Laser beam welding
लेजर बीम वेल्डिंग (एल. बी. डब्ल्यू.) एक वेल्डिंग तकनीक है जिसका उपयोग लेजर के उपयोग के माध्यम से धातु या थर्मोप्लास्टिक के टुकड़ों को जोड़ने के लिए किया जाता है। बीम एक केंद्रित गर्मी स्रोत प्रदान करता है, जो संकीर्ण, गहरे वेल्ड और उच्च वेल्डिंग दरों की अनुमति देता है। प्रक्रिया का उपयोग अक्सर उच्च मात्रा और सटीकता में किया जाता है, जिसमें स्वचालन का उपयोग करने वाले अनुप्रयोगों की आवश्यकता होती है, जैसा कि मोटर वाहन और वैमानिकी उद्योगों में होता है। यह कीहोल या पेनेट्रेशन मोड वेल्डिंग पर आधारित है। इलेक्ट्रॉन-बीम वेल्डिंग (ई. बी. डब्ल्यू.) की तरह संचालन, लेजर बीम वेल्डिंग में उच्च शक्ति घनत्व (1 मेगावाट/से. मी. 2 के क्रम पर) होता है जिसके परिणामस्वरूप छोटे गर्मी-प्रभावित क्षेत्र और उच्च ताप और शीतलन दर होती है। लेजर का स्थान आकार 0.2 मिमी और 13 मिमी के बीच भिन्न हो सकता है, हालांकि वेल्डिंग के लिए केवल छोटे आकार का उपयोग किया जाता है। प्रवेश की गहराई आपूर्ति की गई शक्ति की मात्रा के समानुपाती होती है, लेकिन यह केंद्र बिंदु के स्थान पर भी निर्भर करती हैः प्रवेश तब अधिकतम होता है जब केंद्र बिंदु वर्कपीस की सतह से थोड़ा नीचे होता है एक निरंतर या स्पंदित लेजर बीम का उपयोग अनुप्रयोग के आधार पर किया जा सकता है। मिलीसेकंड-लंबी दालों का उपयोग रेजर ब्लेड जैसी पतली सामग्री को वेल्ड करने के लिए किया जाता है, जबकि निरंतर लेजर प्रणालियों को गहरे वेल्ड के लिए नियोजित किया जाता है। एल. बी. डब्ल्यू. एक बहुमुखी प्रक्रिया है, जो कार्बन स्टील, एच. एस. एल. ए. स्टील, स्टेनलेस स्टील, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम को वेल्डिंग करने में सक्षम है। उच्च शीतलन दर के कारण, उच्च कार्बन स्टील्स को वेल्डिंग करते समय दरार एक चिंता का विषय है। वेल्ड की गुणवत्ता उच्च है, जो इलेक्ट्रॉन बीम वेल्डिंग के समान है। वेल्डिंग की गति आपूर्ति की गई बिजली की मात्रा के समानुपाती होती है, लेकिन वर्कपीस के प्रकार और मोटाई पर भी निर्भर करती है। गैस लेजर की उच्च शक्ति क्षमता उन्हें उच्च मात्रा के अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है। एल. बी. डब्ल्यू. विशेष रूप से मोटर वाहन उद्योग में प्रमुख है। ई. बी. डब्ल्यू. की तुलना में एल. बी. डब्ल्यू. के कुछ फायदे हैंः लेजर बीम को वैक्यूम की आवश्यकता के बजाय हवा के माध्यम से प्रेषित किया जा सकता है प्रक्रिया को आसानी से रोबोटिक मशीनरी के साथ स्वचालित किया जाता है एक्स-रे उच्च गुणवत्ता वाले वेल्ड में एल. बी. डब्ल्यू. परिणाम उत्पन्न नहीं करते हैं एल. बी. डब्ल्यू. का व्युत्पन्न, लेजर-हाइब्रिड वेल्डिंग, एल. बी. डब्ल्यू. के लेजर को गैस मेटल आर्क वेल्डिंग जैसी आर्क वेल्डिंग विधि के साथ जोड़ती है। यह संयोजन अधिक स्थिति लचीलेपन की अनुमति देता है, क्योंकि जी. एम. ए. डब्ल्यू. जोड़ को भरने के लिए पिघली हुई धातु की आपूर्ति करता है, और एक लेजर के उपयोग के कारण, वेल्डिंग की गति को बढ़ाता है जो सामान्य रूप से