Spatial characteristic of temperature distribution and material flow behaviors during bobbin tool friction stir welding: a computational fluid dynamics study
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए एक पूर्णतः युग्मित थर्मो-मैकेनिकल-फ्लुइड कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स मॉडल स्थापित करता है कि एक फ्रंट-पीक्ड कॉन्टैक्ट प्रेशर मॉडल बॉबिन टूल फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग में असममित तापमान वितरण और जटिल सामग्री प्रवाह व्यवहारों की सबसे सटीक भविष्यवाणी करता है, जो यह प्रकट करता है कि टूल के आगे के उच्च-दबाव क्षेत्र गर्म सामग्री को एडवांन्सिंग साइड से रिट्रीटिंग साइड की ओर संचालित करते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप दो मोटी धातु की चादरों को बिना पिघलाए आपस में जोड़ने की कोशिश कर रहे हैं। यह फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग (friction stir welding) की चुनौती है, एक ऐसी तकनीक जहाँ एक घूमता हुआ उपकरण एक विशाल, अत्यधिक गर्म सुई की तरह काम करता है, जो धातु को तब तक गूंथता है जब तक कि वह गर्म मिट्टी की तरह बहने के लिए पर्याप्त नरम न हो जाए। आमतौर पर, इस प्रक्रिया के लिए धातु के नीचे एक ठोस, अचल ब्लॉक की आवश्यकता होती है जिसे धातु को दबाने के लिए सहारा मिले, ठीक वैसे ही जैसे एक दर्जी को सिलने के लिए एक सख्त सतह की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होगा यदि आप एक खोखली नली या एक जटिल वक्र (curve) को वेल्ड कर रहे हों जहाँ बैकअप ब्लॉक के लिए कोई जगह न हो? इंजीनियरों ने 'बॉबिन टूल वेल्डिंग' (bobkin tool welding) नामक एक चतुर समाधान विकसित किया। एक एकल उपकरण के नीचे दबाने के बजाय, वे एक विशेष उपकरण का उपयोग करते हैं जिसमें दो कंधे (shoulders) होते हैं, एक ऊपर और एक नीचे, जो धातु को दोनों तरफ से आपस में जकड़ लेते हैं। यह धातु को हवा में ही वेल्ड करने की अनुमति देता है, जिससे ईंधन टैंकों या विमान के ढांचे जैसी बड़ी, खोखली संरचनाओं के निर्माण का मार्ग प्रशस्त होता है। हालाँकि, क्योंकि यह विधि गर्मी को अलग तरह से कैद करती है और मानक संस्करण की तुलना में सामग्री को अधिक जटिल तरीके से संचालित करती है, इसलिए वैज्ञानिक यह अनुमान लगाने में संघर्ष करते रहे हैं कि वेल्ड के अंदर धातु वास्तव में कैसा व्यवहार करती है।
त्सिंहहुआ विश्वविद्यालय और कैपिटल एयरोस्पेस मशीनरी कंपनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विस्तृत डिजिटल मानचित्र बनाकर इस रहस्य को सुलझाने का बीड़ा उठाया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के एल्युमीनियम मिश्र धातु, 2219-T8 पर ध्यान केंद्रित किया, जिसका उपयोग आमतौर पर एयरोस्पेस में किया जाता है। वेल्ड के भीतर क्या होता है, इसे समझने के लिए, उन्होंने एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जिसने गर्म धातु को एक ठोस के रूप में नहीं, बल्कि एक गाढ़े, धीरे-धीरे बहने वाले तरल के रूप में माना। इस दृष्टिकोण ने उन्हें यह ट्रैक करने की अनुमति दी कि कैसे गर्मी और दबाव सामग्री के माध्यम से चलते हैं जब उपकरण 300 चक्कर प्रति मिनट (rpm) की गति से घूमता है और 250 मिलीमीटर प्रति मिनट की गति से आगे बढ़ता है। उनकी सफलता की कुंजी यह पता लगाना था कि उपकरण धातु पर कितनी जोर से दबाव डालता है। अतीत में, कई मॉडलों ने माना कि यह दबाव हर जगह समान होता है, जैसे बिस्तर पर समान रूप से बिछाया गया कंबल। लेकिन शोधकर्ताओं को संदेह था कि वास्तविकता अधिक असमान है, जिसमें उपकरण धातु में घुसते समय सामने के किनारे पर अधिक दबाव डालता है और पीछे जाते समय कम।
