લેસર વેલ્ડીંગ પ્રક્રિયા પર રક્ષણાત્મક ગેસ પરિમાણોનો પ્રભાવ

લેસર વેલ્ડીંગ ટેકનોલોજી, તેની ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા, ઓછી ગરમી ઇનપુટ અને બિન-સંપર્ક લાક્ષણિકતાઓને કારણે, આધુનિક ચોકસાઇ ઉત્પાદનમાં મુખ્ય પ્રક્રિયાઓમાંની એક બની ગઈ છે. જો કે, વેલ્ડીંગ દરમિયાન પીગળેલા પૂલના વાતાવરણ સાથેના સંપર્કને કારણે ઓક્સિડેશન, છિદ્રાળુતા અને તત્વ બર્ન-ઓફ જેવી સમસ્યાઓ વેલ્ડ સીમના યાંત્રિક ગુણધર્મો અને સેવા જીવનને ગંભીર રીતે પ્રતિબંધિત કરે છે. વેલ્ડીંગ વાતાવરણને નિયંત્રિત કરવા માટેના મુખ્ય માધ્યમ તરીકે, રક્ષણાત્મક ગેસના પ્રકાર, પ્રવાહ દર અને બ્લોઇંગ મોડની પસંદગીને સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ (જેમ કે રાસાયણિક પ્રવૃત્તિ, થર્મલ વાહકતા) અને પ્લેટની જાડાઈ સાથે જોડવાની જરૂર છે.

રક્ષણાત્મક વાયુઓના પ્રકારો

રક્ષણાત્મક વાયુઓનું મુખ્ય કાર્ય ઓક્સિજનને અલગ પાડવા, પીગળેલા પૂલના વર્તનને નિયંત્રિત કરવા અને ઊર્જા જોડાણની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવાનું છે. તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મોના આધારે, રક્ષણાત્મક વાયુઓને નિષ્ક્રિય વાયુઓ (આર્ગોન, હિલીયમ) અને સક્રિય વાયુઓ (નાઇટ્રોજન, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ) માં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. નિષ્ક્રિય વાયુઓમાં ઉચ્ચ રાસાયણિક સ્થિરતા હોય છે અને તે પીગળેલા પૂલના ઓક્સિડેશનને અસરકારક રીતે અટકાવી શકે છે, પરંતુ થર્મલ ભૌતિક ગુણધર્મોમાં તેમના નોંધપાત્ર તફાવતો વેલ્ડીંગ અસરને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, આર્ગોન (Ar) ની ઘનતા ઊંચી (1.784 kg/m³) છે અને તે સ્થિર આવરણ બનાવી શકે છે, પરંતુ તેની ઓછી થર્મલ વાહકતા (0.0177 W/m·K) પીગળેલા પૂલની ધીમી ઠંડક અને છીછરા વેલ્ડ ઘૂંસપેંઠ તરફ દોરી જાય છે. તેનાથી વિપરીત, હિલીયમ (He) માં આર્ગોન કરતાં આઠ ગણી વધુ થર્મલ વાહકતા (0.1513 W/m·K) છે અને તે પીગળેલા પૂલના ઠંડકને વેગ આપી શકે છે અને વેલ્ડ ઘૂંસપેંઠમાં વધારો કરી શકે છે, પરંતુ તેની ઓછી ઘનતા (0.1785 kg/m³) તેને બહાર નીકળવાની સંભાવના બનાવે છે, રક્ષણાત્મક અસર જાળવવા માટે ઉચ્ચ પ્રવાહ દરની જરૂર પડે છે. નાઇટ્રોજન (N₂) જેવા સક્રિય વાયુઓ ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં ઘન દ્રાવણને મજબૂત બનાવીને વેલ્ડની મજબૂતાઈ વધારી શકે છે, પરંતુ વધુ પડતા ઉપયોગથી છિદ્રાળુતા અથવા બરડ તબક્કાઓનો વરસાદ થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ડુપ્લેક્સ સ્ટેનલેસ સ્ટીલને વેલ્ડ કરતી વખતે, પીગળેલા પૂલમાં નાઇટ્રોજનનું પ્રસરણ ફેરાઇટ/ઓસ્ટેનાઇટ તબક્કા સંતુલનને વિક્ષેપિત કરી શકે છે, જેના પરિણામે કાટ પ્રતિકારમાં ઘટાડો થાય છે.

