Chapter 3 Basic metallurgy of Fusion Weld

 

Chapter 3 

Basic metallurgy of Fusion Weld

3.1 परिचय

यद्यपि fusion welding द्वारा बनाया गया weldment एक monolithic structure का निर्माण करता है, फिर भी ऐसा joint धातुकर्मीय (metallurgical) संरचना की दृष्टि से प्रत्येक बिंदु पर समान नहीं होता, जिसके परिणामस्वरूप उसके mechanical properties में भी स्थान-स्थान पर भिन्नता पाई जाती है। इसका कारण यह है कि welding के दौरान एक temperature gradient विकसित होता है, जो weld pool के केंद्र में प्राप्त होने वाले उच्चतम तापमान से लेकर weld axis के अनुप्रस्थ (transverse) दिशा में ambient temperature तक क्रमशः बदलता रहता है।

इस प्रकार प्रभावित होने वाले zone का विस्तार मुख्यतः heat input per unit time, welding velocity, तथा work material के भौतिक गुणों जैसे melting point, thermal diffusivity आदि पर निर्भर करता है।

मूल रूप से एक weldment को तीन अलग-अलग zones में विभाजित किया जा सकता है, अर्थात् Weld Metal (WM) zone, जो weld bead का निर्माण करता है; Heat Affected Zone (HAZ); तथा अप्रभावित Base Metal (BM) zone। Low carbon steels, जो विश्व में सबसे अधिक welded material है, के लिए weldment के इन तीनों zones को iron-carbon equilibrium diagram पर दर्शाया जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.1 में दिखाया गया है।

WM zone और HAZ के बीच एक क्षेत्र होता है जिसे Fusion Zone कहा जाता है। यह parent metal का वह आयतन (volume) होता है जो वास्तव में पिघल जाता है, जैसा कि Fig. 3.2 में दर्शाया गया है, और बाद में Weld Metal zone अथवा weld bead का एक भाग बन जाता है।



जबकि Weld Metal Zone वास्तव में weld bead का निर्माण करता है और इसकी संरचना (structure) एक cast structure होती है, वहीं HAZ (Heat Affected Zone) को एक प्रकार से weldment का heat treated portion माना जा सकता है। दूसरी ओर, अप्रभावित Base Metal मूल work material होता है, जिसके साथ एक छोटा-सा क्षेत्र भी शामिल होता है जिसे लगभग 650°C तक गर्म किया गया होता है। इस कारण उसके grain size तथा परिणामस्वरूप उसके mechanical properties में हल्का परिवर्तन हो सकता है।

Material composition, welding speed तथा heat input की मात्रा के आधार पर, fusion welding द्वारा बने weldment के विभिन्न zones में अलग-अलग microstructures विकसित हो सकते हैं। Weld Metal Zone और HAZ में बनने वाले microstructures पर heating एवं cooling cycles के प्रभाव तथा उनके mechanical properties और service behaviour पर पड़ने वाले परिणामों का संक्षिप्त विवरण आगे के अनुभागों में दिया गया है।

3.2 Weld Metal Zone

Weld Metal Zone का निर्माण weld pool के solidification द्वारा होता है। Weld pool स्वयं parent material के एक भाग के पिघलने तथा, यदि प्रयोग किया जाए, electrode के पिघलने से प्राप्त अतिरिक्त धातु (additional material) के मिश्रण से बनता है।

यद्यपि weld pool कुछ हद तक metal mould casting के समान प्रतीत होता है, फिर भी दोनों स्थितियों में महत्वपूर्ण अंतर मौजूद होता है। Metal mould में पिघली हुई धातु (molten metal) को ठंडी या अपेक्षाकृत ठंडी mould cavity में डाला जाता है, जिसके कारण सामान्यतः molten metal temperature और mould wall temperature के बीच काफी अंतर होता है। इसके विपरीत, welding की स्थिति में weld pool के केंद्र से थोड़ी दूरी तक तापमान में क्रमिक (gradual) परिवर्तन होता है।

