Compressive Load-bearing Capacity of Laser-arc Hybrid Welded Corner Joint Members

स्टील के पुल इंजीनियरिंग के चमत्कार हैं, लेकिन उनकी मजबूती उस चीज़ पर निर्भर करती है जो अदृश्य और अक्सर समस्या पैदा करने वाली होती है: वे वेल्ड जो उन्हें एक साथ जोड़कर रखते हैं। जब धातु की प्लेटों को जोड़ा जाता है, तो वेल्डिंग की तीव्र ऊष्मा धातु को फैलने का कारण बनती है और फिर ठंडा होने पर सिकुड़ने का भी। यह प्रक्रिया छिपे हुए तनाव को पीछे छोड़ देती है और धातु को विकृत कर सकती है, जिससे सूक्ष्म मोड़ या घुमाव पैदा हो सकते हैं जो काम शुरू होने से पहले वहां नहीं थे। पुलों में उपयोग किए जाने वाले विशाल स्टील के सदस्यों के लिए, ये सूक्ष्म खामियां महत्वपूर्ण होती हैं। वे भारी भार उठाने की संरचना की क्षमता को कमजोर कर सकती हैं, विशेष रूप से तब जब पुल यातायात के वजन से नीचे की ओर दबा जा रहा हो। इंजीनियर लंबे समय से मानक आर्क वेल्डिंग का उपयोग करते रहे हैं, जो एक विश्वसनीय विधि है जिसमें इलेक्ट्रिक आर्क के साथ धातु को पिघलाना शामिल है। हालांकि, मोटी स्टील प्लेटों के लिए, इस प्रक्रिया में अक्सर कई पास (passes) की आवश्यकता होती है, जिसमें बार-बार गर्मी की परतें चढ़ाई जाती हैं, जिससे काफी अधिक विरूपण और तनाव जमा हो सकता है। एक नई तकनीक, लेजर-आर्क हाइब्रिड वेल्डिंग, इसे हल करने का वादा करती है क्योंकि यह एक लेजर की गहरी, केंद्रित शक्ति को इलेक्ट्रिक आर्क की अंतराल भरने की क्षमता के साथ जोड़ती है, जो संभावित रूप से बहुत कम ऊष्मा के साथ कहीं अधिक मजबूत जोड़ बना सकती है।

टोक्यो विश्वविद्यालय, ओसाका विश्वविद्यालय और IHI कॉर्पोरेशन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने जापानी पुलों में उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट प्रकार के उच्च-प्रदर्शन वाले स्टील, जिसे SBHS500 के रूप में जाना जाता है, पर इस वादे का परीक्षण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने कॉर्नर जॉइंट्स पर ध्यान केंद्रित किया, जो एल-आकार के कनेक्शन हैं जहाँ दो स्टील प्लेटें मिलती हैं, जो पुल निर्माण के महत्वपूर्ण घटक हैं। टीम ने पारंपरिक विधि, जिसके लिए मोटी प्लेटों को पूरी तरह से जोड़ने के लिए आर्क वेल्डिंग के चार अलग-अलग पास की आवश्यकता थी, की तुलना नई हाइब्रिड विधि से की, जिसका लक्ष्य यही काम एक ही पास में करना था। उन्होंने ऐसे दर्जनों स्टील कॉर्नर्स बनाए, उन्हें सटीक मापों के अधीन किया, और शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह ट्रैक किया जा सके कि ऊष्मा धातु के माध्यम से कैसे चलती है और यह आकार को कैसे बदलती है। उनका लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि नई विधि काम करती है या नहीं, बल्कि यह समझना भी था कि यह छिपे हुए तनाव और स्टील के भौतिक आकार को ठीक से कैसे बदलती है, और क्या वे परिवर्तन दबाव के तहत ब्रिज के सदस्यों को मजबूत या कमजोर बनाते हैं।