जी. एम. ए. डब्ल्यू. के साथ संभव है। वेल्ड की गुणवत्ता भी अधिक होती है, क्योंकि अंडरकट करने की क्षमता कम हो जाती है। उपकरण स्वचालन और सीएएम हालांकि लेजर बीम वेल्डिंग को हाथ से पूरा किया जा सकता है, अधिकांश प्रणालियां स्वचालित हैं और कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइनों के आधार पर कंप्यूटर सहायता प्राप्त विनिर्माण की एक प्रणाली का उपयोग करती हैं। लेजर वेल्डिंग को एक तैयार भाग बनाने के लिए मिलिंग के साथ भी जोड़ा जा सकता है। 2016 में रिप्रैप परियोजना, जिसने ऐतिहासिक रूप से फ्यूज्ड फिलामेंट फैब्रिकेशन पर काम किया, ओपन सोर्स लेजर वेल्डिंग सिस्टम के विकास के लिए विस्तारित हुई। इस तरह की प्रणालियों को पूरी तरह से चिह्नित किया गया है और पारंपरिक विनिर्माण लागत को कम करते हुए इसका उपयोग व्यापक पैमाने पर किया जा सकता है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले दो प्रकार के लेजर सॉलिड-स्टेट लेजर (विशेष रूप से रूबी लेजर और एन. डी.: वाई. ए. जी. लेजर) और गैस लेजर हैं। पहला प्रकार कई ठोस माध्यमों में से एक का उपयोग करता है, जिसमें सिंथेटिक रूबी (एल्यूमीनियम ऑक्साइड में क्रोमियम), कांच में नियोडियमियम (एन. डी.: ग्लास), और सबसे आम प्रकार, यट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट में नियोडियमियम (एन. डी.: वाई. ए. जी.) शामिल हैं। गैस लेजर एक माध्यम के रूप में हीलियम, नाइट्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड (लेजर) जैसी गैसों के मिश्रण का उपयोग करते हैं। हालांकि, किसी भी प्रकार की परवाह किए बिना, जब माध्यम उत्तेजित होता है, तो यह फोटॉन उत्सर्जित करता है और लेजर बीम बनाता है। सॉलिड स्टेट सॉलिड-स्टेट लेजर 1 माइक्रोमीटर के क्रम पर तरंग दैर्ध्य पर काम करते हैं, जो वेल्डिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले गैस लेजर की तुलना में बहुत छोटे होते हैं, और इसके परिणामस्वरूप ऑपरेटरों को विशेष चश्मे पहनने या रेटिना क्षति को रोकने के लिए विशेष स्क्रीन का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। एन. डी.: वाई. ए. जी. लेजर स्पंदित और निरंतर दोनों मोड में काम कर सकते हैं, लेकिन अन्य प्रकार स्पंदित मोड तक सीमित हैं। मूल और अभी भी लोकप्रिय ठोस-अवस्था डिजाइन एक एकल क्रिस्टल के आकार की छड़ है जिसका व्यास लगभग 20 मिमी और 200 मिमी लंबा है, और छोर जमीन पर सपाट हैं। यह छड़ ज़ेनॉन या क्रिप्टन युक्त एक फ्लैश ट्यूब से घिरी होती है। जब चमकती है, तो लेजर द्वारा लगभग दो मिलीसेकंड तक चलने वाली प्रकाश की एक स्पंद उत्सर्जित होती है। डिस्क के आकार के क्रिस्टल उद्योग में लोकप्रियता में बढ़ रहे हैं, और फ्लैशलाम्प अपनी उच्च दक्षता के कारण डायोड को रास्ता दे रहे हैं। रूबी लेजर के लिए विशिष्ट बिजली उत्पादन 10-20 W है, जबकि Nd: YAG लेजर उत्पादन 0.04-6,000 W के बीच होता है। गैस गैस लेजर लेसिंग माध्यम के रूप में उपयोग किए जाने वाले गैस मिश्रण को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की आपूर्ति करने के लिए उच्च-वोल्टेज, कम-वर्तमान बिजली स्रोतों का उपयोग करते हैं। ये लेजर निरंतर और स्पंदित दोनों मोड में काम कर सकते हैं, और गैस लेजर बीम की तरंग दैर्ध्य 10.6 माइक्रोन, गहरी अवरक्त, यानी। 