Residual Stress and Distortion Analysis Of Saph540 U-Channel in MIG Welding Using a Finite Element Approach

भारी ट्रकों की दुनिया में, एयर स्प्रिंग एक महत्वपूर्ण घटक है, जो एक कुशन के रूप में कार्य करता है जो वाहन को स्थिर रखने और कार्गो को सुरक्षित रखने के लिए सड़क के ऊबड़-खाबड़ झटकों को सोख लेता है। इन वाहनों को कुशलतापूर्वक चलाने के लिए, निर्माता लगातार इन पुर्जों को स्थानीय स्तर पर बनाने के तरीके खोजते हैं, लेकिन वे अक्सर एक बाधा का सामना करते हैं: आवश्यक कच्चा माल कभी-कभी केवल बहुत बड़ी मात्रा में उपलब्ध होता है जिसे छोटे कारखाने वहन नहीं कर सकते। जब कोई कंपनी पैसा बचाने के लिए किसी अलग, अधिक सुलभ सामग्री पर स्विच करने की कोशिश करती है, तो वे एक नई समस्या का सामना करती है। धातु के टुकड़ों को आपस में जोड़ने की प्रक्रिया, जिसे वेल्डिंग कहा जाता है, में तीव्र ऊष्मा शामिल होती है। यह ऊष्मा समान रूप से नहीं फैलती है; यह तेजी से विस्तार और संकुचन का एक चक्र बनाती है जो धातु में छिपे हुए आंतरिक तनाव छोड़ देती है, जिसे अवशिष्ट प्रतिबल (रेसिड्यूअल स्ट्रेस) कहा जाता है, और इसके कारण अंतिम आकार विकृत या मुड़ सकता है। यदि ये छिपे हुए बल बहुत अधिक हैं, तो दबाव में हिस्सा टूट या विफल हो सकता है। किसी विशिष्ट प्रकार के स्टील को बिना विकृत किए जोड़ने के लिए कितनी ऊष्मा की आवश्यकता है, इसे समझना सुरक्षित और विश्वसनीय वाहन बनाने के लिए आवश्यक है।

गज्जा महाराज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट सामग्री पर ध्यान केंद्रित करके इस चुनौती का समाधान किया, जिसे SAPH 540 कहा जाता है, जो ऑटोमोटिव पुर्जों के लिए उपयोग किया जाने वाला एक उच्च-शक्ति वाला स्टील है। उन्हें मेटल इनर्ट गैस (MIG) वेल्डिंग नामक एक सामान्य वेल्डिंग विधि के लिए सर्वोत्तम सेटिंग्स निर्धारित करने की आवश्यकता थी, जो एक इलेक्ट्रिक आर्क का उपयोग करके एक फिलर वायर को पिघलाती है और धातु के दो टुकड़ों को जोड़ती है। दर्जनों भौतिक प्रोटोटाइप बनाने और उन्हें तोड़ने के बजाय, जो महंगा और समय लेने वाला होता, टीम ने एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इस डिजिटल दृष्टिकोण ने उन्हें एक U-आकार के स्टील चैनल का आभासी मॉडल बनाने और यह देखने की अनुमति दी कि विभिन्न स्थितियों के तहत ऊष्मा, तनाव और आकार परिवर्तन कैसे व्यवहार करते हैं। उनका लक्ष्य सटीक मात्रा में विद्युत धारा ज्ञात करना था जो धातु को सुरक्षित रूप से जोड़ सके और साथ ही आंतरिक तनाव और भौतिक विरूपण को न्यूनतम रख सके।