इसके अतिरिक्त, किसी casting के solidification के लिए आवश्यक है कि molten metal को undercooled किया जाए, ताकि solid grains के nucleation के लिए पर्याप्त free energy उपलब्ध हो सके। इसके बाद ये solid grains पिघली हुई धातु (melt) के भीतर बढ़ते हैं। किसी भी individual grain की वृद्धि तभी शुरू होती है जब वह एक critical radius प्राप्त कर लेता है, जो degree of undercooling पर निर्भर करता है।

इसके विपरीत, weld pool में उपस्थित molten metal का solidification उस समय शुरू हो जाता है जब उसका तापमान उस material composition के liquidus temperature तक पहुँच जाता है। इसमें undercooling की आवश्यकता नहीं होती, क्योंकि आंशिक रूप से पिघले हुए grains स्वयं nuclei का कार्य करते हैं, जिनसे नए grains की वृद्धि solidifying weld pool के भीतर शुरू हो जाती है। इस प्रकार के solidification को Epitaxial Solidification कहा जाता है।

इस अनुभाग में solidification के इन दोनों प्रकारों की चर्चा की गई है तथा विभिन्न thermal gradients के अंतर्गत प्राप्त होने वाले संभावित microstructures का विस्तृत वर्णन प्रस्तुत किया गया है।

3.2.1 Metals और Alloys के Solidification का सामान्य सिद्धांत

(Permanent Mould Castings में Grains की Growth)

Mould में उपस्थित molten metal का solidification सूक्ष्म grains अथवा crystals के nucleation से प्रारम्भ होता है। ये छोटे-छोटे grains बाद में उपलब्ध crystallographic तथा thermal conditions के प्रभाव में बढ़ते हैं। इन grains का आकार (size) और प्रकृति (character) मुख्य रूप से material composition तथा cooling rate द्वारा नियंत्रित होती है। Growth तब तक जारी रहती है जब तक उपलब्ध समस्त molten metal ठोस (solid) रूप में परिवर्तित नहीं हो जाता।

मूलतः metals और alloys के solidification का कारण यह है कि किसी solid crystal में atoms की व्यवस्था (arrangement) उसी धातु के molten state की तुलना में कम free energy रखती है। हालांकि freezing point से ऊपर liquid state अधिक स्थिर (stable) होती है। Freezing point पर किसी भी दिशा में परिवर्तन के लिए कोई driving force नहीं होती, अर्थात् free energy change शून्य होता है और प्रणाली equilibrium की अवस्था में होती है।

इसी कारण molten metal से भरा हुआ crucible ठीक freezing point पर जमना प्रारम्भ नहीं करता, क्योंकि उस समय solidification के लिए कोई driving force उपलब्ध नहीं होती। यह किसी निम्न तापमान पर जमना प्रारम्भ करता है। Liquid-solid equilibrium temperature से जितना अधिक तापमान नीचे लाया जाता है, solidification के लिए driving force उतनी ही अधिक हो जाती है।

प्रयोगों द्वारा यह सिद्ध किया गया है कि किसी molten metal में crystals स्वतः (spontaneously) तब तक नहीं बन सकते जब तक melt को पर्याप्त मात्रा में undercool न किया जाए।

Pure metals में crystals के spontaneous nucleation के लिए आवश्यक undercooling सामान्यतः equilibrium freezing temperature (Kelvin scale में व्यक्त) का लगभग 20% होता है। लेकिन व्यवहार में melt में प्रायः कुछ foreign bodies उपस्थित होते हैं, जो nucleation को अत्यधिक सरल बना देते हैं और केवल कुछ डिग्री सेल्सियस (°C) के undercooling पर ही crystals बनने लगते हैं।

Solidification तुरंत प्रारम्भ न होने का कारण यह है कि liquid-solid equilibrium temperature से थोड़ा नीचे तापमान होने पर भी नए crystal surface के निर्माण के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह उसी प्रकार है जैसे surface tension के विरुद्ध किसी soap bubble को फुलाने और बड़ा करने के लिए ऊर्जा लगती है।

