A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

आधुनिक इलेक्ट्रिक वाहनों की दुनिया में, बैटरी हृदय है, लेकिन कूलिंग सिस्टम वह रक्त परिसंचरण प्रणाली है जो इसे अत्यधिक गर्म होने से बचाती है। ये प्रणालियाँ धातु के पतले पैनलों पर निर्भर करती हैं जिन्हें रिसाव को रोकने और सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए पूरी तरह से जोड़ा जाना चाहिए। वर्षों से, इंजीनियर इन पुर्जों के लिए एल्युमीनियम का उपयोग करते आए हैं क्योंकि यह हल्का होता है, लेकिन अत्यधिक तापमान के दौरान एल्युमीनियम संघर्ष कर सकता है, जैसे कि थर्मल रनवे घटना के दौरान जब बैटरी खतरनाक रूप से गर्म हो जाती है। इस समस्या को हल करने के लिए, निर्माता एक विशिष्ट प्रकार के स्टेनलेस स्टील की ओर मुड़ रहे हैं, जिसे SUS304L के रूप में जाना जाता है, जो उच्च गर्मी को सहन कर सकता है और अधिक संरचनात्मक मजबूती प्रदान करता है। हालाँकि, इस स्टील को जोड़ने के लिए एक सटीक, उच्च-ऊर्जा प्रक्रिया की आवश्यकता होती है जिसे लेजर वेल्डिंग कहा जाता है। क्योंकि लेजर बहुत तेजी से चलता है और इसमें बहुत अधिक ऊर्जा होती है, इसलिए यदि स्थितियाँ पूर्ण नहीं हैं, तो यह आसानी से छिपे हुए दोष जैसे कि सूक्ष्म वायु जेब (एयर पॉकेट्स) या जोड़ के साथ अंतराल पैदा कर सकता है। ये दोष खतरनाक होते हैं क्योंकि इनसे रिसाव या संरचनात्मक विफलता हो सकती है, फिर भी वे वेल्डिंग होने के बाद नग्न आंखों से अदृश्य रहते हैं।

इन दोषों को पकड़ने के लिए, कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ इंडस्ट्रियल टेक्नोलॉजी और उद्योग भागीदारों की एक टीम ने वेल्डिंग प्रक्रिया को वास्तविक समय में देखने का एक स्मार्ट तरीका बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक नए प्रकार के लेजर पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'एडजस्टेबल रिंग मोड' लेजर कहा जाता है, जो पिघली हुई धातु के अधिक स्थिर पूल को बनाने के लिए अपनी ऊर्जा बीम को आकार दे सकता है। केवल एक उपकरण पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक मल्टी-सेंसर सिस्टम बनाया है जो पर्यवेक्षकों की एक टीम की तरह कार्य करता है, जहाँ प्रत्येक सदस्य एक अलग भौतिक सुराग पर नज़र रखता है। एक सेंसर पराबैंगनी (अल्ट्रावॉयलेट) और इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम में प्रकाश की चमकों पर नज़र रखता था, जो यह प्रकट करते हैं कि अत्यधिक गर्म प्लाज्मा और पिघली हुई धातु कैसे व्यवहार कर रही हैं। दूसरा सेंसर, एक हाई-स्पीड थर्मल कैमरा, वेल्ड के आसपास ऊष्मा वितरण का मानचित्रण करता है। इन विभिन्न दृश्यों को जोड़कर, टीम का लक्ष्य लेजर के चलते रहने के दौरान ही एक आदर्श वेल्ड और दोष विकसित होने वाले वेल्ड के बीच अंतर करना था।

शोधकर्ताओं ने स्टेनलेस स्टील की चादरों को विभिन्न स्थितियों के तहत वेल्ड करके अपने सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें जानबूझकर तीन सामान्य प्रकार के दोष पैदा किए गए: पोरोसिटी (porosity), जो धातु के भीतर फंसी छोटी छेद जैसी संरचनाएं हैं; अंडरकट (undercut), जहाँ वेल्ड का किनारा बहुत अधिक पिघल जाता है; और नॉन-पेनेट्रेशन (non-penetration), जहाँ वेल्ड निचली परत को जोड़ने के लिए पर्याप्त गहरा नहीं जा पाता है। उन्होंने सेंसर डेटा की तुलना एक्स-रे छवियों और धातु के भौतिक क्रॉस-सेक्शन से की ताकि यह देख सकें कि सेंसर वास्तव में क्या देख रहे थे। सामान्य, आदर्श वेल्डिंग स्थितियों के तहत, सेंसरों ने एक शांत और स्थिर लय दिखाई। इन्फ्रारेड लाइट सिग्नल एक अनुमानित सीमा के भीतर रहा, और अल्ट्रावॉयलेट सिग्नल सपाट और स्थिर बना रहा। इस स्थिर अवस्था ने आधार रेखा (बेसलाइन) के रूप में कार्य किया, जो "सब ठीक है" का संकेत था, जिससे शोधकर्ताओं को पता चला कि पिघला हुआ पूल उम्मीद के अनुसार व्यवहार कर रहा है।

