لیزر ویلڈنگ کے عمل پر حفاظتی گیس کے پیرامیٹرز کا اثر

لیزر ویلڈنگ ٹیکنالوجی, اس کی اعلی توانائی کی کثافت، کم گرمی ان پٹ اور غیر رابطہ خصوصیات کی وجہ سے، جدید صحت سے متعلق مینوفیکچرنگ میں بنیادی عمل میں سے ایک بن گیا ہے. تاہم، ویلڈنگ کے دوران پگھلے ہوئے تالاب کے ماحول کے ساتھ رابطے کی وجہ سے آکسیڈیشن، پورسٹی اور عنصر کے جل جانے جیسے مسائل ویلڈ سیون کی مکینیکل خصوصیات اور سروس لائف کو سنجیدگی سے محدود کرتے ہیں۔ ویلڈنگ کے ماحول کو کنٹرول کرنے کے بنیادی ذریعہ کے طور پر، حفاظتی گیس کی قسم، بہاؤ کی شرح اور اڑانے کے انداز کے انتخاب کو مادی خصوصیات (جیسے کیمیائی سرگرمی، تھرمل چالکتا) اور پلیٹ کی موٹائی کے ساتھ جوڑا جانا ضروری ہے۔

شیلڈنگ گیسوں کی اقسام

گیسوں کو بچانے کا بنیادی کام آکسیجن کو الگ کرنا، پگھلے ہوئے تالاب کے رویے کو منظم کرنا، اور توانائی کے جوڑے کی کارکردگی کو بہتر بنانا ہے۔ ان کی کیمیائی خصوصیات کی بنیاد پر، شیلڈنگ گیسوں کو غیر فعال گیسوں (ارگن، ہیلیم) اور فعال گیسوں (نائٹروجن، کاربن ڈائی آکسائیڈ) میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ غیر فعال گیسوں میں اعلی کیمیائی استحکام ہوتا ہے اور یہ پگھلے ہوئے تالاب کے آکسیکرن کو مؤثر طریقے سے روک سکتی ہیں، لیکن تھرمل جسمانی خصوصیات میں ان کے نمایاں فرق ویلڈنگ کے اثر کو نمایاں طور پر متاثر کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، آرگن (Ar) کی کثافت زیادہ ہوتی ہے (1.784 kg/m³) اور یہ ایک مستحکم کوٹنگ بنا سکتا ہے، لیکن اس کی کم تھرمل چالکتا (0.0177 W/m·K) پگھلے ہوئے تالاب کی سست ٹھنڈک اور اتلی ویلڈ کی دخول کا باعث بنتی ہے۔ اس کے برعکس، ہیلیم (He) میں آرگن کے مقابلے آٹھ گنا زیادہ تھرمل چالکتا (0.1513 W/m·K) ہے اور یہ پگھلے ہوئے تالاب کی ٹھنڈک کو تیز کر سکتا ہے اور ویلڈ کی دخول میں اضافہ کر سکتا ہے، لیکن اس کی کم کثافت (0.1785 kg/m³) اس کو فرار ہونے کا خطرہ بناتی ہے، جس سے زیادہ حفاظتی اثر کی ضرورت ہوتی ہے۔ فعال گیسیں جیسے کہ نائٹروجن (N₂) بعض حالات میں ٹھوس محلول کو مضبوط بنانے کے ذریعے ویلڈ کی طاقت کو بڑھا سکتی ہیں، لیکن ضرورت سے زیادہ استعمال سوراخ یا ٹوٹنے والے مراحل کی بارش کا سبب بن سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، ڈوپلیکس سٹینلیس سٹیل کی ویلڈنگ کرتے وقت، پگھلے ہوئے تالاب میں نائٹروجن کا پھیلاؤ فیرائٹ/آسٹینائٹ فیز بیلنس میں خلل ڈال سکتا ہے، جس کے نتیجے میں سنکنرن مزاحمت میں کمی واقع ہوتی ہے۔

تصویر 1. 304L سٹینلیس سٹیل کی لیزر ویلڈنگ (اوپر): آر گیس شیلڈنگ؛ (نیچے): N2 گیس شیلڈنگ