Nucleation मुख्यतः दो प्रकार की होती है:

  1. Homogeneous Nucleation
  2. Heterogeneous Nucleation

Homogeneous Nucleation वह प्रक्रिया है जिसमें किसी नए phase का निर्माण बिना किसी विशेष nucleation sites की सहायता के होता है। यह प्रक्रिया pure metal melt में संभव होती है।

Heterogeneous Nucleation वह प्रक्रिया है जिसमें solid phase crystallization किसी foreign nuclei की सहायता से होती है। व्यवहारिक रूप से यही nucleation का प्रमुख रूप है।

3.2.1.1 Homogeneous Nucleation

Homogeneous Nucleation में solid material की lattice structure वाले छोटे-छोटे atomic groups किसी भी liquid metal melt में संयोगवश लगातार बनते और पुनः घुलते (redissolve) रहते हैं। इन छोटे ठोस कणों (solid particles) के वास्तविक crystals में विकसित होने की संभावना growth process की energetics पर निर्भर करती है।

Homogeneous Nucleation का तापमान हमेशा equilibrium freezing point से कम होता है क्योंकि surface tension forces को पार करना आवश्यक होता है, जो nucleus growth का विरोध करती हैं।

दूसरे शब्दों में, supercooled grain का nucleation मुख्यतः दो कारकों द्वारा नियंत्रित होता है:

  1. Solidification process के लिए उपलब्ध free energy
  2. Liquid-solid interface (नए surface) के निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा, जिसे कभी-कभी surface energy भी कहा जाता है।

Solid nucleus के निर्माण को प्रेरित करने वाली ऊर्जा liquid phase और solid phase के बीच प्रति इकाई आयतन (unit volume) की free energy difference होती है। इस मात्रा को bulk-free energy change कहा जाता है तथा इसे ΔFv द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। इसे सामान्यतः joules/cm³ में व्यक्त किया जाता है।

Freezing point से नीचे सभी तापमानों पर ΔFv ऋणात्मक (negative) होता है, अर्थात उस स्थिति में solid phase अधिक स्थिर होती है और उसकी free energy liquid phase की अपेक्षा कम होती है।

यदि radius r वाला एक spherical particle बनता है, तो उससे संबंधित bulk-free energy change होगा:



नए surface के निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा surface tension (σ) पर निर्भर करती है, जिसे joules/cm² में व्यक्त किया जाता है।

इस प्रकार कुल net free energy change (ΔF) होगा:

...(3.1)

यहाँ surface energy term धनात्मक (positive) है जबकि bulk-free energy term ऋणात्मक (negative) होती है। इसलिए ΔF और particle size के बीच संबंध का ग्राफ एक अधिकतम मान (maximum) दर्शाता है, जैसा कि Fig. 3.3 में दिखाया गया है।



इस अधिकतम बिंदु पर प्राप्त radius को critical radius (r*) कहा जाता है।

यदि किसी particle का radius इस critical radius से अधिक हो जाता है, तो आगे की growth से free energy कम होती है और crystal growth स्वतः (spontaneously) जारी रहती है।

इसके विपरीत, यदि particle radius r* से कम है, तो वह पुनः redissolve हो जाएगा क्योंकि उसके आकार में कमी आने से free energy कम हो जाती है।

Critical radius का मान Equation (3.1) को r के सापेक्ष differentiate करके तथा परिणाम को शून्य के बराबर रखकर प्राप्त किया जाता है:


अतः,

...(3.2)

जहाँ r*, critical nucleus size को प्रदर्शित करता है।

Critical Radius (r*) से संबंधित इस समीकरण का महत्व यह है कि यदि critical radius को बहुत छोटा बनाना हो, तो ΔFv का मान ऋणात्मक (negative) दिशा में बहुत बड़ा होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, homogeneous nucleation के लिए अत्यधिक supercooling (undercooling) आवश्यक होता है।