टीम ने तीन अलग-अलग विद्युत धाराओं के स्तरों का उपयोग करके वेल्डिंग प्रक्रिया का अनुकरण किया: 130 एम्पियर, 150 एम्पियर और 200 एम्पियर। जैसे ही उन्होंने गणनाएँ चलाईं, कंप्यूटर ने धातु के भीतर क्या होता है, इसकी एक स्पष्ट तस्वीर पेश की। वेल्डिंग आर्क द्वारा उत्पन्न ऊष्मा एकसमान नहीं थी; यह उस पथ के साथ तीव्रता से केंद्रित थी जहाँ दोनों टुकड़े मिलते हैं, जिससे तापमान का एक अत्यधिक क्षेत्र बन गया जो स्टील के गलनांक से कहीं अधिक था। सिमुलेशन ने दिखाया कि विद्युत धारा जितनी अधिक होगी, धातु उतनी ही गर्म होगी। 130 एम्पियर के सबसे निचले स्तर पर, शिखर तापमान 2103.2 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया। जब उन्होंने करंट बढ़ाकर 200 एम्पियर किया, तो तापमान बढ़कर 3221.3 डिग्री सेल्सियस हो गया। इस असमान हीटिंग के कारण धातु कुछ क्षेत्रों में तेजी से फैल गई जबकि अन्य क्षेत्रों में ठंडी रही, जिसने बाद में होने वाले आंतरिक तनावों के लिए आधार तैयार कर दिया।

एक बार जब आभासी वेल्डिंग पूरी हो गई और धातु ठंडी होने लगी, तो शोधकर्ताओं ने छिपे हुए तनावों और भौतिक विकृति की जांच की। उन्होंने पाया कि आंतरिक तनाव, जिसे वॉन मिसेस स्ट्रेस (von Mises stress) के रूप में मापा जाता है, सीधे ऊष्मा के साथ बढ़ता है। 130 एम्पियर के सबसे निचले करंट पर, दर्ज किया गया अधिकतम तनाव 373.292 मेगापास्कल था। 200 एम्पियर के उच्चतम करंट पर, यह तनाव बढ़कर 441.97 मेगापास्कल हो गया। महत्वपूर्ण रूप से, उच्चतम सेटिंग पर भी, तनाव का स्तर उस बिंदु से नीचे रहा जहाँ स्टील स्थायी रूप से विकृत या टूट सकता है, जिसका अर्थ है कि सामग्री अभी भी सामान्य भार के तहत अपना आकार बनाए रख सकती है। हालांकि, भौतिक विरूपण एक अलग कहानी थी। धातु तीनों परिदृश्यों में अपनी लंबाई के साथ मुड़ गई और सिकुड़ गई, लेकिन मुड़ने की मात्रा काफी भिन्न थी। सबसे कम करंट ने सबसे कम झुकने का उत्पादन किया, जो मात्र 0.0090196 मिलीमीटर था, जबकि उच्चतम करंट ने 0.018751 मिलीमीटर के विरूपण के साथ लगभग दोगुना विरूपण किया।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि तीनों करंट स्तर तकनीकी रूप से भाग को बिना किसी तत्काल विफलता के जोड़ने में सक्षम थे, लेकिन पुर्जे के आकार को बनाए रखने के लिए निचला स्तर स्पष्ट रूप से बेहतर था। सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि 130 एम्पियर का उपयोग करने से सबसे ठंडा वेल्ड, सबसे कम आंतरिक तनाव और सबसे कम झुकना प्राप्त हुआ। यह निष्कर्ष उन निर्माताओं के लिए एक स्पष्ट, डेटा-संचालित सिफारिश प्रदान करता है जो एयर स्प्रिंग सीट के लिए इस विशिष्ट स्टील का उपयोग करना चाहते हैं। इस कम करंट को चुनकर, वे खतरनाक आंतरिक कमजोरियों के बिना अंतिम उत्पाद को सीधा और दोषमुक्त सुनिश्चित करते हुए, सामग्री की कमी से जुड़े वित्तीय जोखिमों से बच सकते हैं। यह शोध पुष्टि करता है कि ऊष्मा और धातु के नाजुक संतुलन में, अक्सर 'कम ही अधिक' होता है, जो अधिक मजबूत, अधिक विश्वसनीय ट्रक बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।