Effect of Laser Beam Oscillation on Weld Bead Formation and Spatter Rate in Partial Penetration Welding of TC4 Titanium Alloy
यह अध्ययन 16 मिमी मोटी TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु के आंशिक प्रवेश वेल्डिंग (पार्शियल पेनेट्रेशन वेल्डिंग) के दौरान वेल्ड आकारिकी (मॉर्फोलॉजी) और स्पैटर दर पर लेजर बीम ऑसिलेशन मोड और मापदंडों के प्रभाव की जांच करता है, जिसमें न्यूनतम स्पैटर के साथ उच्च गुणवत्ता वाले वेल्ड प्राप्त करने के लिए 0.8 मिमी आयाम और 300 हर्ट्ज आवृत्ति वाले इन्फिनिटी ऑसिलेशन मोड को इष्टतम विन्यास के रूप में पहचाना गया है।
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भारी उद्योग और एयरोस्पेस की दुनिया में, टाइटेनियम अपनी अविश्वसनीय मजबूती और हल्के वजन के कारण एक पसंदीदा सामग्री है, फिर भी यह टुकड़ों को आपस में जोड़ने के मामले में एक जिद्दी चुनौती पेश करता है। जब इंजीनियर इस धातु की मोटी प्लेटों को वेल्ड करने की कोशिश करते हैं, तो लेजर बीम की तीव्र गर्मी पिघली हुई धातु को अप्रत्याशित रूप से व्यवहार करने के लिए मजबूर कर सकती है। अंतराल को भरने के लिए सुचारू रूप से बहने के बजाय, तरल धातु अक्सर बाहर की ओर छिटक जाती है, जिससे एक अस्त-व्यस्त सतह बन जाती है और पीछे छोटे छेद रह जाते हैं जिन्हें पोर (pores) कहा जाता है जो अंतिम संरचना को कमजोर कर देते हैं। यह विशेष रूप से मोटी परतों के लिए समस्याजनक है, जहाँ लक्ष्य नीचे से धातु को जलाए बिना उसे गहराई तक जोड़ना होता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी तकनीक के साथ प्रयोग करना शुरू कर दिया है जिसमें लेजर बीम को एक ही स्थान पर रखने के बजाय एक विशिष्ट पैटर्न में घुमाया जाता है, इस उम्मीद में कि पिघले हुए पूल के अराजक प्रवाह को नियंत्रित किया जा सके और एक स्वच्छ, मजबूत बंधन बनाया जा सके।
डालियन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी की एक टीम और एक स्थानीय विनिर्माण भागीदार ने TC4 टाइटेनियम मिश्र धातु की मोटी प्लेटों पर इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया, जो महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य ग्रेड है। उन्होंने 16 मिलीमीटर मोटी प्लेटों के साथ काम किया, जो एक पर्याप्त मोटाई है जिसके लिए वेल्ड करने हेतु महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या लेजर बीम को विभिन्न आकृतियों में घुमाने से वेल्ड की गुणवत्ता में सुधार हो सकता है और जोड़ से धातु के छिटकने की मात्रा को कम किया जा सकता है। उन्होंने मानक विधि, जहाँ लेजर स्थिर रहता है, की तुलना पांच अलग-अलग गतिशील पैटर्न से की: दक्षिणावर्त (clockwise) घूमते हुए वृत्त, वामावर्त (counter-clockwise) घूमते हुए वृत्त, आगे-पीछे सीधी रेखाएं, एक आठ (figure-eight) का आकार, और गणितीय प्रतीक 'इन्फिनिटी' (अनंत) जैसा दिखने वाला आकार। उन्होंने इन परीक्षणों को सख्त परिस्थितियों में संचालित किया, जिसमें एक शक्तिशाली लेजर और एक निरंतर गति का उपयोग किया गया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि परिणामों