Formability and Microstructure of Dissimilar Aluminium Tailor-Welded Blanks (TWBs) Joined using Friction Stir and Gas Tungsten Arc Welding
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग (FSW), गैस टंगस्टन आर्क वेल्डिंग (GTAW) की तुलना में काफी बेहतर फॉर्मेबिलिटी और एक व्यापक सेफ-फॉर्मिंग क्षेत्र वाले विजातीय एल्युमीनियम टेलर वेल्डेड ब्लैंक्स का उत्पादन करती है, जैसा कि नाकाज़िमा परीक्षणों द्वारा प्रमाणित है जो FSW जोड़ों में लगभग 152% अधिक विस्थापन क्षमता दर्शाते हैं।
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आधुनिक विनिर्माण की दुनिया में, हल्के और अधिक कुशल वाहनों और विमानों के निर्माण की होड़ ने इंजीनियरों को इस बात पर पुनर्विचार करने के लिए प्रेरित किया है कि धातु के पुर्जों को कैसे बनाया जाए। एल्युमीनियम की एक एकल शीट को जटिल आकार में स्टैम्प करने के बजाय, डिजाइनर अक्सर अलग-अलग एल्युमीनियम मिश्र धातुओं की विभिन्न शीटों को काटते हैं और उन्हें आकार देने से पहले आपस में वेल्ड करते हैं। यह दृष्टिकोण, जिसे 'टेलर-वेल्डेड ब्लैंक' (tailor-welded blank) कहा जाता है, यह सुनिश्चित करता है कि उदाहरण के लिए, एक कार का दरवाजा वहां मजबूत हो जहां जरूरत है और वहां हल्का हो जहां जरूरत नहीं है। हालांकि, इन विभिन्न धातुओं को जोड़ने की प्रक्रिया एक कमजोर बिंदु पैदा करती है। जब अंतिम भाग को उसके अंतिम आकार में खींचा या मोड़ा जाता है, तो शेष धातु के टूटने से पहले वेल्ड किया गया जोड़ अक्सर फट जाता है या टूट जाता है। इसे रोकने के लिए, निर्माता एक मानचित्र पर निर्भर करते हैं जिसे 'फॉर्मिंग लिमिट डायग्राम' (forming limit diagram) कहा जाता है, जो एक सुरक्षा चार्ट की तरह कार्य करता है जो बिल्कुल यह दिखाता है कि एक विशिष्ट धातु का टुकड़ा विफल होने से पहले विभिन्न दिशाओं में कितना खिंच सकता है। चुनौती हमेशा इन असमान शीटों को उनकी खिंचाव की क्षमता को खराब किए बिना आपस में जोड़ने का तरीका खोजने की रही है।
अराक यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने दो बहुत ही अलग तरीकों से एल्युमीनियम शीटों को जोड़ने की तुलना करके इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने एल्युमीनियम मिश्र धातु के तीन सामान्य प्रकार—AA1200, AA3105, और AA5052—प्रत्येक दो मिलीमीटर मोटे लिए, और उनके जोड़े बनाए। उन्होंने इन जोड़ों को दो अलग-अलग विधियों का उपयोग करके जोड़ा। पहला था 'गैस टंगस्टन आर्क वेल्डिंग' (Gas Tungsten Arc Welding), एक पारंपरिक तकनीक जिसमें एक इलेक्ट्रिक आर्क धातु को पिघलाकर उसे जोड़ देता है, जो काफी हद तक सोल्डरिंग आयरन की तरह है लेकिन बहुत अधिक गर्म होता है। दूसरा था 'फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग' (Friction Stir Welding), एक सॉलिड-स्टेट प्रक्रिया जहाँ एक घूमता हुआ उपकरण धातु पर दबाव डालता है और तेजी से घूमता है, जिससे घर्षण के माध्यम से गर्मी उत्पन्न होती है जब तक कि सामग्री नरम और प्लास्टिक जैसी न हो जाए, जिससे उपकरण दोनों शीटों को बिना पिघलाए आपस में मिला देता है। टीम ने इन वेल्डेड शीटों को एक कठोर परीक्षण के अधीन किया जहाँ एक गोल पंच (punch) उन्हें तब तक धकेलता रहा जब तक कि वे खिंच गईं और अंततः टूट गईं, जिससे यह मैप हुआ कि विफल होने से पहले वे कितनी दूर तक जा सकती हैं।