આકૃતિ 1. 304L સ્ટેનલેસ સ્ટીલનું લેસર વેલ્ડીંગ (ટોચ): Ar ગેસ શિલ્ડિંગ; (નીચે): N2 ગેસ શિલ્ડિંગ

પ્રક્રિયા પદ્ધતિના દ્રષ્ટિકોણથી, હિલીયમની ઉચ્ચ આયનીકરણ ઊર્જા (24.6 eV) પ્લાઝ્મા શિલ્ડિંગ અસરને દબાવી શકે છે અને લેસર ઊર્જા શોષણને વધારી શકે છે, જેનાથી ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ વધે છે. દરમિયાન, આર્ગોન (15.8 eV) ની ઓછી આયનીકરણ ઊર્જા પ્લાઝ્મા વાદળો ઉત્પન્ન કરવાની સંભાવના ધરાવે છે, જેને દખલગીરી ઘટાડવા માટે ડિફોકસિંગ અથવા પલ્સ મોડ્યુલેશનની જરૂર પડે છે. વધુમાં, સક્રિય વાયુઓ અને પીગળેલા પૂલ (જેમ કે સ્ટીલમાં Cr સાથે નાઇટ્રોજન પ્રતિક્રિયા આપવી) વચ્ચેની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા વેલ્ડ રચનાને બદલી શકે છે, અને સામગ્રી ગુણધર્મોના આધારે કાળજીપૂર્વક પસંદગી જરૂરી છે.

સામગ્રી એપ્લિકેશન ઉદાહરણો:

• સ્ટીલ: પાતળા પ્લેટ (<3 mm) વેલ્ડીંગમાં, આર્ગોન સપાટી પૂર્ણાહુતિ સુનિશ્ચિત કરી શકે છે, 1.5 mm લો-કાર્બન સ્ટીલ વેલ્ડ સીમ માટે ઓક્સાઇડ સ્તરની જાડાઈ માત્ર 0.5 μm હોય છે; જાડી પ્લેટો (>10 mm) માટે, ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ વધારવા માટે થોડી માત્રામાં હિલીયમ (He) ઉમેરવાની જરૂર છે.

• સ્ટેનલેસ સ્ટીલ: આર્ગોન પ્રોટેક્શન Cr એલિમેન્ટના નુકશાનને અટકાવી શકે છે, 3 મીમી જાડા 304 સ્ટેનલેસ સ્ટીલ વેલ્ડ સીમમાં Cr સામગ્રી 18.2% હોય છે જે બેઝ મેટલના 18.5% ની નજીક પહોંચે છે; ડુપ્લેક્સ સ્ટેનલેસ સ્ટીલ માટે, ગુણોત્તરને સંતુલિત કરવા માટે Ar-N₂ મિશ્રણ (N₂ ≤ 5%) જરૂરી છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે 8 મીમી જાડા 2205 ડુપ્લેક્સ સ્ટેનલેસ સ્ટીલ માટે Ar-2% N₂ મિશ્રણનો ઉપયોગ કરતી વખતે, ફેરાઇટ/ઓસ્ટેનાઇટ રેશિયો 48:52 પર સ્થિર હોય છે, જેની તાણ શક્તિ 780 MPa હોય છે, જે શુદ્ધ આર્ગોન પ્રોટેક્શન (720 MPa) કરતા શ્રેષ્ઠ છે.

• એલ્યુમિનિયમ એલોય: પાતળી પ્લેટ (<3 mm): એલ્યુમિનિયમ એલોયની ઉચ્ચ પરાવર્તકતા ઓછી ઉર્જા શોષણ દર તરફ દોરી જાય છે, અને હિલીયમ, તેની ઉચ્ચ આયનીકરણ ઊર્જા (24.6 eV) સાથે, પ્લાઝ્માને સ્થિર કરી શકે છે. સંશોધન દર્શાવે છે કે જ્યારે 2 mm જાડા 6061 એલ્યુમિનિયમ એલોય હિલીયમ દ્વારા સુરક્ષિત હોય છે, ત્યારે ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ 1.8 mm સુધી પહોંચે છે, જે આર્ગોનની તુલનામાં 25% વધે છે, અને છિદ્રાળુતા દર 1% કરતા ઓછો હોય છે. જાડી પ્લેટો (>5 mm) માટે: એલ્યુમિનિયમ એલોય જાડા પ્લેટોને ઉચ્ચ ઉર્જા ઇનપુટની જરૂર પડે છે, અને હિલીયમ-આર્ગોન મિશ્રણ (He:Ar = 3:1) ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ અને ખર્ચ બંનેને સંતુલિત કરી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે 8 mm જાડા 5083 પ્લેટોને વેલ્ડિંગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે મિશ્ર ગેસ સુરક્ષા હેઠળ ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ 6.2 mm સુધી પહોંચે છે, જે શુદ્ધ આર્ગોન ગેસની તુલનામાં 35% વધે છે, અને વેલ્ડીંગ ખર્ચ 20% ઘટે છે.

