लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया पर परिरक्षण गैस मापदंडों का प्रभाव

लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया पर शील्डिंग गैस पैरामीटर्स का प्रभाव

01 परिचय

लेजर वेल्डिंग तकनीक, अपने उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ताप इनपुट और गैर-संपर्क विशेषताओं के कारण, आधुनिक सटीक विनिर्माण में मुख्य प्रक्रियाओं में से एक बन गई है। हालाँकि, वेल्डिंग के दौरान पिघले हुए पूल और वातावरण के बीच संपर्क के कारण होने वाला ऑक्सीकरण, सरंध्रता और तत्व हानि गंभीर रूप से वेल्ड के यांत्रिक गुणों और सेवा जीवन को प्रतिबंधित करती है। वेल्डिंग वातावरण को नियंत्रित करने के लिए मुख्य माध्यम के रूप में परिरक्षण गैस का चयन उसके प्रकार, प्रवाह दर और उड़ाने की विधि के आधार पर, सामग्री विशेषताओं (जैसे रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता और तापीय चालकता) और प्लेट की मोटाई के संयोजन में किया जाना चाहिए।

लेजर और इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण

02 प्रकार की परिरक्षण गैस

परिरक्षण गैस की प्राथमिक भूमिका ऑक्सीजन को अलग करना, पिघले हुए पूल व्यवहार को विनियमित करना और ऊर्जा युग्मन दक्षता में सुधार करना है। रासायनिक गुणों के आधार पर, परिरक्षण गैसों को अक्रिय गैसों (आर्गन, हीलियम) और सक्रिय गैसों (नाइट्रोजन, कार्बन डाइऑक्साइड) में वर्गीकृत किया जाता है। अक्रिय गैसों में उच्च रासायनिक स्थिरता होती है और वे पिघले हुए पूल के ऑक्सीकरण को प्रभावी ढंग से रोकते हैं, लेकिन उनके थर्मोफिजिकल अंतर वेल्डिंग परिणामों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं।

उदाहरण के लिए, आर्गन (Ar) में उच्च घनत्व (1.784 किग्रा/m³) होता है, जो एक स्थिर कवरेज परत बनाता है, लेकिन इसकी कम तापीय चालकता (0.0177 W/m·K) शीतलन को धीमा कर देती है और इसके परिणामस्वरूप कम प्रवेश होता है। इसके विपरीत, हीलियम (He) की तापीय चालकता 8 गुना अधिक (0.1513 W/m·K) है, जो शीतलन को तेज करती है और प्रवेश की गहराई को बढ़ाती है, लेकिन इसका कम घनत्व (0.1785 kg/m³) इसे छोड़ना आसान बनाता है, जिससे सुरक्षा बनाए रखने के लिए उच्च प्रवाह की आवश्यकता होती है।

सक्रिय गैसें, जैसे कि नाइट्रोजन (N₂), कुछ मामलों में ठोस घोल को मजबूत करके वेल्ड की ताकत में सुधार कर सकती हैं, लेकिन अत्यधिक उपयोग से सरंध्रता या भंगुर चरण वर्षा हो सकती है। उदाहरण के लिए, डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील वेल्डिंग के दौरान पिघले हुए पूल में नाइट्रोजन की घुसपैठ फेराइट/ऑस्टेनाइट चरण संतुलन को बाधित कर सकती है, जिससे संक्षारण प्रतिरोध कम हो सकता है।

[छवि: चित्र 1. लेजर वेल्डिंग 304एल स्टेनलेस स्टील, (शीर्ष) एआर सुरक्षा; (नीचे) N₂ सुरक्षा]

