লেজার ওয়েল্ডিং প্রক্রিয়ার উপর সুরক্ষা গ্যাস প্যারামিটারের প্রভাব

লেজার ওয়েল্ডিং প্রযুক্তিএর উচ্চ শক্তি ঘনত্ব, কম তাপ প্রয়োগ এবং অ-স্পর্শ বৈশিষ্ট্যের কারণে, ওয়েল্ডিং আধুনিক সূক্ষ্ম উৎপাদনের অন্যতম প্রধান প্রক্রিয়ায় পরিণত হয়েছে। তবে, ওয়েল্ডিংয়ের সময় গলিত পুল বায়ুমণ্ডলের সংস্পর্শে আসার ফলে সৃষ্ট জারণ, ছিদ্রতা এবং উপাদানের পুড়ে যাওয়ার মতো সমস্যাগুলো ওয়েল্ড সিমের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য এবং কার্যকালকে মারাত্মকভাবে সীমিত করে। ওয়েল্ডিং পরিবেশ নিয়ন্ত্রণের মূল মাধ্যম হিসেবে, সুরক্ষামূলক গ্যাসের ধরন, প্রবাহের হার এবং ফুঁ দেওয়ার পদ্ধতির নির্বাচনকে উপাদানের বৈশিষ্ট্য (যেমন রাসায়নিক সক্রিয়তা, তাপ পরিবাহিতা) এবং প্লেটের পুরুত্বের সাথে মিলিয়ে করতে হয়।

শিল্ডিং গ্যাসের প্রকারভেদ

শিল্ডিং গ্যাসের মূল কাজ হলো অক্সিজেনকে বিচ্ছিন্ন করা, গলিত পুলের আচরণ নিয়ন্ত্রণ করা এবং শক্তি সংযোগের দক্ষতা বৃদ্ধি করা। তাদের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে, শিল্ডিং গ্যাসকে নিষ্ক্রিয় গ্যাস (আর্গন, হিলিয়াম) এবং সক্রিয় গ্যাস (নাইট্রোজেন, কার্বন ডাইঅক্সাইড) এই দুই ভাগে ভাগ করা যায়। নিষ্ক্রিয় গ্যাসের রাসায়নিক স্থিতিশীলতা বেশি এবং এটি কার্যকরভাবে গলিত পুলের জারণ প্রতিরোধ করতে পারে, কিন্তু এদের তাপীয় ভৌত বৈশিষ্ট্যের উল্লেখযোগ্য পার্থক্য ঝালাইয়ের কার্যকারিতাকে ব্যাপকভাবে প্রভাবিত করে। উদাহরণস্বরূপ, আর্গনের (Ar) ঘনত্ব বেশি (১.৭৮৪ কেজি/মি³) এবং এটি একটি স্থিতিশীল প্রলেপ তৈরি করতে পারে, কিন্তু এর কম তাপ পরিবাহিতার (০.০১৭৭ ওয়াট/মি·কেলভিন) কারণে গলিত পুল ধীরে ধীরে শীতল হয় এবং ঝালাইয়ের অনুপ্রবেশ অগভীর হয়। অন্যদিকে, হিলিয়ামের (He) তাপ পরিবাহিতা (0.1513 W/m·K) আর্গনের চেয়ে আটগুণ বেশি এবং এটি গলিত পুলের শীতলীকরণকে ত্বরান্বিত করতে ও ওয়েল্ডের অনুপ্রবেশ বাড়াতে পারে, কিন্তু এর কম ঘনত্ব (0.1785 kg/m³) এটিকে বেরিয়ে যাওয়ার প্রবণতা তৈরি করে, যার ফলে সুরক্ষামূলক প্রভাব বজায় রাখার জন্য উচ্চতর প্রবাহ হারের প্রয়োজন হয়। নাইট্রোজেনের (N₂) মতো সক্রিয় গ্যাস নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে সলিড সলিউশন স্ট্রেংদেনিং-এর মাধ্যমে ওয়েল্ডের শক্তি বাড়াতে পারে, কিন্তু এর অতিরিক্ত ব্যবহারে পোরোসিটি বা ভঙ্গুর ফেজের অধঃক্ষেপণ হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, ডুপ্লেক্স স্টেইনলেস স্টিল ওয়েল্ডিং করার সময়, গলিত পুলে নাইট্রোজেনের ব্যাপন ফেরাইট/অস্টেনাইট ফেজের ভারসাম্য নষ্ট করতে পারে, যার ফলে ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা কমে যায়।

চিত্র ১. 304L স্টেইনলেস স্টিলের লেজার ওয়েল্ডিং (উপরে): Ar গ্যাস শিল্ডিং; (নিচে): N2 গ্যাস শিল্ডিং

