ലേസർ വെൽഡിങ്ങിലെ സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണ സംവിധാനവും അടിച്ചമർത്തൽ നടപടികളും

ലേസർ ബീം വെൽഡിംഗ്ഉയർന്ന വേഗത, ഉയർന്ന കൃത്യത, സമ്പർക്കമില്ലാത്ത സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ എന്നിവയാൽ, ഓട്ടോമൊബൈൽസ്, എയ്‌റോസ്‌പേസ്, ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ വ്യാപകമായി പ്രയോഗിക്കപ്പെടുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് വ്യത്യസ്ത വസ്തുക്കളുടെ കണക്ഷനിൽ അതുല്യമായ ഗുണങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയയിൽ ഉണ്ടാകുന്ന സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകൾ (സോളിഡിഫിക്കേഷൻ ക്രാക്കിംഗ്) അതിന്റെ വ്യാവസായിക പ്രയോഗത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന പ്രധാന വൈകല്യങ്ങളിലൊന്നാണ്. ഈ വിള്ളലുകൾ സാധാരണയായി ഫ്യൂഷൻ സോണിൽ (ഫ്യൂഷൻ സോൺ) സോളിഡൈസേഷന്റെ അവസാനത്തിലാണ് സംഭവിക്കുന്നത്, ഇത് താപ സമ്മർദ്ദം, സോളിഡൈസേഷൻ ചുരുങ്ങൽ, ധാന്യ അതിരുകളിലെ ദ്രാവക ഫിലിം എന്നിവയുടെ സംയോജിത ഫലങ്ങളാൽ പ്രേരിതമാവുകയും സംയുക്തത്തിന്റെ മെക്കാനിക്കൽ ഗുണങ്ങളും ക്ഷീണ ആയുസ്സും ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

1. രൂപീകരണ സംവിധാനം

ഖരീകരണ വിള്ളലുകളുടെ കാതലായ സംവിധാനം ഖരീകരണത്തിന്റെ അവസാനം ധാന്യ അതിരുകളിലെ അവശിഷ്ട ദ്രാവക ഫിലിമിലാണ്. ഖരീകരണ പ്രക്രിയയിൽ, ഉരുകിയ കുളം മൂന്ന് മേഖലകളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു: ചിത്രം 1-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ സ്വതന്ത്ര ദ്രാവക മേഖല, നിയന്ത്രിത ദ്രാവക മേഖല, ഖര മേഖല. നിയന്ത്രിത ദ്രാവക മേഖലയിൽ, ദ്രാവക പ്രവാഹം തടയപ്പെടുകയും ഖരീകരണ ചുരുങ്ങൽ മൂലമുണ്ടാകുന്ന ആയാസത്തിന് നഷ്ടപരിഹാരം നൽകാൻ കഴിയാതെ വരികയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് ധാന്യ അതിർത്തി വേർതിരിക്കലിന് കാരണമാകുന്നു. ധാന്യ അതിർത്തി ഊർജ്ജവും (γgb) ഖര-ദ്രാവക ഇന്റർഫേസ് ഊർജ്ജവും (γsl) തമ്മിലുള്ള അനുപാതമാണ് ദ്രാവക ഫിലിമിന്റെ സ്ഥിരത നിർണ്ണയിക്കുന്നത്: γgb < 2γsl ആണെങ്കിൽ, ദ്രാവക ഫിലിം അസ്ഥിരമാണ്, ധാന്യ സംയോജനം സംഭവിക്കുന്നു; നേരെമറിച്ച്, ദ്രാവക ഫിലിം സ്ഥിരതയുള്ളതും വിള്ളൽ ആരംഭിക്കാൻ സാധ്യതയുള്ളതുമാണ്.

കൂടാതെ, ഖരീകരണ വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണം വസ്തുക്കളുടെ ലോഹശാസ്ത്രപരമായ ഗുണങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. വ്യത്യസ്ത വസ്തുക്കൾക്ക് വ്യത്യസ്തമായ ഖരീകരണ സ്വഭാവസവിശേഷതകളുണ്ട്, ഉദാഹരണത്തിന്, ഖരീകരണത്തിന്റെ താപനില പരിധി, ഖരീകരണ ചുരുങ്ങൽ നിരക്ക്, അലോയ് മൂലകങ്ങളുടെ വിതരണം മുതലായവ. ഈ സവിശേഷതകൾ വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമതയെ സ്വാധീനിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, വലിയ അളവിൽ കുറഞ്ഞ ദ്രവണാങ്ക യൂടെക്റ്റിക് ഘട്ടങ്ങൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്ന വസ്തുക്കളിൽ, ഖരീകരണ വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത കൂടുതലാണ്, കാരണം ഈ യൂടെക്റ്റിക് ഘട്ടങ്ങൾ ഖരീകരണ സമയത്ത് തുടർച്ചയായ ദ്രാവക ഫിലിമുകൾ രൂപപ്പെടുത്താൻ സാധ്യതയുണ്ട്, അതുവഴി വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണം തീവ്രമാക്കുന്നു.

