Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पोस्ट-वेल्ड हीट ट्रीटमेंट विभिन्न कूलिंग स्थितियों और टूल की गति के तहत निर्मित AA7075 फ्रिक्शन स्टिर वेल्डेड जोड़ों की कठोरता, शक्ति और लचीलेपन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, हालांकि यह असामान्य ग्रेन ग्रोथ को रोकने में विफल रहता है और दोषपूर्ण जोड़ों का प्रदर्शन सीमित बना रहता है।
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कल्पना कीजिए कि आप धातु के दो टुकड़ों को जोड़ने के लिए गोंद का उपयोग करने के बजाय एक घूमने वाले उपकरण का उपयोग कर रहे हैं, जो उन्हें तब तक रगड़ता है जब तक कि वे गर्म और नरम होकर आपस में जुड़ न जाएं। इसे फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग (FSW) कहा जाता है, और यह एल्युमीनियम को जोड़ने के लिए एक पसंदीदा तरीका है, जो हवाई जहाजों और सोडा कैन में इस्तेमाल होने वाली हल्की धातु है। समस्या यह है कि यह प्रक्रिया धातु को इतना गर्म कर देती है कि यह एल्युमीनियम के भीतर उन सूक्ष्म, अदृश्य क्रिस्टलों को बिगाड़ देती है जो इसे मजबूती प्रदान करते हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे किसी पूरी तरह से व्यवस्थित बुकशेल्फ़ को तब तक हिलाना जब तक कि सारी किताबें एक अस्त-व्यस्त ढेर में न गिर जाएं। इस समस्या को ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर धातु को गर्मी की एक "नहाने की प्रक्रिया" देते हैं जिसे पोस्ट-वेल्ड हीट ट्रीटमेंट (PWCT) कहा जाता है। इसे एक 'रीसेट बटन' की तरह समझें जो क्रिस्टलों को पुनर्गठित करने और धातु की ताकत को बहाल करने की कोशिश करता है। हालांकि, इसमें एक पेंच है: कभी-कभी, जब आप रीसेट बटन दबाते हैं, तो क्रिस्टल केवल व्यवस्थित ही नहीं होते, बल्कि वे विशाल क्रिस्टल में बढ़ जाते हैं जो वास्तव में धातु को कमजोर या भंगुर बना सकते हैं। यह शोध एक विशिष्ट एल्युमीनियम मिश्र धातु (AA7075) का अन्वेषण करता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या हम टूल के घूमने की गति को बदलकर और धातु को पानी या तेल जैसे विभिन्न तरल पदार्थों में डुबोकर तेजी से ठंडा करके इन विशाल क्रिस्टलों को नियंत्रित कर सकते हैं।
मिलिट्री यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी, पोलैंड के शोधकर्ताओं ने इस एल्युमीनियम के साथ "क्या होगा अगर" का खेल खेलने का फैसला किया। उन्होंने AA7075 की चादरों को लिया और उन्हें एक घूमते हुए उपकरण का उपयोग करके अलग-अलग गति पर वेल्ड किया, जो 600 आरपीएम (rpm) की धीमी गति से लेकर 1400 आरपीएम तक थी। यह देखने के लिए कि क्या कूलिंग स्पीड मायने रखती है, उन्होंने केवल धातु को हवा में नहीं छोड़ा; उन्होंने धातु को पानी में, क्वेंचिंग ऑयल (quenching oil) में, या एक विशेष कूलिंग फ्लूइड में डूबाकर वेल्ड करने का प्रयास किया। वेल्डिंग पूरी होने के बाद, उन्होंने प्रत्येक जोड़ को एक विशिष्ट हीट ट्रीटमेंट दिया: उन्हें 470°C पर दो घंटे तक बेक किया और फिर 120°C पर 24 घंटे तक एजिंग (aging) की। यह वह "रीसेट बटन" वाला क्षण था।