जब शोधकर्ताओं ने दोषों को पेश किया, तो दोषों के प्रकार के आधार पर सेंसर अलग-अलग तरीके से प्रतिक्रिया देने लगे। जब पोरोसिटी (छिद्रण) हुई, तो अल्ट्रावॉयलेट सेंसर सबसे पहले प्रतिक्रिया देने वाला था। सिग्नल, जो आमतौर पर स्थिर रहता था, अस्थिर रूप से गिरने और उछलने लगा। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि वायु जेबों का निर्माण प्लाज्मा (पिघली हुई धातु के ऊपर स्थित आयनित गैस) को अस्थिर कर देता है, जिससे अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश टिमटिमाने लगता है। इसके विपरीत, जब अंडरकट दोष दिखाई दिया, तो इन्फ्रारेड सेंसर ने नेतृत्व किया। हीट सिग्नल ने अनियमित, तीखे शिखर (पीक्स) दिखाए, जो यह संकेत देते थे कि वेल्ड के किनारों पर पिघली हुई धातु असमान रूप से बह रही थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि अल्ट्रावॉयलेट लाइट एयर पॉकेट्स का पता लगाने के लिए उत्कृष्ट थी, इन्फ्रारेड हीट सिग्नल किनारे के दोषों के लिए सबसे अच्छा संकेतक था।

टीम ने यह भी खोजा कि वे किस चीज़ को देख रहे हैं, यह उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वे कैसे देख रहे हैं। उन्होंने थर्मल कैमरे का उपयोग करने के दो तरीकों का परीक्षण किया। एक विधि, जिसे 'टोटल एरिया एनालिसिस' कहा जाता है, वेल्ड बीड की पूरी लंबाई को देखती है ताकि समग्र ऊष्मा इतिहास देखा जा सके। एक व्यापक दृश्य के लिए उपयोगी होने के बावजूद, यह विधि गर्म धातु के छींटों, जिन्हें स्पैटर (spatter) कहा जाता है, द्वारा आसानी से भ्रमित हो जाती थी, जो डेटा में झूठे पीक्स बना देते थे। दूसरी विधि, 'लोकल एरिया एनालिसिस', कैमरा को लेजर स्पॉट और तत्काल पिघले हुए पूल पर केंद्रित रखती है। यह दृष्टिकोण वेल्डिंग के ठीक होने वाली जगह पर ऊष्मा के बहुत अधिक स्थिर और विश्वसनीय रीडिंग प्रदान करता है। जब शोधकर्ताओं ने ऐसी स्थिति का परीक्षण किया जहाँ लेजर की शक्ति धातु में पूरी तरह से प्रवेश करने के लिए बहुत कम थी, तो लोकल एरिया एनालिसिस ने स्पष्ट रूप से थर्मल रिस्पॉन्स में बदलाव दिखाया, जबकि टोटल एरिया व्यू कम स्पष्ट था। इसने पुष्टि की कि इंटरेक्शन ज़ोन पर करीब और स्थिर नज़र रखना गहरे दोषों जैसे कि अपर्याप्त प्रवेश को पकड़ने का सबसे प्रभावी तरीका है।

इन अंतर्दृष्टि को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने वेल्ड गुणवत्ता की निगरानी के लिए नए नियमों का एक सेट स्थापित किया। उन्होंने पाया कि कोई भी एकल सेंसर पूरी कहानी नहीं बता सकता; इसके बजाय, एक आदर्श वेल्ड के लिए एक स्थिर इन्फ्रारेड सिग्नल, एक स्थिर अल्ट्रावॉयलेट सिग्नल और एक सुसंगत स्थानीय ऊष्मा पैटर्न की आवश्यकता होती है। यदि अल्ट्रावॉयलेट सिग्नल अनियंत्रित हो जाता है, तो इसका मतलब संभवतः यह है कि वायु जेबें बन रही हैं। यदि इन्फ्रारेड सिग्नल अनियमित रूप से बढ़ता है, तो किनारे बहुत अधिक पिघल रहे हैं। यदि इन्फ्रारेड सिग्नल व्यापक रूप से उतार-चढ़ाव करता है और स्थानीय ऊष्मा पैटर्न बदलता है, तो वेल्ड संभवतः पर्याप्त गहरा नहीं है। यह मल्टी-सेंसर दृष्टिकोण सिद्ध करता है कि वेल्डिंग प्रक्रिया की विभिन्न "आवाजों" को सुनकर—प्रकाश और ऊष्मा, जिन्हें अलग-अलग कोणों से देखा जाता है—इंजीनियर दोषों का पता उसी क्षण लगा सकते हैं जब वे होते हैं। यह अध्ययन सुझाव देता है कि यह विधि सुरक्षित, अधिक विश्वसनीय इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हो सकती है, यह सुनिश्चित करते हुए कि उन्हें एक साथ रखने वाले स्टेनलेस स्टील के घटक छिपे हुए दोषों से मुक्त हैं।