প্রক্রিয়া কৌশলের দৃষ্টিকোণ থেকে, হিলিয়ামের উচ্চ আয়নীকরণ শক্তি (২৪.৬ eV) প্লাজমা শিল্ডিং প্রভাবকে দমন করতে এবং লেজার শক্তি শোষণ বাড়াতে পারে, যার ফলে অনুপ্রবেশের গভীরতা বৃদ্ধি পায়। অন্যদিকে, আর্গনের নিম্ন আয়নীকরণ শক্তি (১৫.৮ eV) প্লাজমা ক্লাউড তৈরি করতে পারে, যার হস্তক্ষেপ কমাতে ডিফোকাশিং বা পালস মডুলেশনের প্রয়োজন হয়। এছাড়াও, সক্রিয় গ্যাস এবং গলিত পুলের মধ্যে রাসায়নিক বিক্রিয়া (যেমন স্টিলের ক্রোমিয়ামের সাথে নাইট্রোজেনের বিক্রিয়া) ওয়েল্ডের গঠন পরিবর্তন করতে পারে, এবং উপাদানের বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে সতর্ক নির্বাচন প্রয়োজন।

উপাদান প্রয়োগের উদাহরণ:

• ইস্পাত: পাতলা প্লেট (<৩ মিমি) ওয়েল্ডিংয়ের ক্ষেত্রে, আর্গন গ্যাস পৃষ্ঠতলের মসৃণতা নিশ্চিত করতে পারে, যেখানে ১.৫ মিমি নিম্ন-কার্বন ইস্পাতের ওয়েল্ড সিমের জন্য অক্সাইড স্তরের পুরুত্ব মাত্র ০.৫ μm হয়; পুরু প্লেটের (>১০ মিমি) জন্য, অনুপ্রবেশের গভীরতা বাড়াতে অল্প পরিমাণে হিলিয়াম (He) যোগ করার প্রয়োজন হয়।

• স্টেইনলেস স্টিল: আর্গন সুরক্ষা ক্রোমিয়াম (Cr) উপাদানের ক্ষয় রোধ করতে পারে, যেখানে ৩ মিমি পুরু ৩০৪ স্টেইনলেস স্টিলের ওয়েল্ড সিমে ক্রোমিয়ামের পরিমাণ ১৮.২% থাকে, যা মূল ধাতুর ১৮.৫%-এর কাছাকাছি; ডুপ্লেক্স স্টেইনলেস স্টিলের ক্ষেত্রে, এই অনুপাতের ভারসাম্য রক্ষার জন্য একটি Ar-N₂ মিশ্রণ (N₂ ≤ ৫%) প্রয়োজন হয়। গবেষণায় দেখা গেছে যে, ৮ মিমি পুরু ২২০৫ ডুপ্লেক্স স্টেইনলেস স্টিলের জন্য যখন একটি Ar-২% N₂ মিশ্রণ ব্যবহার করা হয়, তখন ফেরাইট/অস্টেনাইট অনুপাত ৪৮:৫২-তে স্থিতিশীল থাকে এবং এর টেনসাইল স্ট্রেংথ হয় ৭৮০ MPa, যা বিশুদ্ধ আর্গন সুরক্ষার (৭২০ MPa) চেয়ে উন্নত।

• অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়: পাতলা প্লেট (<৩ মিমি): অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়ের উচ্চ প্রতিফলন ক্ষমতার কারণে এর শক্তি শোষণের হার কম, এবং হিলিয়াম তার উচ্চ আয়নীকরণ শক্তি (২৪.৬ eV) দিয়ে প্লাজমাকে স্থিতিশীল করতে পারে। গবেষণায় দেখা গেছে যে, যখন ২ মিমি পুরু ৬০৬১ অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়কে হিলিয়াম দিয়ে সুরক্ষিত করা হয়, তখন অনুপ্রবেশের গভীরতা ১.৮ মিমি-তে পৌঁছায়, যা আর্গনের তুলনায় ২৫% বেশি, এবং ছিদ্রের হার ১%-এর কম থাকে। পুরু প্লেটের জন্য (>৫ মিমি): অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়ের পুরু প্লেটে উচ্চ শক্তির প্রয়োজন হয়, এবং হিলিয়াম-আর্গন মিশ্রণ (He:Ar = ৩:১) অনুপ্রবেশের গভীরতা এবং খরচ উভয়ের মধ্যে ভারসাম্য বজায় রাখতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, ৮ মিমি পুরু ৫০৮৩ প্লেট ওয়েল্ডিং করার সময়, মিশ্র গ্যাসের সুরক্ষায় অনুপ্রবেশের গভীরতা ৬.২ মিমি-তে পৌঁছায়, যা বিশুদ্ধ আর্গন গ্যাসের তুলনায় ৩৫% বেশি, এবং ওয়েল্ডিং খরচ ২০% কমে যায়।