प्रक्रिया तंत्र के नजरिए से, हीलियम की उच्च आयनीकरण ऊर्जा (24.6 ईवी) प्लाज्मा परिरक्षण को दबा देती है, जिससे लेजर ऊर्जा अवशोषण और प्रवेश बढ़ जाता है। आर्गन, कम आयनीकरण ऊर्जा (15.8 eV) के साथ, आसानी से प्लाज्मा बादल उत्पन्न करता है, जिससे हस्तक्षेप को कम करने के लिए डीफोकसिंग या पल्स मॉड्यूलेशन की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, सक्रिय गैसें पिघले हुए पूल के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया कर सकती हैं (उदाहरण के लिए, N₂ स्टील में Cr के साथ नाइट्राइड बनाता है), वेल्ड संरचना को बदल देता है और सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है।

सामग्री अनुप्रयोग उदाहरण:
- स्टील: पतली शीट के लिए (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 मिमी), हीलियम जोड़ने से प्रवेश में सुधार होता है।
- स्टेनलेस स्टील: आर्गन सुरक्षा सीआर हानि को रोकती है। 3 मिमी मोटे 304 स्टेनलेस स्टील में, वेल्ड में सीआर सामग्री 18.2% (बेस मेटल में 18.5% के करीब) तक पहुंच जाती है। डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील को चरण संतुलन के लिए Ar{7}}N₂ मिश्रण (N₂ 5% से कम या उसके बराबर) की आवश्यकता होती है। शोध से पता चलता है कि 8 मिमी मोटे 2205 डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील के साथ, Ar-2%N₂ 48:52 का फेराइट/ऑस्टेनाइट अनुपात और 780 MPa की तन्य शक्ति बनाए रखता है, जो शुद्ध Ar (720 MPa) से बेहतर है।
- एल्यूमिनियम मिश्र धातु: पतली शीट के लिए (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 मिमी), हे-आर मिश्रण (3:1) पैठ और लागत को संतुलित करता है। उदाहरण के लिए, मिश्रित गैस के साथ 8 मिमी मोटी 5083 प्लेट की वेल्डिंग से 6.2 मिमी पैठ प्राप्त हुई, जो शुद्ध Ar से 35% अधिक गहरी है, जबकि लागत में 20% की कमी आई है।

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03 परिरक्षण गैस प्रवाह दर का प्रभाव

परिरक्षण गैस प्रवाह दर सीधे कवरेज क्षमता और पिघले हुए पूल द्रव गतिशीलता को प्रभावित करती है। अपर्याप्त प्रवाह हवा को पूरी तरह से अलग करने में विफल रहता है, जिससे ऑक्सीकरण और सरंध्रता होती है। अत्यधिक प्रवाह अशांति उत्पन्न कर सकता है, पिघले हुए पूल को खराब कर सकता है और अवसाद या छींटे पैदा कर सकता है। रेनॉल्ड्स संख्या (Re=ρvD/μ) के अनुसार, उच्च प्रवाह वेग बढ़ाता है, और जब Re > 2300, लामिना का प्रवाह अशांति में परिवर्तित हो जाता है, जिससे पिघला हुआ पूल अस्थिर हो जाता है। इस प्रकार, महत्वपूर्ण प्रवाह दर प्रयोगात्मक रूप से या सीएफडी सिमुलेशन द्वारा निर्धारित की जानी चाहिए।

[छवि: चित्र 2. वेल्ड पर विभिन्न परिरक्षण गैस प्रवाह दरों का प्रभाव]

प्रवाह को अनुकूलित करने में तापीय चालकता और प्लेट की मोटाई पर विचार करना चाहिए:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>ऑक्सीकरण को दबाने के लिए 6 मिमी), 18-22 एल/मिनट की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 6 मिमी मोटे 316L स्टेनलेस स्टील के साथ, 20 L/मिनट ने HAZ कठोरता एकरूपता में 30% सुधार किया।
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 मिमी, अशांति से बचने के लिए कंपाउंड ब्लोइंग आवश्यक है।

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04 परिरक्षण गैस उड़ाने के तरीकों का प्रभाव