സമയത്ത്ലേസർ വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയ, ലേസർ പവർ, വെൽഡിംഗ് വേഗത, സ്പോട്ട് സൈസ് തുടങ്ങിയ വെൽഡിംഗ് പാരാമീറ്ററുകളും സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണത്തിൽ സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. ഈ പാരാമീറ്ററുകൾ വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയയിൽ താപ ഇൻപുട്ടിനെയും താപനില ഗ്രേഡിയന്റിനെയും ബാധിക്കുന്നു, അതുവഴി സോളിഡൈസേഷൻ ഘടനയെയും ധാന്യ രൂപഘടനയെയും മാറ്റുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, ഉയർന്ന ലേസർ പവറും കുറഞ്ഞ വെൽഡിംഗ് വേഗതയും കൂടുതൽ താപ ഇൻപുട്ടിനും മന്ദഗതിയിലുള്ള തണുപ്പിക്കൽ നിരക്കിനും കാരണമാകുന്നു, ഇത് കോളം ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ വളർച്ചയെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുകയും വിള്ളൽ സംവേദനക്ഷമത വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. നേരെമറിച്ച്, കുറഞ്ഞ ലേസർ പവറും ഉയർന്ന വെൽഡിംഗ് വേഗതയും ചെറിയ താപ ഇൻപുട്ടിലേക്കും വേഗത്തിലുള്ള തണുപ്പിക്കൽ നിരക്കിലേക്കും നയിക്കുന്നു, ഇത് ഇക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ രൂപീകരണം സുഗമമാക്കുകയും വിള്ളൽ സംവേദനക്ഷമത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

2. അടിച്ചമർത്തൽ നടപടികൾ

സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകൾ ഫലപ്രദമായി അടിച്ചമർത്തുന്നതിന്ലേസർ വെൽഡിംഗ്, ഗവേഷകർ വിവിധ തന്ത്രങ്ങൾ നിർദ്ദേശിച്ചിട്ടുണ്ട്, അവ പ്രധാനമായും ധാന്യ ഘടന നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലും വെൽഡിംഗ് പാരാമീറ്ററുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിലും മെറ്റീരിയൽ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിലും ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു. ധാന്യ ഘടന പരിഷ്കരിക്കുന്നതിലൂടെ, ധാന്യ അതിരുകളുടെ എണ്ണം വർദ്ധിപ്പിക്കാനും സമ്മർദ്ദ സാന്ദ്രതയുടെ സാന്ദ്രത കുറയ്ക്കാനും അതുവഴി വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണം കുറയ്ക്കാനും കഴിയും. ലേസർ ബീം ആന്ദോളന സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ച്, മറ്റ് വസ്തുക്കൾ ചേർക്കാതെ തന്നെ കോളം ക്രിസ്റ്റലുകളെ സൂക്ഷ്മമായ ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളാക്കി മാറ്റാൻ കഴിയുമെന്ന് പഠനങ്ങൾ തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. ലേസർ ബീം ആന്ദോളനത്തിന് ലേസർ ഊർജ്ജം ചിതറിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ഉരുകിയ കുളം പ്രക്ഷുബ്ധത സൃഷ്ടിക്കാൻ കാരണമാകുന്നു, അതുവഴി ചിത്രം 3 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ കോളം ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ വളർച്ചാ ദിശ തകർക്കുകയും ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ രൂപീകരണം പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. കൂടാതെ, ലേസർ ബീം ആന്ദോളനത്തിന് ഉരുകിയ കുളത്തിന്റെ വീതി വർദ്ധിപ്പിക്കാനും താപനില ഗ്രേഡിയന്റ് കുറയ്ക്കാനും ഉരുകിയ കുളത്തിന്റെ ഖരീകരണ സമയം നീട്ടാനും കഴിയും, ഇത് ലായകങ്ങളുടെ വ്യാപനത്തിനും ദ്രാവക ഫിലിമുകളുടെ പുനർനിർമ്മാണത്തിനും സഹായകമാണ്, അതുവഴി സോളിഡീകരണ വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുന്നു.

