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अमूर्त
टंगस्टन, अपने उच्च गलनांक, अच्छी तापीय चालकता और कम हाइड्रोजन प्रतिधारण के कारण, परमाणु संलयन रिएक्टरों में प्लाज्मा उन्मुख घटकों के लिए एक आदर्श सामग्री है। हालाँकि, इसकी आंतरिक भंगुरता और उच्च नमनीय भंगुर संक्रमण तापमान (DBTT) इसे लेजर प्रसंस्करण के दौरान टूटने के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बनाता है। यह मूल रूप से अत्यधिक उच्च शीतलन दर और तापमान प्रवणता के कारण होता है जिससे थर्मल तनाव और अनाज सीमा कमजोर हो जाती है। क्रैकिंग को दबाने के मौजूदा तरीकों में सब्सट्रेट प्रीहीटिंग, नैनोकण मिश्रधातु और स्पंदित लेजर शामिल हैं, लेकिन इन तरीकों में पाउडर गिरावट, संरचनागत परिवर्तन या बढ़ी हुई सरंध्रता जैसी सीमाएं हैं। हाल के वर्षों में, लेज़र बीम शेपिंग (जैसे रिंग बीम) का उपयोग पीक पावर घनत्व को कम करने, गहरी पैठ वेल्डिंग को थर्मली कंडक्टिव वेल्डिंग में बदलने, तापमान ग्रेडिएंट्स और शीतलन दरों को प्रभावी ढंग से कम करने के लिए किया गया है। लेजर बीम दोलन पिघले हुए पूल को हिला सकता है, गर्मी इनपुट को और अधिक समरूप बना सकता है, और समअक्षीय अनाज निर्माण को बढ़ावा दे सकता है। दोनों विधियां थर्मोडायनामिक नियंत्रण पर आधारित हैं और इनमें पूरक तंत्र हैं। यह पेपर बिना प्रीहीटिंग या संशोधन के शुद्ध टंगस्टन की दोहराने योग्य दरार मुक्त वेल्डिंग प्राप्त करने के लिए उन्हें संयोजित करने का प्रस्ताव करता है। दरारें, पिघले हुए पूल और माइक्रोस्ट्रक्चर पर बीम आकार और दोलन मापदंडों के प्रभावों का व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया जाता है, जो बाद के योजक निर्माण के लिए एक संदर्भ प्रदान करता है।
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सिंहावलोकन
इस अध्ययन ने व्यवस्थित रूप से विभिन्न दोलन मापदंडों के तहत शुद्ध टंगस्टन पतली प्लेटों में एकल - पास वेल्ड के क्रैकिंग व्यवहार पर तीन लेजर बीम आकृतियों गाऊसी बीम, रिंग कोर वितरण (आरसी 80/20), और कुंडलाकार बीम {{3} के प्रभावों की तुलना की। थर्मोफिजिकल सिमुलेशन, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी विश्लेषण और ईबीएसडी लक्षण वर्णन को मिलाकर, मैक्रोस्कोपिक क्रैक आंकड़ों और पिघले हुए पूल ज्यामिति से लेकर सूक्ष्म अनाज संरचना तक एक बहु-स्तरीय विश्लेषण किया गया था। प्रयोगात्मक परिणामों से पता चलता है कि गॉसियन बीम, अपनी अत्यधिक उच्च शिखर शक्ति के कारण, आसानी से एक गहरा और संकीर्ण पिघला हुआ पूल (गहराई{8}}से-चौड़ाई अनुपात > 1) बनाता है, जिससे गंभीर दरारें पड़ जाती हैं, दरार मुक्त दर केवल 36% होती है। इसके विपरीत, कुंडलाकार और आरसी 80/20 बीम, चरम शक्ति घनत्व को कम करके, पिघले हुए पूल को चौड़ा और उथला करते हैं, जिससे तापमान प्रवणता और शीतलन दर काफी कम हो जाती है। आरसी 80/20 बीम अकेले 80% की दरार मुक्त दर प्राप्त कर सकता है। इस आधार पर निर्माण करते हुए, लेज़र बीम दोलन के जुड़ने से सभी बीम प्रकारों में क्रैकिंग कम हो गई, जिसका पहलू अनुपात आम तौर पर 1 से नीचे चला गया। आरसी 80/20 और दोलन के संयोजन ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, जिससे 55 पैरामीटर सेटों में 91% दरार मुक्त दर प्राप्त हुई। इसके अलावा, इसके परिणामस्वरूप पिघले हुए पूल के भीतर बड़े समअक्षीय क्रिस्टल का निर्माण हुआ, जो 45% तक की सिम्युलेटेड शीतलन दर में कमी से मेल खाता है। अंतिम सांख्यिकीय विश्लेषण से पता चला कि बीम आकार, लेजर शक्ति और स्कैनिंग गति दरार की शुरुआत को प्रभावित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर थे, जबकि दोलन आवृत्ति और आयाम का इस अध्ययन के दायरे में कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं था। यह दर्शाता है कि बीम को आकार देने और दोलन की संयुक्त रणनीति बिना प्रीहीटिंग या सामग्री संशोधन के टंगस्टन की दोहराने योग्य दरार मुक्त वेल्डिंग प्राप्त कर सकती है।
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ग्राफ़िक विश्लेषण