Surface tension (σ) का मान तापमान के साथ बहुत अधिक नहीं बदलता, जबकि ΔFv का मान supercooling बढ़ने पर बढ़ता जाता है (अर्थात अधिक ऋणात्मक हो जाता है)। परिणामस्वरूप बहुत छोटे आकार का nucleus भी स्थिर (stable) हो सकता है, जैसा कि Fig. 3.4 में दर्शाया गया है।


स्पष्ट रूप से, melt में random atomic motion के कारण स्वतः बनने वाला nucleus सामान्यतः केवल कुछ atoms के आकार का होता है। इसलिए उसके लिए critical nucleus size से बड़ा होना और स्वतः वृद्धि (spontaneous growth) करना तभी संभव है जब पर्याप्त supercooling उपलब्ध हो।

एक बार जब critical radius प्राप्त हो जाता है, तो crystal तीव्र (accelerated) गति से बढ़ना शुरू कर देता है। इस प्रक्रिया के दौरान latent heat of fusion मुक्त होती है, जिसके कारण तापमान में वृद्धि होती है। तापमान बढ़ने से नए nucleating sites की संख्या कम हो जाती है।

जब severe undercooling प्राप्त किया जाता है, तब बड़ी संख्या में स्थिर (stable) nuclei बन जाते हैं। इससे उपलब्ध liquid metal का अधिकांश भाग इन अनेक nuclei के बीच विभाजित हो जाता है और प्रत्येक crystal को बढ़ने के लिए अपेक्षाकृत कम धातु मिलती है। परिणामस्वरूप fine-grained structure प्राप्त होती है।

इसके विपरीत, यदि undercooling कम हो, तो nucleating sites की संख्या भी कम होगी। ऐसी स्थिति में प्रत्येक grain को बढ़ने के लिए अधिक liquid metal उपलब्ध होता है, जिससे वे बड़े आकार तक विकसित हो जाते हैं। साथ ही उनकी growth rate भी अधिक होती है। परिणामस्वरूप coarse-grained structure बनती है, जैसा कि Fig. 3.5 से स्पष्ट होता है।



3.2.1.2 Heterogeneous Nucleation

अधिकांश वास्तविक castings में crystallization, heterogeneous nucleation के माध्यम से होती है। इसका मुख्य कारण यह है कि यदि बनने वाला नया phase किसी foreign particle पर वृद्धि (grow) करने के लिए उपलब्ध हो जाए, तो वह उस particle के अपेक्षाकृत बड़े radius को प्रभावी रूप से अपना radius मान सकता है। परिणामस्वरूप homogeneous nucleation की तुलना में बहुत कम undercooling की आवश्यकता होती है।

मात्रात्मक (quantitative) रूप से यह संबंध इस बात पर निर्भर करता है कि नया phase, उस foreign particle को किस सीमा तक wet करता है। यदि foreign particle के atoms और बनने वाले precipitating phase के atoms के बीच कोई आकर्षण (attraction) नहीं है, तो nucleation में कोई सहायता नहीं मिलती।

सामान्यतः mould wall अनेक heterogeneous nucleation sites प्रदान करती है। हालांकि सबसे उत्तम nucleus वह particle होता है जो स्वयं उसी precipitate का बना हो जिसकी crystallization हो रही है।

3.2.1.3 Freezing of Alloys

पिछले अनुभाग में मुख्यतः pure metals के solidification की चर्चा की गई थी। लेकिन औद्योगिक (industrial) उपयोग में pure metals अपेक्षाकृत कम प्रयुक्त होते हैं, जबकि alloys का व्यापक उपयोग किया जाता है।

Alloys का solidification, pure metals के solidification से तीन प्रमुख प्रकार से भिन्न होता है:

  1. सामान्यतः alloys का freezing एक temperature range में होता है, जबकि pure metals का एक निश्चित melting point होता है।
  2. सबसे पहले बनने वाले solid phase की composition, liquid phase की composition से भिन्न होती है।
  3. कभी-कभी liquid से एक ही समय में एक से अधिक solid phases की crystallization हो सकती है।