નોંધ: મૂળ લખાણમાં કેટલીક ભૂલો અને અસંગતતાઓ છે. આપેલ અનુવાદ લખાણના સુધારેલા અને સુસંગત સંસ્કરણ પર આધારિત છે.

આર્ગોન ગેસ પ્રવાહ દરનો પ્રભાવ

આર્ગોન ગેસ ફ્લો રેટ ગેસ કવરેજ ક્ષમતા અને પીગળેલા પૂલની પ્રવાહી ગતિશીલતાને સીધી અસર કરે છે. જ્યારે પ્રવાહ દર અપૂરતો હોય છે, ત્યારે ગેસ સ્તર હવાને સંપૂર્ણપણે અલગ કરી શકતો નથી, અને પીગળેલા પૂલની ધાર ઓક્સિડેશન અને ગેસ છિદ્રોની રચના માટે સંવેદનશીલ હોય છે; જ્યારે પ્રવાહ દર ખૂબ ઊંચો હોય છે, ત્યારે તે અશાંતિનું કારણ બની શકે છે, જે પીગળેલા પૂલની સપાટીને ધોઈ શકે છે અને વેલ્ડ ડિપ્રેશન અથવા સ્પાટર તરફ દોરી શકે છે. રેનોલ્ડ્સ ફ્લુઇડ મિકેનિક્સ (Re = ρvD/μ) ની સંખ્યા અનુસાર, પ્રવાહ દરમાં વધારો ગેસ પ્રવાહ વેગમાં વધારો કરશે. જ્યારે Re > 2300 હોય છે, ત્યારે લેમિનર ફ્લો તોફાની પ્રવાહમાં ફેરવાય છે, જે પીગળેલા પૂલની સ્થિરતાને નષ્ટ કરશે. તેથી, પ્રયોગો અથવા સંખ્યાત્મક સિમ્યુલેશન (જેમ કે CFD) દ્વારા નિર્ણાયક પ્રવાહ દરના નિર્ધારણનું વિશ્લેષણ કરવાની જરૂર છે.

આકૃતિ 2. વેલ્ડ સીમ પર વિવિધ ગેસ પ્રવાહ દરોની અસરો

ફ્લો ઑપ્ટિમાઇઝેશનને સામગ્રીની થર્મલ વાહકતા અને પ્લેટની જાડાઈ સાથે સંયોજનમાં ગોઠવવું જોઈએ:

• સ્ટીલ અને સ્ટેનલેસ સ્ટીલ માટે: પાતળા સ્ટીલ પ્લેટો (1-2 મીમી) માટે, પ્રવાહ દર પ્રાધાન્યમાં 10-15 લિટર/મિનિટ છે. જાડી પ્લેટો (>6 મીમી) માટે, પૂંછડીના ઓક્સિડેશનને દબાવવા માટે તેને 18-22 લિટર/મિનિટ સુધી વધારવો જોઈએ. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે 6 મીમી જાડા 316 લિટર સ્ટેનલેસ સ્ટીલનો પ્રવાહ દર 20 લિટર/મિનિટ હોય છે, ત્યારે HAZ કઠિનતાની એકરૂપતા 30% સુધરે છે.

• એલ્યુમિનિયમ એલોય માટે: ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતાને રક્ષણ સમય વધારવા માટે ઉચ્ચ પ્રવાહ દરની જરૂર પડે છે. 3 મીમી જાડા 7075 એલ્યુમિનિયમ એલોય માટે, જ્યારે પ્રવાહ દર 25-30 L/મિનિટ હોય ત્યારે છિદ્રાળુતા દર સૌથી ઓછો (0.3%) હોય છે. જોકે, અતિ-જાડી પ્લેટો (>10 મીમી) માટે, ટર્બ્યુલન્સ ટાળવા માટે સંયુક્ત બ્લોઇંગ સાથે જોડવું જરૂરી છે.

ફૂંકાતા ગેસ મોડનો પ્રભાવ

બ્લોઇંગ ગેસ મોડ ગેસ પ્રવાહની દિશા અને વિતરણને નિયંત્રિત કરીને પીગળેલા પૂલના પ્રવાહ પેટર્ન અને ખામી દમન અસરને સીધી અસર કરે છે. બ્લોઇંગ ગેસ મોડ સપાટીના તણાવના ઢાળ અને મેરાંગોની પ્રવાહ (મેરાંગોની પ્રવાહ) ને બદલીને પીગળેલા પૂલના પ્રવાહને નિયંત્રિત કરે છે. સાઇડવે બ્લોઇંગ પીગળેલા પૂલને ચોક્કસ દિશામાં પ્રવાહિત કરી શકે છે, છિદ્રો અને સ્લેગ સમાવેશ ઘટાડે છે; સંયુક્ત બ્લોઇંગ બહુ-દિશાત્મક ગેસ પ્રવાહ દ્વારા ઊર્જા વિતરણને સંતુલિત કરીને વેલ્ડ રચનાની એકરૂપતાને સુધારી શકે છે.