इसकी जांच करने के लिए, टीम ने अपने सिमुलेशन के तीन अलग-अलग संस्करण चलाए। पहले ने माना कि दबाव पूरी तरह से समान है। दूसरे ने माना कि दबाव उपकरण के पीछे सबसे अधिक है। तीसरे, और सबसे अभिनव, ने माना कि दबाव सामने की ओर सबसे अधिक है, जहाँ उपकरण पहली बार धातु से मिलता है। इसके बाद उन्होंने अपने डिजिटल प्रयोगों के परिणामों की तुलना वास्तविक दुनिया के परीक्षणों से की, जहाँ उन्होंने धातु की प्लेटों को वास्तव में वेल्ड किया और सेंसर के साथ तापमान को मापा। परिणाम चौंकाने वाले थे। जिस मॉडल ने समान दबाव माना था, जिस पर पिछले कई अध्ययन निर्भर रहे थे, वह वास्तविकता से मेल खाने में विफल रहा। इसने भविष्यवाणी की कि वेल्ड का वह हिस्सा जो उपकरण के घूमने की दिशा में है, अधिक गर्म होगा, लेकिन वास्तविक माप ने इसके विपरीत दिखाया: उपकरण के घूमने के विरुद्ध जाने वाला हिस्सा काफी अधिक गर्म था। वह मॉडल भी विफल रहा जिसने पीछे की ओर उच्च दबाव माना था। केवल उस मॉडल ने, जिसने उपकरण के सामने की ओर उच्चतम दबाव रखा था, तापमान रीडिंग का सटीक अनुमान लगाया, जो वास्तविक दुनिया के प्रयोगों से लगभग पूरी तरह मेल खाता था।
इस खोज ने गर्मी को चलाने वाले एक छिपे हुए तंत्र का खुलासा किया। जब उपकरण सामने की ओर धातु पर सबसे अधिक दबाव डालता है, तो यह तीव्र घर्षण और गर्मी का क्षेत्र बनाता है। जैसे ही उपकरण घूमता है, यह अत्यधिक गर्म धातु चारों ओर घूम जाती है और घूमने के विरुद्ध जाने वाले पक्ष की ओर धकेल दी जाती है। यह गर्म सामग्री का प्रवाह है, जो सामने के उच्च दबाव द्वारा संचालित होता है, जो वेल्ड के दूसरे हिस्से को अधिक गर्म बनाता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि जोड़ के भीतर धातु कैसे चलती है। उन्होंने पाया कि सामग्री केवल एक साधारण घेरे में नहीं घूमती है। इसके बजाय, यह उपकरण के ठीक सामने एक पतली, तेज़ गति वाली परत बनाती है, जबकि पीछे चलने वाली सामग्री धीमी गति से चलती है लेकिन एक बड़े क्षेत्र में फैल जाती है। ऊर्ध्कीय (vertical) दिशा में, धातु उपकरण के चारों ओर एक लूप में बहती है, जो प्लेट की मोटाई के मध्य की ओर अभिसरित (converge) होती है। यह जटिल गति सुनिश्चित करती है कि वेल्ड मजबूत और दोषों से मुक्त हो, लेकिन यह तभी सही ढंग से होता है जब दबाव वितरण का सटीक मॉडल बनाया जाता है।
अपने निष्कर्षों को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने वेल्डिंग से पहले दो धातु की प्लेटों के बीच एक बहुत ही पतली तांबे की शीट डाली। प्रक्रिया पूरी होने के बाद, उन्होंने एक्स-रे का उपयोग करके यह देखा कि तांबा अंततः कहाँ पहुँचा। तांबा एक ट्रेसर (tracer) के रूप में कार्य करता था, जिसने धातु के सटीक पथ को दिखाया। उच्च-दबाव-सामने-वाले मॉडल वाले सिमुलेशन ने तांबे के अंतिम स्थान की उल्लेखनीय सटीकता के साथ भविष्यवाणी की, जिससे पता चला कि यह एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में अधिक फैला हुआ है, जैसा कि एक्स-रे ने भी दिखाया। अन्य मॉडलों ने तांबे को गलत स्थानों पर रखा, जिससे सिद्ध हुआ कि वे प्रवाह की वास्तविक प्रकृति को समझने में चूक गए। यह जानकर कि उपकरण सामने की ओर सबसे अधिक दबाव डालता है, इंजीनियर अब इन जटिल वेल्डों में गर्मी और धातु के व्यवहार की बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं। यह ज्ञान विमानों और अंतरिक्ष यान के लिए मजबूत, सुरक्षित खोखली संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि वेल्ड के भीतर के अदृश्य बलों को उन दृश्य उपकरणों के समान ही सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सके जो उन्हें बनाते हैं।
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