परिणाम अच्छे समाचार और एक जिद्दी आश्चर्य का मिश्रण थे। सबसे पहले, हीट ट्रीटमेंट ने धातु को कठोर और मजबूत बनाने में कमाल कर दिया। उन जोड़ों के लिए जिनमें शुरुआत में कोई छेद या दरारें नहीं थीं, हीट ट्रीटमेंट ने धातु की झुकने के प्रति प्रतिरोध क्षमता (यील्ड स्ट्रेंथ) को 70% से अधिक और टूटने से पहले खिंचने की क्षमता (अल्टीमेट टेन्साइल स्ट्रेंथ) को लगभग 35% बढ़ा दिया। वास्तव में, मरम्मत किए गए सबसे मजबूत जोड़ मूल, बिना वेल्ड किए गए एल्युमीनियम शीट से भी अधिक मजबूत थे। हवा में वेल्ड किया गया और फिर हीट-ट्रीट किया गया धातु सुपरस्टार रहा; यह न केवल मजबूत हुआ बल्कि लगभग दोगुना लचीला भी हो गया, जिससे वह वेल्ड के बीच में टूटने के बजाय वेल्ड क्षेत्र के बाहर टूट गया।
हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि "विशाल क्रिस्टल राक्षसों" (एक घटना जिसे एब्नॉर्मल ग्रेन ग्रोथ या AGG कहा जाता है) को रोकने के उनके सबसे अच्छे प्रयासों का काम नहीं बना। चाहे उन्होंने टूल को कितनी भी तेजी से घुमाया हो या धातु को ठंडा करने के लिए पानी, तेल या हवा का उपयोग किया हो, विशाल क्रिस्टल वेल्ड के ऊपरी हिस्से (शोल्डर-ड्रिवन ज़ोन) में दिखाई दिए। कई मामलों में, वे वेल्ड के निचले हिस्से (पिन-ड्रिवन ज़ोन) में भी घुस गए। यह स्पष्ट है कि केवल धातु को तेजी से ठंडा करना या टूल को तेजी से घुमाना इन क्रिस्टलों को हीट ट्रीटमेंट के दौरान अनियंत्रित रूप से बढ़ने से रोकने के लिए पर्याप्त नहीं था।
इस प्रयोग का एक काला पक्ष भी था। जब शोधकर्ताओं ने क्वेंचिंग ऑयल का उपयोग किया, तो तेल धातु की परतों के अंदर फंस गया। जब उन्होंने बाद में धातु को बेक किया, तो फंसा हुआ तेल बाहर निकलने की कोशिश करने लगा, जिससे बुलबुले और दरारें पैदा हुईं जिन्होंने जोड़ को खराब कर दिया। ये दोषपूर्ण जोड़ कमजोर और भंगुर थे, चाहे हीट ट्रीटमेंट उन्हें कितना भी मजबूत बनाने की कोशिश क्यों न करे। इसी तरह, जब उन्होंने टूल को बहुत तेजी से (1200 या 1400 rpm) घुमाया, तो धातु में छेद और रिक्त स्थान (voids) बन गए, जिसने फिर से अंतिम उत्पाद को कमजोर बना दिया।
जब उन्होंने देखा कि धातु कैसे टूटा, तो उन्हें एक अराजक कहानी दिखाई दी। धातु केवल साफ तरीके से नहीं टूटा; इसमें क्रिस्टल सीमाओं के साथ टूटने (इंटरग्रेनुलर क्रैकिंग) और स्वयं क्रिस्टलों के माध्यम से फटने (डिम्पल्ड फ्रैक्चर) का मिश्रण दिखा। कभी-कभी, धातु के भीतर छोटे कण लंगर की तरह काम करते थे जो छेद बनने में मदद करते थे, जिससे टूट होता था। अध्ययन बताता है कि जबकि हीट ट्रीटमेंट धातु को मजबूत बनाता है, यह विशाल क्रिस्टलों के बढ़ने की अंतर्निहित समस्या को ठीक नहीं करता है, और यह वेल्डिंग प्रक्रिया के दौरान बने छेदों या दरारों को जादुई रूप से ठीक नहीं करता है। निष्कर्ष यह है कि हालांकि हम एल्युमीनियम को बहुत मजबूत बना सकते हैं, लेकिन हमने अभी तक एक सरल तरीका नहीं खोजा है जिससे हम वेल्ड के ऊपरी हिस्से पर विशाल क्रिस्टलों को कब्जा करने से रोक सकें, और हम निश्चित रूप से एक आदर्श जोड़ पाने के लिए धातु को ठंडा करने के लिए तेल का उपयोग नहीं कर सकते।
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