'गर्म' करें। फाइबर ऑप्टिक केबल अवशोषित हो जाती है और इस तरंग दैर्ध्य से नष्ट हो जाती है, इसलिए एक कठोर लेंस और दर्पण वितरण प्रणाली का उपयोग किया जाता है। गैस लेजर के लिए बिजली उत्पादन सॉलिड-स्टेट लेजर की तुलना में बहुत अधिक हो सकता है, जो 25 किलोवाट तक पहुंच सकता है। फाइबर लेजर में, मुख्य माध्यम ऑप्टिकल फाइबर ही है। ये 50 किलोवाट तक बिजली देने में सक्षम हैं और इनका उपयोग तेजी से रोबोटिक औद्योगिक वेल्डिंग के लिए किया जा रहा है। लेजर बीम वितरण आधुनिक लेजर बीम वेल्डिंग मशीनों को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है। पारंपरिक प्रकार में, लेजर आउटपुट को सीम का अनुसरण करने के लिए स्थानांतरित किया जाता है। यह आमतौर पर एक रोबोट के साथ हासिल किया जाता है। कई आधुनिक अनुप्रयोगों में, दूरस्थ लेजर बीम वेल्डिंग का उपयोग किया जाता है। इस विधि में, लेजर किरण को लेजर स्कैनर की मदद से सीम के साथ ले जाया जाता है, ताकि रोबोटिक भुजा को अब सीम का अनुसरण करने की आवश्यकता न पड़े। दूरस्थ लेजर वेल्डिंग के फायदे वेल्डिंग प्रक्रिया की उच्च गति और उच्च परिशुद्धता हैं। पल्स्ड-लेजर वेल्डिंग के थर्मल मॉडलिंग पल्स्ड-लेजर वेल्डिंग के निरंतर तरंग (सी. डब्ल्यू.) लेजर वेल्डिंग की तुलना में फायदे हैं। इनमें से कुछ लाभ कम छिद्रता और कम फैलाव हैं। पल्स्ड-लेजर वेल्डिंग के कुछ नुकसान भी हैं जैसे कि एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में गर्म दरार पैदा करना। स्पंदित-लेजर वेल्डिंग प्रक्रिया का तापीय विश्लेषण वेल्डिंग मापदंडों जैसे संलयन की गहराई, शीतलन दर और अवशिष्ट तनावों की भविष्यवाणी करने में सहायता कर सकता है। स्पंदित लेजर प्रक्रिया की जटिलता के कारण, एक ऐसी प्रक्रिया को नियोजित करना आवश्यक है जिसमें एक विकास चक्र शामिल हो। चक्र में एक गणितीय मॉडल का निर्माण करना, संख्यात्मक मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग करके एक तापीय चक्र की गणना करना शामिल है जैसे कि परिमित मौलिक मॉडलिंग (एफ. ई. एम.) या परिमित अंतर विधि (एफ. डी. एम.) या अनुमानों को सरल बनाने के साथ विश्लेषणात्मक मॉडल, और प्रयोगात्मक मापों द्वारा मॉडल को मान्य करना। कुछ प्रकाशित मॉडलों के संयोजन की एक पद्धति में शामिल हैंः शक्ति अवशोषण दक्षता का निर्धारण करना। तापमान और क्लॉज़ियस-क्लैपिरॉन समीकरण के आधार पर पुनरावृत्ति दबाव की गणना करना। द्रव विधि की मात्रा (वी. ओ. एफ.) का उपयोग करके द्रव प्रवाह वेगों की गणना करें। तापमान वितरण की गणना करना। समय बढ़ाएँ और 1 से 4 चरणों को दोहराएं। परिणामों का सत्यापन चरण 1 सभी विकिरण ऊर्जा को अवशोषित नहीं किया जाता है और वेल्डिंग के लिए गर्मी में परिवर्तित नहीं किया जाता है। कुछ विकिरण ऊर्जा वाष्पीकरण और फिर बाद में गैस के आयनीकरण द्वारा बनाए गए प्लाज्मा में