ફૂંકવાની મુખ્ય પદ્ધતિઓમાં શામેલ છે:

• કોએક્સિયલ બ્લોઇંગ: ગેસ ફ્લો લેસર બીમ સાથે કોએક્સિયલ રીતે આઉટપુટ થાય છે, જે પીગળેલા પૂલને સમપ્રમાણરીતે આવરી લે છે, જે હાઇ-સ્પીડ વેલ્ડીંગ માટે યોગ્ય છે. તેનો ફાયદો ઉચ્ચ પ્રક્રિયા સ્થિરતા છે, પરંતુ ગેસ ફ્લો લેસર ફોકસિંગમાં દખલ કરી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઓટોમોટિવ ગેલ્વેનાઈઝ્ડ સ્ટીલ શીટ (1.2 મીમી) પર કોએક્સિયલ બ્લોઇંગનો ઉપયોગ કરતી વખતે, વેલ્ડીંગ સ્પીડ 40 મીમી/સેકન્ડ સુધી વધારી શકાય છે, અને સ્પેટર રેટ 0.1 કરતા ઓછો છે.

• બાજુમાં ફૂંકાય છે: ગેસ પ્રવાહ પીગળેલા પૂલની બાજુથી રજૂ કરવામાં આવે છે, જેનો ઉપયોગ પ્લાઝ્મા અથવા નીચેની અશુદ્ધિઓને દિશાત્મક રીતે દૂર કરવા માટે થઈ શકે છે, જે ઊંડા ઘૂંસપેંઠ વેલ્ડીંગ માટે યોગ્ય છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે 12 મીમી જાડા Q345 સ્ટીલ પર 30° ના ખૂણા પર ફૂંકાય છે, ત્યારે વેલ્ડ પેનિટ્રેશન 18% વધે છે, અને નીચેની છિદ્રાળુતા દર 4% થી ઘટીને 0.8% થાય છે.

• સંયુક્ત બ્લોઇંગ: કોએક્સિયલ અને સાઇડવેઝ બ્લોઇંગને જોડીને, તે એકસાથે ઓક્સિડેશન અને પ્લાઝ્મા ઇન્ટરફેરન્સને દબાવી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ડબલ નોઝલ ડિઝાઇન સાથે 3 મીમી જાડા 6061 એલ્યુમિનિયમ એલોય માટે, છિદ્રાળુતા દર 2.5% થી ઘટાડીને 0.4% કરવામાં આવે છે, અને તાણ શક્તિ બેઝ મટિરિયલના 95% સુધી પહોંચે છે.

વેલ્ડીંગ ગુણવત્તા પર શિલ્ડિંગ ગેસનો પ્રભાવ મૂળભૂત રીતે તેના ઊર્જા સ્થાનાંતરણના નિયમન, પીગળેલા પૂલના થર્મોડાયનેમિક્સ અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ પર આધારિત છે:

1. ઉર્જા સ્થાનાંતરણ: હિલીયમની ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા પીગળેલા પૂલના ઠંડકને વેગ આપે છે, ગરમીથી પ્રભાવિત ઝોન (HAZ) ની પહોળાઈ ઘટાડે છે; આર્ગોનની ઓછી થર્મલ વાહકતા પીગળેલા પૂલના અસ્તિત્વના સમયને લંબાવે છે, જે પાતળા પ્લેટોની સપાટીની રચના માટે ફાયદાકારક છે.

2. પીગળેલા પૂલની સ્થિરતા: ગેસનો પ્રવાહ પીગળેલા પૂલના પ્રવાહને શીયર ફોર્સ દ્વારા અસર કરે છે, અને યોગ્ય પ્રવાહ દર સ્પેટરને દબાવી શકે છે; વધુ પડતો પ્રવાહ દર વમળનું કારણ બનશે, જે વેલ્ડ ખામીઓ તરફ દોરી જશે.

3. રાસાયણિક રક્ષણ: નિષ્ક્રિય વાયુઓ ઓક્સિજનને અલગ કરે છે અને એલોય તત્વો (જેમ કે Cr, Al) ના ઓક્સિડેશનને અટકાવે છે; સક્રિય વાયુઓ (જેમ કે N₂) ઘન દ્રાવણને મજબૂત બનાવવા અથવા સંયોજન રચના દ્વારા વેલ્ડ ગુણધર્મોમાં ફેરફાર કરે છે, પરંતુ સાંદ્રતાને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરવાની જરૂર છે.