चित्र 1 के ऊपरी बाएं कोने में डेटा से पता चलता है कि, समान स्पॉट व्यास (202 माइक्रोन) और प्रक्रिया स्थितियों के तहत, आरसी 80/20 बीम का तापमान ढाल जी गॉसियन बीम की तुलना में काफी कम है, जबकि विकास दर आर थोड़ा अधिक है। कुंजी ऊपरी दाएं कोने में शीतलन दर गणना परिणामों में निहित है। - आरसी 80/20 बीम की शीतलन दर समान स्पॉट व्यास के साथ गॉसियन बीम की तुलना में लगभग 40% कम हो जाती है, और कुंडलाकार बीम के लिए लगभग 45% कम हो जाती है। नीचे दिया गया सिम्युलेटेड पिघला हुआ पूल क्रॉस अनुभाग भी इसे स्पष्ट रूप से दर्शाता है: आकार के बीम का पिघला हुआ पूल व्यापक और उथला है। यह डेटा सीधे तौर पर बताता है कि क्यों बीम को आकार देने से थर्मल तनाव प्रेरित दरारों को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, जो थर्मोडायनामिक परिप्रेक्ष्य से बाद के प्रयोगों के लिए मजबूत समर्थन प्रदान करता है।
चित्र 2 एक गाऊसी किरण से मेल खाता है। बिना दोलन के, एक अनुदैर्ध्य दरार पूरे वेल्ड में प्रवेश कर जाती है। हालाँकि, दोलन के जुड़ने से, समान रेखा ऊर्जा घनत्व पर भी, दरार पूरी तरह से गायब हो जाती है। चित्र 3 आरसी 80/20 बीम से मेल खाता है। दोलन के बिना, उच्च रेखा ऊर्जा घनत्व पर एक दरार अभी भी मौजूद है। दोलन जोड़ने से दरार पूरी तरह समाप्त हो जाती है। यह पूरी तरह से दर्शाता है कि बीम के आकार की परवाह किए बिना, दोलन दरारों को प्रभावी ढंग से दबा सकता है। तंत्र यह है कि बीम दोलन पिघले हुए पूल को हिलाता है, जिससे ताप इनपुट अधिक समान हो जाता है। मूल रूप से संकीर्ण और गहरे पिघले हुए पूल को काफी चौड़ा कर दिया गया है, और गहराई से {{13} चौड़ाई का अनुपात 1 से नीचे चला गया है। वेल्डिंग मोड गहरी प्रवेश वेल्डिंग से गर्मी चालन वेल्डिंग में बदल जाता है, जिससे थर्मल तनाव जारी होता है।
चित्र 4 सूक्ष्म संरचनात्मक स्तर पर प्रसंस्करण रणनीति के प्रभाव को मापता है। बाईं ओर से पता चलता है कि गॉसियन बीम (93 μm) का औसत अनाज का आकार केवल 10.2 μm है; अकेले आरसी 80/20 (202 μm) का उपयोग करने से यह 14.3 μm तक बढ़ जाता है; और जब आरसी 80/20 को दोलन के साथ जोड़ा जाता है, तो दाने और मोटे हो जाते हैं, जो शीतलन दर में 45% की कमी के सिमुलेशन परिणाम से पूरी तरह मेल खाता है। दाईं ओर पहलू अनुपात डेटा से पता चलता है कि आकार और दोलन संयोजन के दाने समअक्ष (1 के करीब अनुपात) के करीब हैं, जबकि गॉसियन बीम के दाने स्पष्ट रूप से स्तंभ (अनुपात बड़ा) हैं। उच्च अनुपात और समअक्षीय कणों की अधिक संख्या का मतलब है कि सामग्री के यांत्रिक गुण अधिक आइसोट्रोपिक हैं, और दरार प्रसार के लिए इसका प्रतिरोध अधिक मजबूत है, इस प्रकार यह स्पष्ट होता है कि माइक्रोस्ट्रक्चरल स्तर पर दरारें प्रभावी ढंग से क्यों दबा दी जाती हैं।
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सारांश
यह अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि लेजर बीम को आकार देने और दोलन की एक संयुक्त रणनीति बिना प्रीहीटिंग या सामग्री संशोधन के शुद्ध टंगस्टन की दोहराने योग्य दरार मुक्त वेल्डिंग प्राप्त कर सकती है। परीक्षण किए गए मापदंडों में से, आरसी 80/20 रिंग कोर बीम ने दोलन के साथ मिलकर सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त किए, 91% की दरार मुक्त दर प्राप्त की, जो गॉसियन बीम के 36% से काफी अधिक है। यह संयोजन चरम शक्ति घनत्व को कम करके और पिघले हुए पूल को हिलाकर, वेल्डिंग मोड को गर्मी में परिवर्तित करके वेल्डिंग का संचालन करके, शीतलन दर को 45% तक कम करके और बड़े समतुल्य क्रिस्टल के निर्माण को बढ़ावा देकर दरारों को प्रभावी ढंग से दबा देता है। बीम आकार, लेजर शक्ति और स्कैनिंग गति प्रमुख प्रभावित करने वाले पैरामीटर हैं, जबकि दोलन आवृत्ति और आयाम का बहुत कम प्रभाव पड़ता है। भविष्य के अनुसंधान को मल्टी-लेयर, मल्टी-पास लेमिनेशन और वास्तविक पीबीएफ-एलबी/एम विनिर्माण में इस रणनीति की प्रयोज्यता को और अधिक सत्यापित करने की आवश्यकता है।