मुख्य रूप से alloys दो प्रकार के होते हैं:

  • Solid-Solution Alloys
  • Eutectic Alloys

इसके अतिरिक्त एक अन्य प्रकार के alloys, जिन्हें Peritectic Alloys कहा जाता है, भी कभी-कभी औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण steels में पाए जाते हैं।

(a) Solid-Solution Alloys

दो ऐसी धातुएँ (metals) जो अपनी liquid state में एक-दूसरे में पूर्णतः घुलनशील (mutually soluble) होती हैं, उनका व्यवहार water और alcohol के मिश्रण के समान होता है। ऐसा liquid alloy एक ही पदार्थ (one-substance liquid) जैसा दिखाई देता है।

इसी प्रकार, किसी alloy में उपस्थित दोनों metals भी एक-दूसरे से अलग पहचान में नहीं आतीं। यह एकल पदार्थ जैसी विशेषता (single substance behaviour) solid alloys में भी बनी रह सकती है।

ऐसे alloy को Solid-Solution Alloy कहा जाता है, क्योंकि इसमें दोनों metals एक-दूसरे में परस्पर घुलनशील (mutually soluble) होती हैं।

Copper-Nickel तथा Gold-Silver Alloys, Solid-Solution Alloys के प्रसिद्ध उदाहरण हैं।

इसी प्रकार, एक निश्चित carbon range के भीतर steel भी solid-solution alloy का व्यवहार प्रदर्शित करती है। उदाहरण के लिए, 0.6% Carbon Steel, Iron और Carbon का एक solid-solution alloy है।

Solidification of Solid-Solution Alloys

यदि metal B को liquid (molten) metal A में घोलकर एक liquid alloy बनाया जाए, तो उसकी crystallization को phase diagram की सहायता से समझा जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.6(a) में दर्शाया गया है।

मान लें कि metal B को मिलाने से metal A का freezing point कम हो जाता है, जैसा कि liquidus line द्वारा प्रदर्शित किया गया है। इसके अतिरिक्त, composition Co वाला alloy किसी एक निश्चित तापमान पर नहीं जमता, बल्कि एक temperature range में freeze होता है।

एक अन्य महत्वपूर्ण तथ्य यह है कि जब alloy का solidification होता है, तब बनने वाले solid की composition, मूल liquid की composition के समान नहीं होती, बल्कि उसमें metal A की मात्रा अधिक होती है।

Metal A की crystal structure में उपस्थित metal B atoms, solid-solution के रूप में विद्यमान रहते हैं तथा metal A atoms के बीच atomic dispersion के रूप में वितरित होते हैं। इन प्रभावों के कारण solidification pattern, pure metals के solidification से भिन्न हो जाता है।

जिस तापमान पर freezing process पूरी तरह समाप्त होती है, उसे solidus temperature कहा जाता है।

यदि composition Co वाला एक homogeneous melt लिया जाए, तो सबसे पहले बनने वाले crystals की composition Cs होगी।

यदि solidification अपेक्षाकृत तेज़ (rapid) हो और diffusion न हो सके, तो solid-liquid interface के निकट स्थित liquid में solute (metal B) की मात्रा बढ़ जाती है। परिणामस्वरूप यह क्षेत्र metal B से अधिक समृद्ध (richer) हो जाता है, जबकि interface से दूर स्थित liquid की composition लगभग अपरिवर्तित रहती है।

Metal B के प्रतिशत में दूरी (distance) के साथ होने वाले परिवर्तन को Fig. 3.6(b) में liquidus और solidus तापमानों के बीच दर्शाया गया है।

मान लें कि mould को बहुत तेजी से भरा गया है तथा प्रारम्भिक अवस्था में (time t = 0) कोई temperature gradient मौजूद नहीं है, जैसा कि Fig. 3.6(c) में दिखाया गया है।