उड़ाने की विधि, वायु प्रवाह की दिशा और वितरण को नियंत्रित करके, सीधे पिघले हुए पूल प्रवाह और दोष दमन को प्रभावित करती है। यह सतह तनाव प्रवणता और मारांगोनी प्रवाह को बदल देता है, जिससे पिघले हुए पूल की गतिशीलता को नियंत्रित किया जाता है। साइड ब्लोइंग दिशात्मक प्रवाह को प्रेरित करती है, सरंध्रता और समावेशन को कम करती है, जबकि कंपाउंड ब्लोइंग ऊर्जा वितरण को संतुलित करती है और वेल्ड एकरूपता में सुधार करती है।

[छवि: चित्र 3. वेल्ड पर विभिन्न उड़ाने के तरीकों का प्रभाव]

उड़ाने की मुख्य विधियाँ:
- समाक्षीय उड़ान: वायु प्रवाह लेजर बीम के साथ समाक्षीय है, सममित रूप से पिघले हुए पूल को कवर करता है, जो उच्च गति वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। यह उच्च प्रक्रिया स्थिरता सुनिश्चित करता है लेकिन लेजर फोकसिंग में हस्तक्षेप कर सकता है। उदाहरण के लिए, 1.2 मिमी गैल्वनाइज्ड ऑटोमोटिव स्टील के साथ, समाक्षीय ब्लोइंग ने स्पैटर के साथ वेल्डिंग गति को 40 मिमी/सेकेंड तक बढ़ा दिया<0.1.
- साइड से ब्लोइंग: एयरफ्लो साइड से प्रवेश करता है, प्लाज्मा और अशुद्धियों को प्रभावी ढंग से साफ करता है, जो गहरी पैठ वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। 12 मिमी मोटे Q345 स्टील के लिए 30 डिग्री की ओर से उड़ाने पर, प्रवेश 18% बढ़ गया, और सरंध्रता 4% से गिरकर 0.8% हो गई।
- कंपाउंड ब्लोइंग: समाक्षीय और साइड ब्लोइंग को मिलाकर, यह एक साथ ऑक्सीकरण और प्लाज्मा हस्तक्षेप को दबा देता है। दोहरे नोजल डिज़ाइन के साथ 3 मिमी मोटी 6061 एल्यूमीनियम मिश्र धातु के लिए, सरंध्रता 2.5% से घटकर 0.4% हो गई, तन्य शक्ति आधार सामग्री के 95% तक पहुंच गई।

05 निष्कर्ष

वेल्डिंग की गुणवत्ता पर परिरक्षण गैस का प्रभाव अनिवार्य रूप से ऊर्जा हस्तांतरण, पिघला हुआ पूल थर्मोडायनामिक्स और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के विनियमन से उत्पन्न होता है:
1. ऊर्जा हस्तांतरण: हीलियम की उच्च तापीय चालकता शीतलन को तेज करती है, जिससे HAZ की चौड़ाई कम हो जाती है; आर्गन की कम चालकता पिघले हुए पूल के जीवनकाल को बढ़ाती है, जिससे पतली शीट बनाने में लाभ होता है।
2. पिघला हुआ पूल स्थिरता: वायु प्रवाह कतरनी पिघले हुए पूल प्रवाह को प्रभावित करती है। उचित प्रवाह छींटे को दबा देता है, जबकि अत्यधिक प्रवाह भंवर और दोष का कारण बनता है।
3. रासायनिक सुरक्षा: निष्क्रिय गैसें ऑक्सीजन को अलग करती हैं, मिश्र धातु तत्वों (जैसे, सीआर, अल) के ऑक्सीकरण को रोकती हैं। सक्रिय गैसें (उदाहरण के लिए, N₂) ठोस समाधान को मजबूत करने या यौगिक निर्माण के माध्यम से वेल्ड गुणों को बदल देती हैं, लेकिन सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

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स्रोत: WeChat सार्वजनिक खाते की संपादकीय टीम द्वारा एकत्र किया गया "उच्च - ऊर्जा बीम प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी और अनुप्रयोग।"