വ്യത്യസ്ത പൂൾ ആകൃതികളിൽ ഗ്രെയിൻ ബൗണ്ടറി ലിക്വിഡ് ഫിലിമുകളുടെ വിതരണം.

വെൽഡിംഗ് ഉരുകിയ പൂളിന്റെ സ്കീമാറ്റിക് ഡയഗ്രം, a, b) ആന്ദോളനം ഇല്ലാതെ, c, d) ലാറ്ററൽ ആന്ദോളനം, e, f) രേഖാംശ ആന്ദോളനം, g, h) സർക്കംഫറൻഷ്യൽ ആന്ദോളനം.

കൂടാതെലേസർ ബീംസോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകൾ അടിച്ചമർത്തുന്നതിനുള്ള ഫലപ്രദമായ രീതികളിൽ ഒന്നാണ് ഡ്യുവൽ ലേസർ സ്രോതസ്സുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന ആന്ദോളന സാങ്കേതികവിദ്യ. താപ ചക്രം ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്തുകൊണ്ട് സ്തംഭ ക്രിസ്റ്റലുകളിൽ നിന്ന് ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളിലേക്കുള്ള പരിവർത്തനം ഡ്യുവൽ ലേസർ സ്രോതസ്സുകൾക്ക് നേടാൻ കഴിയും, അതുവഴി ധാന്യ വലുപ്പവും സ്ട്രെയിൻ സാന്ദ്രതയും കുറയ്ക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, പ്രധാന താപ സ്രോതസ്സായി CO₂ ലേസറും സഹായ താപ സ്രോതസ്സായി Nd:YAG പൾസ്ഡ് ലേസറും ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ, വെൽഡിംഗ് സമയത്ത് ഒരു ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത താപ ചക്രം രൂപപ്പെടുത്താൻ കഴിയും, ഇത് ചിത്രം 4 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ രൂപീകരണം പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുകയും സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

വെൽഡിംഗ് പാരാമീറ്ററുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതും സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകൾ അടിച്ചമർത്തുന്നതിനുള്ള ഒരു പ്രധാന മാർഗമാണ്. ലേസർ പവർ, വെൽഡിംഗ് വേഗത, സ്പോട്ട് സൈസ് തുടങ്ങിയ പാരാമീറ്ററുകൾ ക്രമീകരിക്കുന്നതിലൂടെ, വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയയിലെ താപ ഇൻപുട്ടും താപനില ഗ്രേഡിയന്റും നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും, അതുവഴി സോളിഡൈസേഷൻ ഘടനയെയും ധാന്യ രൂപഘടനയെയും സ്വാധീനിക്കാൻ കഴിയും. ചിത്രം 5-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, പ്രീഹീറ്റിംഗ് ചികിത്സ തണുപ്പിക്കൽ നിരക്ക് കുറയ്ക്കാനും, ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ രൂപവത്കരണത്തെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കാനും, അതുവഴി സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത കുറയ്ക്കാനും കഴിയുമെന്ന് പഠനങ്ങൾ തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. കൂടാതെ, പൾസ്ഡ് ലേസർ വെൽഡിംഗ് ഉപയോഗിക്കുന്നതും വെൽഡിംഗ് വേഗത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതും പോലുള്ള രീതികൾക്ക് താപ ഇൻപുട്ടും തണുപ്പിക്കൽ നിരക്കും മാറ്റുന്നതിലൂടെ കോളം ക്രിസ്റ്റലുകളിൽ നിന്ന് ഈക്വിയാക്സ്ഡ് ക്രിസ്റ്റലുകളിലേക്കുള്ള പരിവർത്തനം കൈവരിക്കാനും അതുവഴി വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത കുറയ്ക്കാനും കഴിയും.

ചിത്രം 5. a) ചൂടാക്കാത്തത്, b) 300°C ചൂടാക്കിയ ഇക്വയാക്സ്ഡ് ധാന്യങ്ങൾ.