अब composition Co के liquidus temperature को TE मानते हैं।

यह भी मान लेते हैं कि समय के साथ एक thermal gradient स्थापित हो जाता है तथा crystallization शुरू होने से पहले liquid alloy कुछ मात्रा में supercooled हो जाता है। यह अवस्था time t₁ पर मानी जाती है।

इसके बाद time t₂ की स्थिति पर विचार करें, जब पर्याप्त मात्रा में solid phase बन चुकी हो।

यदि pure metal की तरह ही एक temperature gradient मान लिया जाए, तो इस अवस्था और pure metal solidification के बीच मुख्य अंतर यह होगा कि अब शेष बची हुई liquid phase का liquidus temperature, solid-liquid interface से दूरी के साथ बदलता रहता है। इसे Fig. 3.6 में dashed line द्वारा दर्शाया गया है।


Interface के निकट, liquid में component B के एकत्रित होने (buildup) के कारण freezing temperature काफी कम हो जाती है और यह TE से नीचे चली जाती है।

इसके विपरीत, interface से दूर स्थित liquid में यदि diffusion को नगण्य माना जाए, तो उसकी composition अभी भी मूल composition Co के लगभग बराबर रहती है। इसलिए उस क्षेत्र का equilibrium freezing temperature अभी भी TE बना रहता है।

यह ध्यान देने योग्य है कि point x पर स्थित liquid region का freezing point (जिसे dashed line द्वारा दर्शाया गया है) interface पर स्थित liquid के freezing point से अधिक होता है। साथ ही, point x पर वास्तविक धातु का तापमान (actual metal temperature) भी interface के तापमान से अधिक होता है।

फिर भी, point x पर liquidus temperature और actual temperature के बीच का अंतर, interface पर मौजूद इसी अंतर से अधिक होता है। ऐसी स्थिति में point x पर उपस्थित liquid को constitutionally supercooled कहा जाता है।

इस कारण point x पर स्थित liquid की bulk free energy, जो crystallization के लिए उपलब्ध होती है, अधिक हो जाती है।

Constitutional Supercooling का Crystallization पर प्रभाव

Constitutional supercooling का crystallization पर प्रभाव मुख्यतः supercooling की मात्रा पर निर्भर करता है और इसे तीन प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।

(i) Minor Supercooling

यदि supercooling की मात्रा कम हो, तो interface के कुछ विशेष (preferred) क्षेत्र supercooled region की ओर नुकीले उभार (spikes) के रूप में आगे बढ़ने लगते हैं। एक बार इनके बनने के बाद इनकी growth rate, आसपास के क्षेत्रों की तुलना में अधिक हो जाती है, जैसा कि Fig. 3.7(a) में दिखाया गया है।

ऐसा दो कारणों से होता है:

  • Supercooled region में freezing के लिए उपलब्ध driving force अधिक होती है।
  • बढ़ते हुए spikes अपने किनारों (sides) पर solute को बाहर निकालते हैं (reject करते हैं), जिससे आसपास के क्षेत्रों का freezing विलंबित हो जाता है।

इन spikes के विकास से अंततः honeycomb structure का निर्माण हो सकता है।

(ii) Greater Supercooling

यदि supercooling और अधिक बढ़ जाए, तो ये spikes अपने किनारों पर शाखाएँ (side arms) विकसित करने लगते हैं।

इससे dendritic structure का निर्माण होता है, जैसा कि Fig. 3.7(b) में दर्शाया गया है।

इस प्रकार की वृद्धि को dendritic growth कहा जाता है, जिसमें मुख्य शाखा और उसकी उपशाखाएँ वृक्ष जैसी आकृति बनाती हैं।


(iii) Extreme Supercooling

जब supercooling अत्यधिक हो जाती है, तब Tliquidus – Tsolidus का अंतर, जो Fig. 3.6(c) में point y के आसपास अधिकतम होता है, इतना बड़ा हो सकता है कि independent crystallization प्रारम्भ हो जाए।

इस स्थिति में solid-liquid interface से दूर भी नए crystals स्वतः बनने लगते हैं।

परिणामस्वरूप alloy casting के केंद्रीय भाग (central region) में यादृच्छिक दिशा (random orientation) वाले equiaxed grains प्राप्त होते हैं।