अवशोषित हो जाती है। इसके अलावा, किरण की तरंग दैर्ध्य, वेल्डिंग की जा रही सामग्री की सतह संरचना, आपतन कोण और सामग्री के तापमान से अवशोषण प्रभावित होता है। रोसेन्थल बिंदु स्रोत धारणा एक असीम उच्च तापमान असंतुलन छोड़ती है जिसे इसके बजाय एक गौसी वितरण मानते हुए संबोधित किया जाता है। विकिरण ऊर्जा भी किरण के भीतर समान रूप से वितरित नहीं होती है। कुछ उपकरण गौसी ऊर्जा वितरण का उत्पादन करते हैं, जबकि अन्य द्वि-आयामी हो सकते हैं। एक गौसी ऊर्जा वितरण को शक्ति घनत्व को इस प्रकार के फलन से गुणा करके लागू किया जा सकता हैः, जहाँ r किरण के केंद्र से रेडियल दूरी है, = किरण त्रिज्या या धब्बे का आकार। एक बिंदु स्रोत धारणा के बजाय तापमान वितरण का उपयोग करने से अवशोषण जैसे तापमान-निर्भर भौतिक गुणों की आसान गणना की जा सकती है। विकिरणित सतह पर, जब एक कीहोल बनता है, तो फ्रेन्सेल परावर्तन (कीहोल गुहा के भीतर कई परावर्तन के कारण बीम ऊर्जा का लगभग पूर्ण अवशोषण) होता है और इसके द्वारा मॉडल किया जा सकता है, जहां ε परावैद्युत स्थिरांक, विद्युत चालकता और लेजर आवृत्ति का एक कार्य है। θ आपतन कोण है। अवशोषण दक्षता को समझना तापीय प्रभावों की गणना करने की कुंजी है। चरण 2 लेजर दो तरीकों में से एक में वेल्डिंग कर सकते हैंः चालन और कीहोल। कौन सा मोड काम कर रहा है यह इस बात पर निर्भर करता है कि क्या शक्ति घनत्व वाष्पीकरण का कारण बनने के लिए पर्याप्त रूप से अधिक है। चालन मोड वाष्पीकरण बिंदु के नीचे होता है जबकि कीहोल मोड वाष्पीकरण बिंदु के ऊपर होता है। कीहोल एक एयर पॉकेट के समान है। एयर पॉकेट फ्लक्स की स्थिति में है। वाष्पित धातु के पुनरावृत्ति दबाव जैसे बल कीहोल को खोलते हैं जबकि गुरुत्वाकर्षण (उर्फ हाइड्रोस्टैटिक बल) और धातु की सतह का तनाव इसे ध्वस्त कर देता है। इससे भी अधिक शक्ति घनत्वों पर, वाष्प को प्लाज्मा बनाने के लिए आयनित किया जा सकता है। पुनरावृत्ति दबाव क्लॉशियस-क्लैपिरॉन समीकरण का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है, जहां पी संतुलन वाष्प दबाव है, टी तरल सतह का तापमान है, एचएलवी वाष्पीकरण की अव्यक्त गर्मी है, टीएलवी तरल-वाष्प इंटरफेस पर संतुलन तापमान है। इस धारणा का उपयोग करते हुए कि वाष्प का प्रवाह ध्वनि वेगों तक सीमित है, कोई यह प्राप्त करता है, जहाँ पो वायुमंडलीय दबाव है और पी. आर. पुनरावृत्ति दबाव है। चरण 3 यह कीहोल प्रोफाइल से संबंधित है। द्रव प्रवाह वेग इस बात से निर्धारित होते हैं कि वेग सदिश कहाँ है, पी = दबाव, ρ = द्रव्यमान घनत्व, = चिपचिपाहट, β = तापीय विस्तार गुणांक, जी = गुरुत्वाकर्षण, और एफ एक सिमुलेशन ग्रिड सेल में द्रव का आयतन अंश है। चरण 4 लेजर प्रतिबाधा सतह पर सीमा तापमान निर्धारित करने के लिए, आप इस तरह एक समीकरण लागू करेंगे। जहाँ kn = लेजर द्वारा प्रभावित सतह के लिए सामान्य तापीय चालकता, h = हवा के लिए संवहनी गर्मी हस्तांतरण गुणांक, σ विकिरण के लिए स्टीफन-बोल्टज़मैन स्थिरांक है, और ε वेल्डिंग की जा रही सामग्री की उत्सर्जनशीलता है, q लेजर बीम