عمل کے طریقہ کار کے نقطہ نظر سے، ہیلیم (24.6 eV) کی اعلی آئنائزیشن توانائی پلازما شیلڈنگ اثر کو دبا سکتی ہے اور لیزر توانائی کے جذب کو بڑھا سکتی ہے، اس طرح دخول کی گہرائی میں اضافہ ہوتا ہے۔ دریں اثنا، آرگن (15.8 eV) کی کم آئنائزیشن توانائی پلازما بادلوں کو پیدا کرنے کا شکار ہے، جس میں مداخلت کو کم کرنے کے لیے ڈیفوکسنگ یا پلس موڈیولیشن کی ضرورت ہوتی ہے۔ مزید برآں، فعال گیسوں اور پگھلے ہوئے پول کے درمیان کیمیائی رد عمل (جیسے سٹیل میں Cr کے ساتھ نائٹروجن کا رد عمل) ویلڈ کی ساخت کو تبدیل کر سکتا ہے، اور مادی خصوصیات کی بنیاد پر محتاط انتخاب ضروری ہے۔

مواد کی درخواست کی مثالیں:

• اسٹیل: پتلی پلیٹ (<3 ملی میٹر) ویلڈنگ میں، آرگن سطح کی تکمیل کو یقینی بنا سکتا ہے، 1.5 ملی میٹر کم کاربن اسٹیل ویلڈ سیون کے لیے صرف 0.5 μm کی آکسائیڈ پرت کی موٹائی کے ساتھ؛ موٹی پلیٹوں (>10 ملی میٹر) کے لیے، دخول کی گہرائی کو بڑھانے کے لیے تھوڑی مقدار میں ہیلیم (He) شامل کرنے کی ضرورت ہے۔

• سٹینلیس سٹیل: آرگن پروٹیکشن 3 ملی میٹر موٹی 304 سٹینلیس سٹیل ویلڈ سیون میں 18.2% کے Cr مواد کے ساتھ Cr عنصر کے نقصان کو روک سکتا ہے۔ ڈوپلیکس سٹینلیس سٹیل کے لیے، تناسب کو متوازن کرنے کے لیے ایک Ar-N₂ مرکب (N₂ ≤ 5%) کی ضرورت ہے۔ مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ 8 ملی میٹر موٹی 2205 ڈوپلیکس سٹین لیس سٹیل کے لیے Ar-2% N₂ مرکب استعمال کرتے وقت، فیرائٹ/آسٹینائٹ کا تناسب 48:52 پر مستحکم ہوتا ہے، جس کی ٹینسائل طاقت 780 MPa ہے، جو خالص آرگن تحفظ (720 MPa) سے بہتر ہے۔

• ایلومینیم مرکب: پتلی پلیٹ (<3 ملی میٹر): ایلومینیم مرکب کی اعلی عکاسی کم توانائی جذب کرنے کی شرح کا باعث بنتی ہے، اور ہیلیم، اپنی اعلی آئنائزیشن توانائی (24.6 eV) کے ساتھ، پلازما کو مستحکم کر سکتا ہے۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ جب 2 ملی میٹر موٹی 6061 ایلومینیم کھوٹ ہیلیئم کے ذریعے محفوظ کیا جاتا ہے، تو دخول کی گہرائی 1.8 ملی میٹر تک پہنچ جاتی ہے، جو آرگن کے مقابلے میں 25 فیصد بڑھ جاتی ہے، اور پورسٹی کی شرح 1 فیصد سے کم ہوتی ہے۔ موٹی پلیٹوں کے لیے (>5 ملی میٹر): ایلومینیم الائے موٹی پلیٹوں کو اعلی توانائی کے ان پٹ کی ضرورت ہوتی ہے، اور ایک ہیلیم-آرگن مرکب (He:Ar = 3:1) دخول کی گہرائی اور لاگت دونوں میں توازن رکھ سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، جب 8 ملی میٹر موٹی 5083 پلیٹوں کو ویلڈنگ کرتے ہیں، تو گیس کے مخلوط تحفظ کے تحت دخول کی گہرائی 6.2 ملی میٹر تک پہنچ جاتی ہے، خالص آرگن گیس کے مقابلے میں 35 فیصد اضافہ ہوتا ہے، اور ویلڈنگ کی لاگت میں 20 فیصد کمی واقع ہوتی ہے۔

نوٹ: اصل متن میں کچھ غلطیاں اور تضادات ہیں۔ فراہم کردہ ترجمہ متن کے درست اور مربوط ورژن پر مبنی ہے۔