परिणामों ने घर्षण-आधारित विधि के स्पष्ट और महत्वपूर्ण लाभ को प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने वेल्ड की गई शीटों के प्रदर्शन को उनके सुरक्षा मानचित्रों पर अंकित किया, तो फ्रिक्शन स्टिर प्रक्रिया द्वारा बनाए गए जोड़ पारंपरिक आर्क वेल्डिंग की तुलना में लगातार बहुत बड़े सुरक्षा क्षेत्र को दर्शाते थे। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ है कि फ्रिक्शन-स्टिर की गई शीटों को फटने से पहले हर दिशा में बहुत अधिक दूर तक खींचा जा सकता था। एल्युमीनियम मिश्र धातुओं के एक विशिष्ट संयोजन ने, जिसे फ्रिक्शन स्टिर द्वारा जोड़ा गया था, आर्क वेल्डिंग विधि द्वारा जोड़े गए अपने समकक्ष की तुलना में दोगुने से भी अधिक दूर तक खिंचने की क्षमता प्रदर्शित की। जबकि पारंपरिक वेल्ड की गई शीटें अक्सर उस जोड़ पर ही फट जाती थीं जहाँ दोनों धातुएं मिलती थीं, फ्रिक्शन-स्टिर की गई शीटें इतनी अच्छी तरह से जुड़ी रहती थीं कि वे आमतौर पर पास की कमजोर मूल धातु में टूट जाती थीं, जिससे वेल्ड स्वयं सुरक्षित रहता था।
प्रदर्शन में यह अंतर धातु के भीतर सूक्ष्म स्तर पर होने वाली घटनाओं के कारण है। जब पारंपरिक आर्क वेल्ड एल्युमीनियम को पिघलाता है, तो तरल धातु ठंडी होकर एक खुरदरी, असमान संरचना में जम जाती है जो छोटे छिद्रों और दरारों जैसी खामियों के प्रति संवेदनशील होती है। ये खामियां धातु के खिंचने पर फटने के शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य करती हैं। इसके विपरीत, फ्रिक्शन स्टिर प्रक्रिया सामग्री को कभी पिघलाती नहीं है। इसके बजाय, तीव्र गर्मी और दबाव के कारण धातु के कण पुनर्व्यवस्थित होते हैं और बहुत महीन और अधिक समान हो जाते हैं। यह परिष्कृत संरचना जोड़ पर तनाव को समान रूप से वितरित करती है, जिससे दरार शुरू होने के क्षण में देरी होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि फ्रिक्शन-स्टिर जोड़ों ने न केवल अधिक खिंचाव (strain) को सहन किया, बल्कि खिंचाव की दिशाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को भी कवर किया, जिससे बिना किसी विफलता के अधिक जटिल आकृतियाँ बनाना संभव हो गया।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि उन हल्के, असमान एल्युमीनियम भागों को बनाने के लिए जिन्हें जोड़ने के बाद आकार देने की आवश्यकता होती है, फ्रिक्शन स्टिर विधि बेहतर विकल्प है। यह धातु की स्वाभाविक खिंचाव की क्षमता को बनाए रखती है, जबकि पारंपरिक पिघलने वाली विधि उस क्षमता को कमजोर करने की प्रवृत्ति रखती है। पिघलने और जमने के चक्र से बचकर, फ्रिक्शन स्टिर प्रक्रिया एक ऐसा बंधन बनाती है जो न केवल मजबूत है बल्कि आधुनिक विनिर्माण की कठोरताओं को सहने के लिए पर्याप्त लचीला भी है। यह निष्कर्ष बताता है कि हल्के ढांचे बनाने की दिशा में काम करने वाले उद्योग इस सॉलिड-स्टेट तकनीक पर उच्च गुणवत्ता वाले, फॉर्मेबल घटकों का उत्पादन करने के लिए भरोसा कर सकते हैं जो पुरानी वेल्डिंग तकनीकों के साथ बनाना बहुत जोखिम भरा होता।
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