इस प्रकार की अत्यधिक undercooling की स्थिति Fig. 3.8 में दर्शाई गई है, जहाँ dendrites तथा equiaxed grains दोनों एक साथ उपस्थित रहते हैं। ऐसी संरचना को composite structure कहा जाता है।

Solute Distribution Factor (K)

Solute की सापेक्ष घुलनशीलता (relative solubility) को K factor द्वारा व्यक्त किया जाता है:


जहाँ,

  • Cs = solid phase में solute concentration
  • Cl = liquid phase में solute concentration

सामान्यतः K का मान 0.01 से 0.05 के बीच होता है।

Thermal Gradient और Weld Metal Structure

जब K factor तथा thermal gradient दोनों कम होते हैं, तब weld metal के केंद्र तक भी constitutional supercooling विकसित हो सकती है।

दूसरी ओर, यह ध्यान रखना चाहिए कि thermal gradient जितना अधिक तीव्र (steeper) होगा, planar growth अथवा columnar growth की संभावना उतनी ही अधिक होगी।

उच्च thermal gradient के निम्नलिखित लाभ होते हैं:

  • Dendritic growth को कम करता है।
  • Freezing interface के आगे होने वाली random crystallization को रोकता है।
  • Solidification को अधिक नियंत्रित बनाता है।
  • Metal flow को बेहतर बनाए रखता है जिससे shrinkage feeding सरल हो जाती है।

अर्थात, chilled castings जैसी परिस्थितियों में जहाँ thermal gradient बहुत तीव्र होती है, वहाँ feeding problems अपेक्षाकृत कम होती हैं और solidification अधिक सुव्यवस्थित रूप से होती है।

ate of Solidification और Thermal Gradient के बीच का संबंध microstructure के प्रकार का पूर्वानुमान लगाने में अत्यंत उपयोगी होता है। इन दोनों कारकों के संयुक्त प्रभाव के आधार पर बनने वाली weld metal structure का स्वरूप निर्धारित किया जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.9 में दर्शाया गया है।

सामान्यतः:

  • जब thermal gradient अधिक तथा rate of solidification नियंत्रित होती है, तब planar या columnar grains का निर्माण होता है।
  • Thermal gradient के कम होने और constitutional supercooling के बढ़ने पर cellular structure विकसित होती है।
  • और अधिक supercooling होने पर dendritic structure बनती है।
  • अत्यधिक supercooling तथा उच्च solidification rate की स्थिति में equiaxed grains का निर्माण होता है।

अर्थात् thermal gradient (G) और solidification rate (R) का अनुपात (G/R ratio) यह निर्धारित करता है कि solid-liquid interface किस प्रकार स्थिर रहेगा और कौन-सी microstructure विकसित होगी।

सामान्य प्रवृत्ति निम्न प्रकार होती है:

G/R Ratio

                                    बनने वाली Microstructure

बहुत अधिक

                             Planar Structure

अधिक

                            Columnar Structure

मध्यम

                            Cellular Structure

कम

                            Dendritic Structure

बहुत कम

                            Equiaxed Grain Structure

इस प्रकार solidification rate और thermal gradient का समन्वित अध्ययन fusion welds तथा castings में बनने वाली अंतिम microstructure को समझने और नियंत्रित करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।



(b) Solidification of Eutectic and Peritectic Alloys

Eutectic alloys तथा Peritectic alloys में प्राप्त होने वाली microstructure, सामान्यतः solid-solution alloys में बनने वाली microstructure के समान होती है। हालांकि, इन alloys में होने वाली विशेष metallurgical phenomena अंतिम microstructure को प्रभावित करती हैं और परिणाम को कुछ हद तक बदल सकती हैं।

उदाहरण के लिए, Peritectic Reaction, जिसे Fig. 3.10 में दर्शाया गया है, एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक solid phase और एक liquid phase आपस में अभिक्रिया करके एक बिल्कुल नया solid phase बनाते हैं।