آرگن گیس کے بہاؤ کی شرح کا اثر

آرگن گیس کے بہاؤ کی شرح گیس کی کوریج کی صلاحیت اور پگھلے ہوئے تالاب کی سیال حرکیات کو براہ راست متاثر کرتی ہے۔ جب بہاؤ کی شرح ناکافی ہو تو، گیس کی تہہ ہوا کو مکمل طور پر الگ نہیں کر سکتی، اور پگھلا ہوا پول کا کنارہ آکسیکرن اور گیس کے چھیدوں کی تشکیل کا شکار ہوتا ہے۔ جب بہاؤ کی شرح بہت زیادہ ہوتی ہے، تو یہ ہنگامہ خیزی کا سبب بن سکتا ہے، جو پگھلے ہوئے تالاب کی سطح کو دھو سکتا ہے اور ویلڈ ڈپریشن یا چھڑکنے کا باعث بن سکتا ہے۔ رینالڈس نمبر فلو مکینکس (Re = ρvD/μ) کے مطابق، بہاؤ کی شرح میں اضافہ گیس کے بہاؤ کی رفتار کو بڑھا دے گا۔ جب Re> 2300، لیمینر کا بہاؤ ہنگامہ خیز بہاؤ میں بدل جاتا ہے، جو پگھلے ہوئے تالاب کے استحکام کو تباہ کر دے گا۔ لہٰذا، اہم بہاؤ کی شرح کے تعین کو تجربات یا عددی نقالی (جیسے CFD) کے ذریعے تجزیہ کرنے کی ضرورت ہے۔

تصویر 2. ویلڈ سیون پر مختلف گیس کے بہاؤ کی شرح کے اثرات

بہاؤ کی اصلاح کو مواد کی تھرمل چالکتا اور پلیٹ کی موٹائی کے ساتھ مل کر ایڈجسٹ کیا جانا چاہئے:

• سٹیل اور سٹینلیس سٹیل کے لیے: پتلی سٹیل پلیٹوں (1-2 ملی میٹر) کے لیے، بہاؤ کی شرح ترجیحاً 10-15 L/منٹ ہے۔ موٹی پلیٹوں (>6 ملی میٹر) کے لیے، دم کے آکسیکرن کو دبانے کے لیے اسے 18-22 L/min تک بڑھانا چاہیے۔ مثال کے طور پر، جب 6 ملی میٹر موٹی 316L سٹینلیس سٹیل کے بہاؤ کی شرح 20 L/منٹ ہے، HAZ سختی کی یکسانیت 30% بہتر ہو جاتی ہے۔

• ایلومینیم مرکب کے لیے: اعلی تھرمل چالکتا کو تحفظ کے وقت کو بڑھانے کے لیے اعلی بہاؤ کی شرح کی ضرورت ہوتی ہے۔ 3 ملی میٹر موٹی 7075 ایلومینیم الائے کے لیے، جب بہاؤ کی شرح 25-30 L/منٹ ہوتی ہے تو پوروسیٹی کی شرح سب سے کم (0.3%) ہوتی ہے۔ تاہم، انتہائی موٹی پلیٹوں (>10 ملی میٹر) کے لیے، ہنگامہ خیزی سے بچنے کے لیے کمپوزٹ اڑانے کے ساتھ جوڑنا ضروری ہے۔

اڑانے والے گیس موڈ کا اثر

اڑانے والا گیس موڈ براہ راست گیس کے بہاؤ کی سمت اور تقسیم کو کنٹرول کرکے پگھلے ہوئے تالاب کے بہاؤ پیٹرن اور خرابی دبانے کے اثر کو متاثر کرتا ہے۔ اڑانے والا گیس موڈ سطح کے تناؤ کے میلان اور مارانگونی بہاؤ (مارانگونی بہاؤ) کو تبدیل کرکے پگھلے ہوئے تالاب کے بہاؤ کو منظم کرتا ہے۔ سائیڈ وے اڑانے سے پگھلے ہوئے تالاب کو ایک خاص سمت میں بہنے پر آمادہ کیا جا سکتا ہے، سوراخوں اور سلیگ کی شمولیت کو کم کر سکتا ہے۔ کمپوزٹ اڑانا کثیر جہتی گیس کے بہاؤ کے ذریعے توانائی کی تقسیم کو متوازن کرکے ویلڈ کی تشکیل کی یکسانیت کو بہتر بنا سکتا ہے۔