हीट फ्लक्स है। सी. डब्ल्यू. (निरंतर लहर) लेजर वेल्डिंग के विपरीत, जिसमें एक गतिशील तापीय चक्र शामिल होता है, स्पंदित लेजर में एक ही स्थान पर बार-बार प्रभाव डालना शामिल होता है, इस प्रकार कई अतिव्यापी तापीय चक्र बनते हैं। इसे संबोधित करने की एक विधि एक चरण फलन को जोड़ना है जो बीम चालू होने पर ऊष्मा प्रवाह को एक से गुणा करता है लेकिन बीम बंद होने पर ऊष्मा प्रवाह को शून्य से गुणा करता है। इसे प्राप्त करने का एक तरीका क्रोनेकर डेल्टा का उपयोग करना है जो q को निम्नानुसार संशोधित करता हैः, जहाँ δ = क्रोनेकर डेल्टा, qe = प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित ऊष्मा प्रवाह। इस विधि के साथ समस्या यह है कि यह आपको नाड़ी की अवधि के प्रभाव को देखने की अनुमति नहीं देता है। इसे हल करने का एक तरीका एक ऐसे परिवर्तक का उपयोग करना है जो समय-निर्भर फलन है जैसे किः जहाँ v = पल्स आवृत्ति, n = 0,1,2,., v-1), τ = पल्स अवधि। इसके बाद, आप इस सीमा शर्त को लागू करेंगे और आंतरिक तापमान वितरण प्राप्त करने के लिए फ़ोरियर के दूसरे नियम के लिए हल करेंगे। यह मानते हुए कि कोई आंतरिक ऊष्मा उत्पादन नहीं होता है, समाधान है, जहाँ k = तापीय चालकता, ρ = घनत्व, Cp = विशिष्ट ऊष्मा क्षमता, = द्रव वेग सदिश। चरण 5 वृद्धि पिछले चरणों में प्रस्तुत शासी समीकरणों को अलग करके और अगले समय और लंबाई के चरणों को लागू करके की जाती है। चरण 6 के परिणामों को विशिष्ट प्रयोगात्मक टिप्पणियों या सामान्य प्रयोगों के रुझानों द्वारा मान्य किया जा सकता है। इन प्रयोगों में संलयन की गहराई का धातु विज्ञान संबंधी सत्यापन शामिल है। धारणाओं को सरल बनाने के परिणाम स्पंदित लेजर की भौतिकी बहुत जटिल हो सकती है और इसलिए, गणना को तेज करने या सामग्री गुणों की कमी की भरपाई करने के लिए कुछ सरल धारणाएं बनाने की आवश्यकता है। गणना के समय को कम करने के लिए विशिष्ट ऊष्मा जैसे भौतिक गुणों की तापमान-निर्भरता को नजरअंदाज कर दिया जाता है। तरल तापमान का अधिक अनुमान लगाया जा सकता है यदि तरल-धातु इंटरफेस को छोड़ने वाले वाष्प से बड़े पैमाने पर नुकसान के कारण गर्मी के नुकसान की मात्रा का हिसाब नहीं रखा जाता है। लेजर धातु निक्षेपण संदर्भ ग्रंथ सूची कैरी, हावर्ड बी. और स्कॉट सी. हेलज़र (2005) भी देखें। आधुनिक वेल्डिंग प्रौद्योगिकी। ऊपरी सैडल नदी, न्यू जर्सीः पियर्सन शिक्षा। .. वेमन, क्लास (2003)। वेल्डिंग प्रक्रिया पुस्तिका। न्यूयॉर्कः सी. आर. सी. प्रेस एल. एल. सी.। .. कल्पकजियन, सेरोप और श्मिड, स्टीवन आर. (2006)। मैन्युफैक्चरिंग इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी 5 वां संस्करण। ऊपरी सैडल नदी, न्यू जर्सीः पियर्सन शिक्षा। बाहरी लिंक दोहरी किरण लेजर वेल्डिंग; 2002 वेल्डिंग जर्नल वेल्ड मॉर्फोलॉजी और दोहरी किरण लेजर वेल्डिंग में थर्मल मॉडलिंग से शोध लेख; औद्योगिक लेजर समाधान पत्रिका रोबोटिक लेजर वेल्डिंग वेल्डिंग वेल्डिंग लेखों से 2002 वेल्डिंग जर्नल लेजर वेल्डिंग लेखों से शोध लेख जिसमें वीडियो क्लिप शामिल हैं