में कोई भी अंतर केवल बीम की गति के कारण हुआ है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि लेजर कैसे चलता है, इसका परिणाम पर गहरा प्रभाव पड़ता है। जब बीम स्थिर रहा, तो परिणामी वेल्ड अधिक खुरदरा था और इससे अधिक छीटें (splatter) पैदा हुईं। हालाँकि, जब बीम को गति में रखा गया, तो वेल्ड की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ। परीक्षण किए गए विभिन्न आकारों में, इन्फिनिटी पैटर्न सबसे प्रभावी साबित हुआ। यह विशिष्ट पथ वेल्ड के केंद्र में एक अनूठा ओवरलैप बनाता है जहाँ लेजर हर चक्र में एक ही स्थान से दो बार गुजरता है। यह दोहरा प्रहार एक स्थिर करने वाली शक्ति के रूप में कार्य करता है, जो लेजर द्वारा बनाए गए गहरे छेद, जिसे 'कीहोल' (keyhole) कहा जाता है, को स्थिर रखता है और उन हिंसक उतार-चढ़ावों को रोकता है जो आमतौर पर धातु को बाहर उड़ाने का कारण बनते हैं। इसके विपरीत, सीधी रेखा जैसे अन्य पैटर्न के कारण लेजर मुड़ने वाले बिंदुओं पर बहुत देर तक रुक जाता था, जिससे हॉट स्पॉट्स बन जाते थे जो दोषों और अधिक छीटों का कारण बनते थे।
बीम के घूमने के आकार के अलावा, गति और स्विंग (झूले) का आकार भी महत्वपूर्ण कारक थे। टीम ने पाया कि यदि बीम बहुत धीरे चलता है, यानी 200 स्विंग्स प्रति सेकंड से कम, या यदि स्विंग की चौड़ाई बहुत अधिक, यानी 0.8 मिलीमीटर से अधिक हो जाती है, तो लाभ समाप्त हो जाते हैं। इन मामलों में, पिघली हुई धातु फिर से अस्थिर हो गई, और सतह बड़ी बूंदों वाले उछले हुए धातु से ढक गई। इस विशिष्ट 16-मिलीमीटर मोटी टाइटेनियम के लिए 'स्वीट स्पॉट' (सर्वोत्तम स्थिति) 300 स्विंग्स प्रति सेकंड की आवृत्ति और 0.8 मिलीमीटर की स्विंग चौड़ाई पाई गई। इन सेटिंग्स पर, शोधकर्ताओं ने सबसे चिकनी वेल्ड सतह और छीटों के सबसे कम कण देखे। इन इष्टतम स्थितियों के तहत निर्मित वेल्ड न केवल अधिक साफ थे, बल्कि उनका आकार भी अधिक एकसमान था, जिसमें वे असमान उतार-चढ़ाव कम थे जो अक्सर मोटी प्लेट वेल्डिंग में देखे जाते हैं।
यह अध्ययन मोटी टाइटेनियम वस्तुओं को जोड़ने के तरीके में सुधार के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। इन्फिनिटी-आकार की गति को चुनकर और लेजर के स्विंग की गति और चौड़ाई को ट्यून करके, निर्माता न्यूनतम बर्बादी और कम दोषों के साथ उच्च गुणवत्ता वाला वेल्ड प्राप्त कर सकते हैं। इस दृष्टिकोण के लिए नए उपकरणों की आवश्यकता नहीं है, केवल मौजूदा लेजर के स्मार्ट उपयोग की आवश्यकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि मध्यम-मोटी टाइटेनियम प्लेटों के लिए, एक आदर्श वेल्ड की कुंजी लेजर के नृत्य की लय और सीमा में निहित है, जो यह सुनिश्चित करती है कि ऊर्जा इतनी समान रूप से वितरित हो कि धातु को पूरी तरह से पिघलाया जा सके बिना उसे इतनी हिंसक रूप से विचलित किए कि वह बिखर जाए। संरचनात्मक अखंडता पर निर्भर उद्योगों के लिए इस स्तर का नियंत्रण आवश्यक है, जो अधिक मजबूत, अधिक विश्वसनीय घटक बनाने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है।
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