परिणामों ने दोनों विधियों के बीच एक नाटकीय अंतर प्रकट किया। पारंपरिक आर्क वेल्डिंग प्रक्रिया को भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता थी, जिसने इसके चार पासों में वेल्ड की लंबाई प्रति मिलीमीटर 7,652 जूल की कुल ऊष्मा इनपुट प्रदान की। इसके विपरीत, लेजर-आर्क हाइब्रिड वेल्डिंग ने स्टील प्लेटों के समान पूर्ण प्रवेश प्राप्त करने के लिए केवल 614 जूल प्रति मिलीमीटर का उपयोग किया, जो एक एकल पास था जिसने एक-दशांश से भी कम ऊर्जा का उपयोग किया। इस ऊष्मा में कमी का स्टील के भौतिक आकार पर तत्काल और दृश्य प्रभाव पड़ा। पारंपरिक जोड़ काफी विकृत हो गए, जो एक तरफ 2.37 मिलीमीटर और दूसरी तरफ 1.87 मिलीमीटर तक अपने इच्छित समतल तल से मुड़ गए। हालांकि, हाइब्रिड-वेल्डेड जोड़ उल्लेखनीय रूप से सीधे रहे, जिनका अधिकतम झुकाव लगभग 70 प्रतिशत कम रहा, जो क्रमशः केवल 0.67 मिलीमीटर और 0.47 मिलीमीटर था। शोधकर्ताओं ने पाया कि लेजर की तीव्र, स्थानीयकृत ऊष्मा ने एक संकीर्ण, गहरा वेल्ड बनाया जो जल्दी से ठंडा हो गया, जिससे बड़े पैमाने पर सिकुड़ने और मुड़ने की प्रक्रिया रुक गई जो धीमी, मल्टी-पास आर्क विधि के कारण होती थी।

दृश्य आकार के अलावा, शोधकर्ताओं ने धातु के भीतर फंसे अदृश्य बलों को भी मापा, जिन्हें अवशिष्ट तनाव (residual stress) के रूप में जाना जाता है। ये आंतरिक दबाव हैं जो वेल्डिंग समाप्त होने के बाद शेष रह जाते हैं, जो धातु के सिकुड़ने की कोशिश करने लेकिन आसपास की ठंडी सामग्री द्वारा रोके जाने के कारण उत्पन्न होते हैं। पारंपरिक आर्क-वेल्डेड कोनों में, स्टील की सतह महत्वपूर्ण संपीड़न तनाव (compressive stress) के अधीन थी, जो 307.8 न्यूटन प्रति वर्ग मिलीमीटर के स्तर तक पहुँच गई थी। हाइब्रिड-वेल्डेड कोनों ने बहुत ही सौम्य आंतरिक स्थिति दिखाई, जिसमें अधिकतम संपीड़न तनाव लगभग 50 प्रतिशत कम होकर 143.3 न्यूटन प्रति वर्ग मिलीमीटर हो गया। कंप्यूटर सिमुलेशन ने, जिसने ऊष्मा के प्रवाह और धातु के परमाणुओं की गति को मॉडल किया था, इन निष्कर्षों की पुष्टि की, और भौतिक प्रयोगों में देखे गए तापमान परिवर्तनों और परिणामी विरूपणों को सटीक रूप से पुनरुत्पादित किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि हाइब्रिड प्रक्रिया ने एक सरल, अधिक समान थर्मल इतिहास बनाया, जिसने धातु को कम आंतरिक संघर्षों के साथ एक अधिक स्थिर आकार में बसने की अनुमति दी।

यह समझने के लिए कि इन भौतिक और आंतरिक परिवर्तनों ने वास्तव में ब्रिज के सदस्यों की ताकत को कैसे प्रभावित किया, टीम ने पिछले संपीड़न परीक्षणों के डेटा को देखा जहाँ इन समान प्रकार के जोड़ों को उनकी सीमा तक दबाया गया था। हाइब्रिड विधि से बने जोड़ अधिक सख्त (stiffer) थे, जो पारंपरिक जोड़ों की तुलना में लगभग 24 प्रतिशत अधिक लोचदार कठोरता (elastic stiffness) के साथ विरूपण का विरोध करते थे। यह बढ़ी हुई कठोरता इस बात का सीधा परिणाम है कि हाइब्रिड जोड़ अधिक सीधे हैं और उनमें भार के तहत सुधार करने के लिए शुरुआती मोड़ कम हैं। अधिकतम वजन के मामले में जिसे वे विफल होने से पहले सहन कर सकते हैं, हाइब्रिड जोड़ों ने पारंपरिक जोड़ों के समान या उनसे थोड़ा बेहतर प्रदर्शन किया, जो आर्क-वेल्डेड संस्करणों के 1,280 किलोन्यूटन की तुलना में औसतन 1,343 किलोन्यूटन का अधिकतम भार वहन कर सके। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि हाइब्रिड विधि ने अंतिम टूटने के बिंदु को नाटकीय रूप से नहीं बढ़ाया, इसने जोड़ों की सटीकता और स्थिरता में काफी सुधार किया। ऊष्मा इनपुट को कम करके, हाइब्रिड प्रक्रिया ने उस वार्पिंग और आंतरिक तनाव को न्यूनतम किया जो एक संरचना को कमजोर कर सकता है, जिससे स्टील ब्रिज के सदस्यों को उनकी भार वहन क्षमता से समझौता किए बिना अधिक आयामी रूप से सटीक और यांत्रिक रूप से विश्वसनीय बनाने का एक तरीका मिलता है।