછી ગરમીના ઇનપુટ અને ઝડપી ઠંડક દર તરફ દોરી જાય છે, જે ઇક્વિએક્સ્ડ સ્ફટિકોના નિર્માણને સરળ બનાવે છે અને તિરાડની સંવેદનશીલતા ઘટાડે છે.

2. દમન પગલાં

માં ઘનકરણ તિરાડોને અસરકારક રીતે દબાવવા માટેલેસર વેલ્ડીંગ, સંશોધકોએ વિવિધ વ્યૂહરચનાઓ પ્રસ્તાવિત કરી છે, જે મુખ્યત્વે અનાજની રચનાને નિયંત્રિત કરવા, વેલ્ડીંગ પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા અને સામગ્રી ગુણધર્મોને સુધારવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. અનાજની રચનાને શુદ્ધ કરીને, અનાજની સીમાઓની સંખ્યા વધારી શકાય છે, અને તાણ સાંદ્રતાની સાંદ્રતા ઘટાડી શકાય છે, જેનાથી તિરાડોની રચના ઓછી થાય છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે લેસર બીમ ઓસિલેશન ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને, અન્ય સામગ્રી ઉમેર્યા વિના સ્તંભાકાર સ્ફટિકોને બારીક સમતુલા સ્ફટિકોમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે. લેસર બીમ ઓસિલેશન લેસર ઊર્જાને વિખેરી શકે છે, જેના કારણે પીગળેલા પૂલમાં અશાંતિ ઉત્પન્ન થાય છે, જેનાથી સ્તંભાકાર સ્ફટિકોની વૃદ્ધિ દિશા તૂટી જાય છે અને સમતુલાકાર સ્ફટિકોના નિર્માણને પ્રોત્સાહન મળે છે, જેમ કે આકૃતિ 3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. વધુમાં, લેસર બીમ ઓસિલેશન પીગળેલા પૂલની પહોળાઈ પણ વધારી શકે છે, તાપમાન ઢાળ ઘટાડી શકે છે અને પીગળેલા પૂલના ઘનકરણ સમયને લંબાવી શકે છે, જે દ્રાવ્યોના પ્રસાર અને પ્રવાહી ફિલ્મોના ભરપાઈ માટે અનુકૂળ છે, જેનાથી ઘનકરણ તિરાડોની સંવેદનશીલતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે.

વિવિધ પૂલ આકાર હેઠળ અનાજની સીમા પ્રવાહી ફિલ્મોનું વિતરણ.

વેલ્ડિંગ પીગળેલા પૂલનું યોજનાકીય આકૃતિ, a, b) ઓસિલેશન વિના, c, d) લેટરલ ઓસિલેશન, e, f) રેખાંશ ઓસિલેશન, g, h) પરિઘ ઓસિલેશન.

આ ઉપરાંતલેસર બીમઓસિલેશન ટેકનોલોજી, ડ્યુઅલ લેસર સ્ત્રોતોનો ઉપયોગ પણ ઘનકરણ તિરાડોને દબાવવા માટે અસરકારક પદ્ધતિઓમાંની એક છે. ડ્યુઅલ લેસર સ્ત્રોતો થર્મલ ચક્રને ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને સ્તંભાકાર સ્ફટિકોથી સમકક્ષ સ્ફટિકોમાં રૂપાંતર પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જેનાથી અનાજનું કદ અને તાણ સાંદ્રતા ઓછી થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે CO₂ લેસરને મુખ્ય ગરમી સ્ત્રોત તરીકે અને Nd:YAG પલ્સ્ડ લેસરને સહાયક ગરમી સ્ત્રોત તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે વેલ્ડીંગ દરમિયાન એક ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ થર્મલ ચક્ર બનાવી શકાય છે, જે સમકક્ષ સ્ફટિકોના નિર્માણને પ્રોત્સાહન આપે છે અને ઘનકરણ તિરાડોની સંવેદનશીલતા ઘટાડે છે, જેમ કે આકૃતિ 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