দ্রষ্টব্য: মূল লেখায় কিছু ভুল ও অসঙ্গতি রয়েছে। প্রদত্ত অনুবাদটি লেখাটির সংশোধিত ও সুসংহত সংস্করণের উপর ভিত্তি করে করা হয়েছে।

আর্গন গ্যাস প্রবাহ হারের প্রভাব

আর্গন গ্যাসের প্রবাহ হার সরাসরি গ্যাস আচ্ছাদন ক্ষমতা এবং গলিত পুলের তরল গতিবিদ্যাকে প্রভাবিত করে। যখন প্রবাহ হার অপর্যাপ্ত হয়, তখন গ্যাসের স্তর বাতাসকে সম্পূর্ণরূপে বিচ্ছিন্ন করতে পারে না এবং গলিত পুলের কিনারায় জারণ ও গ্যাস ছিদ্র তৈরি হওয়ার প্রবণতা দেখা দেয়; যখন প্রবাহ হার খুব বেশি হয়, তখন এটি অশান্তি সৃষ্টি করতে পারে, যা গলিত পুলের পৃষ্ঠকে ধুয়ে ফেলতে পারে এবং ঝালাইয়ের অবনমন বা স্প্যাটারের কারণ হতে পারে। তরল বলবিদ্যার রেনল্ডস সংখ্যা (Re = ρvD/μ) অনুসারে, প্রবাহ হার বাড়লে গ্যাসের প্রবাহের বেগও বাড়ে। যখন Re > 2300 হয়, তখন স্তরিত প্রবাহ অশান্ত প্রবাহে পরিণত হয়, যা গলিত পুলের স্থিতিশীলতা নষ্ট করে দেয়। অতএব, সংকটপূর্ণ প্রবাহ হার নির্ণয়ের জন্য পরীক্ষা-নিরীক্ষা বা সংখ্যাসূচক সিমুলেশনের (যেমন CFD) মাধ্যমে বিশ্লেষণ করা প্রয়োজন।

চিত্র ২. ওয়েল্ড সিমের উপর বিভিন্ন গ্যাস প্রবাহ হারের প্রভাব

উপাদানের তাপ পরিবাহিতা এবং পাতের পুরুত্বের সাথে সমন্বয় করে প্রবাহের অনুকূলীকরণ করা উচিত:

• স্টিল এবং স্টেইনলেস স্টিলের জন্য: পাতলা স্টিল প্লেটের (১-২ মিমি) ক্ষেত্রে, প্রবাহের হার ১০-১৫ লিটার/মিনিট হওয়া বাঞ্ছনীয়। পুরু প্লেটের (>৬ মিমি) ক্ষেত্রে, টেইল অক্সিডেশন দমন করার জন্য এটি বাড়িয়ে ১৮-২২ লিটার/মিনিট করা উচিত। উদাহরণস্বরূপ, যখন ৬ মিমি পুরু 316L স্টেইনলেস স্টিলের প্রবাহের হার ২০ লিটার/মিনিট হয়, তখন HAZ (হিট-অ্যাক্সেস জোন)-এর কাঠিন্যের সমরূপতা ৩০% উন্নত হয়।

• অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়ের ক্ষেত্রে: উচ্চ তাপ পরিবাহিতার কারণে সুরক্ষার সময় বাড়ানোর জন্য উচ্চ প্রবাহ হারের প্রয়োজন হয়। ৩ মিমি পুরু ৭০৭৫ অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়ের ক্ষেত্রে, যখন প্রবাহ হার ২৫-৩০ লিটার/মিনিট হয়, তখন ছিদ্রের হার সর্বনিম্ন (০.৩%) থাকে। তবে, অতি-পুরু প্লেটের (>১০ মিমি) জন্য, অশান্তি এড়াতে কম্পোজিট ব্লোয়িং-এর সাথে সমন্বয় করা প্রয়োজন।

ফুঁ দেওয়ার গ্যাস মোডের প্রভাব

ব্লোয়িং গ্যাস মোড গ্যাস প্রবাহের দিক ও বণ্টন নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে গলিত পুলের প্রবাহের ধরণ এবং ত্রুটি দমনের প্রভাবকে সরাসরি প্রভাবিত করে। ব্লোয়িং গ্যাস মোড পৃষ্ঠটান গ্রেডিয়েন্ট এবং মারাঙ্গোনি প্রবাহ (Marangoni flow) পরিবর্তনের মাধ্যমে গলিত পুলের প্রবাহকে নিয়ন্ত্রণ করে। পার্শ্বীয় ব্লোয়িং গলিত পুলকে একটি নির্দিষ্ট দিকে প্রবাহিত হতে প্ররোচিত করতে পারে, যা ছিদ্র এবং স্ল্যাগ অন্তর্ভুক্তি হ্রাস করে; যৌগিক ব্লোয়িং বহু-দিকীয় গ্যাস প্রবাহের মাধ্যমে শক্তির বণ্টনে ভারসাম্য এনে ওয়েল্ড গঠনের সমরূপতা উন্নত করতে পারে।