اڑانے کے اہم طریقوں میں شامل ہیں:

• سماکشیی اڑانا: گیس کا بہاؤ لیزر بیم کے ساتھ مل کر آؤٹ پٹ ہوتا ہے، جو پگھلے ہوئے تالاب کو ہم آہنگی سے ڈھانپتا ہے، جو تیز رفتار ویلڈنگ کے لیے موزوں ہے۔ اس کا فائدہ اعلی عمل استحکام ہے، لیکن گیس کا بہاؤ لیزر فوکسنگ میں مداخلت کر سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، آٹوموٹیو جستی سٹیل شیٹ (1.2 ملی میٹر) پر کواکسیئل اڑانے کا استعمال کرتے وقت، ویلڈنگ کی رفتار کو 40 ملی میٹر فی سیکنڈ تک بڑھایا جا سکتا ہے، اور اسپٹر کی شرح 0.1 سے کم ہے۔

• سائیڈ ویز اڑنا: گیس کا بہاؤ پگھلے ہوئے تالاب کی طرف سے متعارف کرایا جاتا ہے، جس کا استعمال پلازما یا نیچے کی نجاست کو سمت سے ہٹانے کے لیے کیا جا سکتا ہے، جو کہ گہری دخول ویلڈنگ کے لیے موزوں ہے۔ مثال کے طور پر، جب 12 ملی میٹر موٹی Q345 سٹیل پر 30° کے زاویے پر پھونک مارتے ہیں، تو ویلڈ کی رسائی 18% تک بڑھ جاتی ہے، اور نیچے کی پورسٹی کی شرح 4% سے کم ہو کر 0.8% ہو جاتی ہے۔

• جامع اڑانا: سماکشیی اور سائیڈ وے اڑانے کو ملا کر، یہ بیک وقت آکسیڈیشن اور پلازما کی مداخلت کو دبا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، ڈبل نوزل ​​ڈیزائن کے ساتھ 3 ملی میٹر موٹی 6061 ایلومینیم الائے کے لیے، پوروسیٹی کی شرح 2.5% سے کم ہو کر 0.4% ہو جاتی ہے، اور تناؤ کی طاقت بنیادی مواد کے 95% تک پہنچ جاتی ہے۔

ویلڈنگ کے معیار پر شیلڈنگ گیس کا اثر بنیادی طور پر اس کے توانائی کی منتقلی کے ضابطے، پگھلے ہوئے تالاب کی تھرموڈینامکس، اور کیمیائی رد عمل سے ہوتا ہے:

1. توانائی کی منتقلی: ہیلیم کی اعلی تھرمل چالکتا پگھلے ہوئے تالاب کی ٹھنڈک کو تیز کرتی ہے، گرمی سے متاثرہ زون (HAZ) کی چوڑائی کو کم کرتی ہے۔ آرگن کی کم تھرمل چالکتا پگھلے ہوئے تالاب کے وجود کے وقت کو طول دیتی ہے، جو پتلی پلیٹوں کی سطح کی تشکیل کے لیے فائدہ مند ہے۔

2. پگھلے ہوئے تالاب کا استحکام: گیس کا بہاؤ شیئر فورس کے ذریعے پگھلے ہوئے تالاب کے بہاؤ کو متاثر کرتا ہے، اور مناسب بہاؤ کی شرح چھڑکنے کو دبا سکتی ہے۔ ضرورت سے زیادہ بہاؤ کی شرح بھنور کا سبب بنے گی، جس سے ویلڈ کے نقائص پیدا ہوں گے۔

3. کیمیائی تحفظ: غیر فعال گیسیں آکسیجن کو الگ کرتی ہیں اور مرکب عناصر کے آکسیکرن کو روکتی ہیں (جیسے Cr، Al)؛ فعال گیسیں (جیسے N₂) ٹھوس محلول کو مضبوط بنانے یا مرکب کی تشکیل کے ذریعے ویلڈ کی خصوصیات کو تبدیل کرتی ہیں، لیکن ارتکاز کو درست طریقے سے کنٹرول کرنے کی ضرورت ہے۔