વેલ્ડીંગ પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું એ પણ ઘનતા તિરાડોને દબાવવા માટે એક મહત્વપૂર્ણ માધ્યમ છે. લેસર પાવર, વેલ્ડીંગ ગતિ અને સ્પોટ કદ જેવા પરિમાણોને સમાયોજિત કરીને, વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ગરમી ઇનપુટ અને તાપમાન ઢાળને નિયંત્રિત કરી શકાય છે, જેનાથી ઘનતા માળખું અને અનાજના આકારવિજ્ઞાન પર અસર પડે છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે પ્રીહિટિંગ ટ્રીટમેન્ટ ઠંડક દર ઘટાડી શકે છે, ઇક્વિએક્સ્ડ સ્ફટિકોના નિર્માણને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે, અને આમ આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઘનતા તિરાડોની સંવેદનશીલતા ઘટાડી શકે છે. વધુમાં, સ્પંદિત લેસર વેલ્ડીંગનો ઉપયોગ અને વેલ્ડીંગ ગતિ વધારવા જેવી પદ્ધતિઓ પણ ગરમી ઇનપુટ અને ઠંડક દર બદલીને સ્તંભાકાર સ્ફટિકોથી ઇક્વિએક્સ્ડ સ્ફટિકોમાં રૂપાંતર પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જેનાથી તિરાડોની સંવેદનશીલતા ઓછી થાય છે.

આકૃતિ 5. a) ગરમ ન કરાયેલ, b) 300°C પહેલાથી ગરમ કરેલા સમતુલાકૃત અનાજ.

લેસર વડે ભિન્ન સામગ્રીને વેલ્ડિંગ કરતી વખતે, સામગ્રી વચ્ચે ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોમાં નોંધપાત્ર તફાવત હોવાને કારણે, બરડ આંતરધાતુ સંયોજનો બનવાની સંભાવના હોય છે, જે ઘનકરણ તિરાડોના મુખ્ય કારણોમાંનું એક છે. તેથી, ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનોની રચના અથવા માત્રા ઘટાડવા માટે લેસર પરિમાણો અને સેટિંગ્સને સમાયોજિત કરવી એ પણ ઘનકરણ તિરાડોને દબાવવા માટે એક મહત્વપૂર્ણ વ્યૂહરચના છે. ઉદાહરણ તરીકે, કોપર-એલ્યુમિનિયમ ભિન્ન સામગ્રીના લેસર વેલ્ડીંગમાં, લેસર બીમના ઓફસેટ અને વેલ્ડીંગ ગતિને નિયંત્રિત કરીને, પીગળેલા પૂલમાં તાંબા અને એલ્યુમિનિયમના મિશ્રણ ગુણોત્તરને ઘટાડી શકાય છે, જેનાથી બરડ આંતરધાતુ સંયોજનોની રચના ઓછી થાય છે અને તિરાડોની સંવેદનશીલતા ઓછી થાય છે. વધુમાં, ફિલર સામગ્રીનો ઉપયોગ વેલ્ડેડ સાંધાના પ્રદર્શનમાં પણ સુધારો કરી શકે છે અને તિરાડોની રચના ઘટાડી શકે છે. ફિલર સામગ્રી વેલ્ડેડ સાંધાની રચના અને માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર બદલીને ઇન્ટરમેટાલિક સંયોજનોની રચના ઘટાડી શકે છે અને વેલ્ડેડ સાંધાની કઠિનતામાં સુધારો કરી શકે છે.

લેસર વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયાઓમાં સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સ એક સામાન્ય ખામી છે. તેમની રચના પદ્ધતિ જટિલ છે અને તેમાં ગરમી, મિકેનિક્સ અને ધાતુશાસ્ત્ર જેવા અનેક પરિબળોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા શામેલ છે. સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સની રચના પદ્ધતિનો ઊંડાણપૂર્વક અભ્યાસ કરીને, તિરાડોને દબાવવા માટે સૈદ્ધાંતિક આધાર પૂરો પાડી શકાય છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, સંશોધકોએ સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સને દબાવવા માટે વિવિધ વ્યૂહરચનાઓ પ્રસ્તાવિત કરી છે, જે મુખ્યત્વે અનાજની રચનાને નિયંત્રિત કરવા, વેલ્ડીંગ પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા અને સામગ્રી ગુણધર્મોને સુધારવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. પ્રેક્ટિસે સાબિત કર્યું છે કે આ વ્યૂહરચનાઓ અસરકારક રીતે ચોક્કસ હદ સુધી સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સની સંવેદનશીલતાને ઘટાડી શકે છે અને લેસર વેલ્ડીંગની ગુણવત્તા અને વિશ્વસનીયતામાં સુધારો કરી શકે છે. જો કે, લેસર વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયાની જટિલતા અને વિવિધતાને કારણે, વર્તમાન સંશોધનમાં હજુ પણ કેટલીક ખામીઓ છે. ઉદાહરણ તરીકે, વિવિધ સામગ્રી અને વેલ્ડીંગ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ સોલિડિફિકેશન ક્રેક્સના અવરોધ પદ્ધતિઓ માટે, હજુ પણ વધુ ઊંડાણપૂર્વક સંશોધનની જરૂર છે.