ലേസർ ഉപയോഗിച്ച് വ്യത്യസ്ത വസ്തുക്കൾ വെൽഡിംഗ് ചെയ്യുമ്പോൾ, അവയുടെ ഭൗതികവും രാസപരവുമായ ഗുണങ്ങളിലെ കാര്യമായ വ്യത്യാസങ്ങൾ കാരണം, പൊട്ടുന്ന ഇന്റർമെറ്റാലിക് സംയുക്തങ്ങൾ രൂപപ്പെടാൻ സാധ്യതയുണ്ട്, ഇത് സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകളുടെ പ്രധാന കാരണങ്ങളിലൊന്നാണ്. അതിനാൽ, ഇന്റർമെറ്റാലിക് സംയുക്തങ്ങളുടെ രൂപീകരണമോ അളവോ കുറയ്ക്കുന്നതിന് ലേസർ പാരാമീറ്ററുകളും ക്രമീകരണങ്ങളും ക്രമീകരിക്കുന്നത് സോളിഡൈസേഷൻ വിള്ളലുകൾ അടിച്ചമർത്തുന്നതിനുള്ള ഒരു പ്രധാന തന്ത്രമാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, ചെമ്പ്-അലുമിനിയം വ്യത്യസ്ത വസ്തുക്കളുടെ ലേസർ വെൽഡിംഗിൽ, ലേസർ ബീമിന്റെ ഓഫ്‌സെറ്റും വെൽഡിംഗ് വേഗതയും നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലൂടെ, ഉരുകിയ പൂളിൽ ചെമ്പിന്റെയും അലുമിനിയത്തിന്റെയും മിക്സിംഗ് അനുപാതം കുറയ്ക്കാൻ കഴിയും, അതുവഴി പൊട്ടുന്ന ഇന്റർമെറ്റാലിക് സംയുക്തങ്ങളുടെ രൂപീകരണം കുറയ്ക്കുകയും വിള്ളലുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. കൂടാതെ, ഫില്ലർ വസ്തുക്കൾ ഉപയോഗിക്കുന്നത് വെൽഡിംഗ് ജോയിന്റിന്റെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താനും വിള്ളലുകളുടെ രൂപീകരണം കുറയ്ക്കാനും കഴിയും. വെൽഡിംഗ് ജോയിന്റിന്റെ ഘടനയും മൈക്രോസ്ട്രക്ചറും മാറ്റുന്നതിലൂടെ ഫില്ലർ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് ഇന്റർമെറ്റാലിക് സംയുക്തങ്ങളുടെ രൂപീകരണം കുറയ്ക്കാനും വെൽഡിംഗ് ജോയിന്റിന്റെ കാഠിന്യം മെച്ചപ്പെടുത്താനും കഴിയും.

ലേസർ വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയകളിലെ സാധാരണ വൈകല്യങ്ങളിലൊന്നാണ് സോളിഡൈസേഷൻ ക്രാക്കുകൾ. അവയുടെ രൂപീകരണ സംവിധാനം സങ്കീർണ്ണമാണ്, കൂടാതെ താപം, മെക്കാനിക്സ്, ലോഹശാസ്ത്രം തുടങ്ങിയ ഒന്നിലധികം ഘടകങ്ങളുടെ ഇടപെടൽ ഇതിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു. സോളിഡൈസേഷൻ ക്രാക്കുകളുടെ രൂപീകരണ സംവിധാനം ആഴത്തിൽ പഠിക്കുന്നതിലൂടെ, വിള്ളലുകൾ അടിച്ചമർത്തുന്നതിന് സൈദ്ധാന്തിക അടിത്തറ നൽകാൻ കഴിയും. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, ഗവേഷകർ സോളിഡൈസേഷൻ ക്രാക്കുകൾ അടിച്ചമർത്തുന്നതിന് വിവിധ തന്ത്രങ്ങൾ നിർദ്ദേശിച്ചിട്ടുണ്ട്, അവ പ്രധാനമായും ധാന്യ ഘടന നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലും വെൽഡിംഗ് പാരാമീറ്ററുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിലും മെറ്റീരിയൽ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിലും ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു. ഈ തന്ത്രങ്ങൾക്ക് സോളിഡൈസേഷൻ ക്രാക്കുകളുടെ സംവേദനക്ഷമത ഒരു പരിധിവരെ ഫലപ്രദമായി കുറയ്ക്കാനും ലേസർ വെൽഡിങ്ങിന്റെ ഗുണനിലവാരവും വിശ്വാസ്യതയും മെച്ചപ്പെടുത്താനും കഴിയുമെന്ന് പ്രാക്ടീസ് തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. എന്നിരുന്നാലും, ലേസർ വെൽഡിംഗ് പ്രക്രിയയുടെ സങ്കീർണ്ണതയും വൈവിധ്യവും കാരണം, നിലവിലെ ഗവേഷണത്തിൽ ഇപ്പോഴും ചില പോരായ്മകളുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, വ്യത്യസ്ത മെറ്റീരിയലുകളിലും വെൽഡിംഗ് സാഹചര്യങ്ങളിലും സോളിഡൈസേഷൻ ക്രാക്കുകളുടെ ഇൻഹിബിഷൻ മെക്കാനിസങ്ങൾക്കായി, കൂടുതൽ ആഴത്തിലുള്ള ഗവേഷണം ഇപ്പോഴും ആവശ്യമാണ്.