ফুঁ দেওয়ার প্রধান পদ্ধতিগুলো হলো:

• কোঅ্যাক্সিয়াল ব্লোয়িং: এই পদ্ধতিতে গ্যাস প্রবাহ লেজার রশ্মির সাথে সমাক্ষীয়ভাবে নির্গত হয়, যা গলিত পুলকে প্রতিসমভাবে আবৃত করে এবং উচ্চ-গতির ওয়েল্ডিংয়ের জন্য উপযুক্ত। এর সুবিধা হলো উচ্চ প্রক্রিয়া স্থিতিশীলতা, কিন্তু গ্যাস প্রবাহ লেজার ফোকাসিংয়ে বাধা সৃষ্টি করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, অটোমোটিভ গ্যালভানাইজড স্টিল শিটে (১.২ মিমি) কোঅ্যাক্সিয়াল ব্লোয়িং ব্যবহার করলে, ওয়েল্ডিংয়ের গতি ৪০ মিমি/সেকেন্ড পর্যন্ত বাড়ানো যায় এবং স্প্যাটার রেট ০.১-এর কম থাকে।

• পার্শ্বীয় ব্লোয়িং: গলিত পুলের পাশ থেকে গ্যাস প্রবাহ প্রবেশ করানো হয়, যা প্লাজমা বা তলার অশুদ্ধি একমুখীভাবে অপসারণ করতে ব্যবহার করা যেতে পারে এবং এটি ডিপ পেনিট্রেশন ওয়েল্ডিংয়ের জন্য উপযুক্ত। উদাহরণস্বরূপ, ১২ মিমি পুরু Q345 স্টিলের উপর ৩০° কোণে ব্লোয়িং করলে, ওয়েল্ড পেনিট্রেশন ১৮% বৃদ্ধি পায় এবং তলার পোরোসিটি রেট ৪% থেকে কমে ০.৮% হয়।

• কম্পোজিট ব্লোয়িং: সমাক্ষীয় এবং পার্শ্বীয় ব্লোয়িং-এর সমন্বয়ে এটি একই সাথে জারণ এবং প্লাজমা ইন্টারফেরেন্স দমন করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, ডাবল নজল ডিজাইনের মাধ্যমে ৩ মিমি পুরু ৬০৬১ অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয়ের ক্ষেত্রে পোরোসিটি রেট ২.৫% থেকে কমে ০.৪%-এ নেমে আসে এবং টেনসাইল স্ট্রেংথ মূল উপাদানের ৯৫%-এ পৌঁছায়।

ঝালাইয়ের মানের উপর শিল্ডিং গ্যাসের প্রভাব মূলত শক্তি স্থানান্তর, গলিত পুলের তাপগতিবিদ্যা এবং রাসায়নিক বিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের উপর নির্ভর করে।

১. শক্তি স্থানান্তর: হিলিয়ামের উচ্চ তাপ পরিবাহিতা গলিত পুঞ্জের শীতলীকরণকে ত্বরান্বিত করে, ফলে তাপ-প্রভাবিত অঞ্চলের (HAZ) প্রস্থ হ্রাস পায়; আর্গনের নিম্ন তাপ পরিবাহিতা গলিত পুঞ্জের স্থায়িত্বকাল দীর্ঘায়িত করে, যা পাতলা পাতের পৃষ্ঠতল গঠনের জন্য সহায়ক।

২. গলিত পুলের স্থিতিশীলতা: গ্যাসের প্রবাহ শিয়ার ফোর্সের মাধ্যমে গলিত পুলের প্রবাহকে প্রভাবিত করে, এবং একটি উপযুক্ত প্রবাহ হার স্প্যাটার দমন করতে পারে; অতিরিক্ত প্রবাহ হার ঘূর্ণি সৃষ্টি করবে, যা ওয়েল্ডিং ত্রুটির কারণ হবে।

৩. রাসায়নিক সুরক্ষা: নিষ্ক্রিয় গ্যাস অক্সিজেনকে বিচ্ছিন্ন করে এবং সংকর ধাতুর উপাদানগুলির (যেমন ক্রোমিয়াম, অ্যালুমিনিয়াম) জারণ প্রতিরোধ করে; সক্রিয় গ্যাস (যেমন নাইট্রোজেন) কঠিন দ্রবণ শক্তিশালীকরণ বা যৌগ গঠনের মাধ্যমে ঝালাইয়ের বৈশিষ্ট্য পরিবর্তন করে, কিন্তু এর ঘনত্ব সঠিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করা প্রয়োজন।