इसे निम्न प्रकार से व्यक्त किया जाता है:

                                                             L+δ→γ                .(3.3)

जहाँ,

  • L = Liquid Phase
  • δ (Delta) = Delta Phase
  • γ (Gamma) = Austenite Phase

यह प्रक्रिया low carbon steels में विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है, जहाँ liquid metal और delta (δ) ferrite phase परस्पर अभिक्रिया करके austenite (γ) का निर्माण करते हैं।

अर्थात् solidification के दौरान बनने वाला प्रारंभिक δ-phase, शेष liquid के साथ प्रतिक्रिया करके एक नई γ-phase (austenite) में परिवर्तित हो जाता है।

अब यदि तापमान (temperature) बहुत तेजी से बदल रहा हो, जैसा कि weld cooling के दौरान होता है, तो यह Peritectic Reaction पूर्ण रूप से संपन्न नहीं हो पाती। परिणामस्वरूप equilibrium conditions प्राप्त नहीं हो पातीं और अंतिम microstructure में विभिन्न phases की मात्रा तथा उनका वितरण, equilibrium phase diagram द्वारा अपेक्षित संरचना से भिन्न हो सकता है।

यही कारण है कि fusion welds में बनने वाली microstructure अक्सर equilibrium microstructure से अलग होती है, क्योंकि वहाँ heating और cooling rates अत्यधिक उच्च होते हैं। इससे phase transformation, grain structure, तथा अंततः mechanical properties पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।

तेज़ cooling rate की स्थिति में, जैसा कि welding के दौरान होता है, δ-phase का γ-phase में पूर्ण रूपांतरण (transformation) नहीं हो पाता। परिणामस्वरूप कुछ मात्रा में retained δ-phase अंतिम microstructure में पाई जा सकती है।

इसके अतिरिक्त, Peritectic Reaction स्वाभाविक रूप से भी liquid से γ-iron के सीधे precipitation की तुलना में काफी धीमी (sluggish) होती है।

इसका कारण यह है कि इस अभिक्रिया में एक solid phase (δ) को liquid phase के साथ प्रतिक्रिया करके एक नया solid phase (γ) बनाना पड़ता है।

जब γ-phase बननी शुरू होती है, तो यह शेष बची हुई δ-phase के चारों ओर एक परत (coating layer) बना लेती है, जैसा कि Fig. 3.11 में दर्शाया गया है।

इसके बाद अभिक्रिया (reaction) को आगे बढ़ने के लिए atoms का diffusion इस नवगठित solid γ-phase के माध्यम से होना आवश्यक होता है।

चूँकि solid state diffusion अपेक्षाकृत धीमी प्रक्रिया है, इसलिए Peritectic Reaction की गति भी धीमी हो जाती है। परिणामस्वरूप तेज़ cooling conditions में यह अभिक्रिया पूर्ण नहीं हो पाती और कुछ δ-phase अंतिम microstructure में बनी रह सकती है।

संक्षेप में:

  • Peritectic Reaction:

L+δ→γ

  • phase बनने पर यह δ-phase को चारों ओर से घेर लेती है।
  • आगे की अभिक्रिया के लिए diffusion through solid γ आवश्यक होता है।
  • Solid-state diffusion धीमा होने के कारण Peritectic Reaction भी धीमी होती है।
  • तेज़ weld cooling में retained δ-phase माइक्रोस्ट्रक्चर में दिखाई दे सकती है।

यही कारण है कि low carbon steel welds की वास्तविक microstructure अक्सर equilibrium phase diagram द्वारा अनुमानित संरचना से कुछ भिन्न होती है।

3.2.2 Epitaxial Solidification

Fusion welding की स्थिति में weld pool का निर्माण filler metal के साथ या उसके बिना किया जा सकता है, लेकिन किसी भी स्थिति में parent material का एक भाग अवश्य पिघलता है ताकि आवश्यक metallurgical bond बनाया जा सके।

इस प्रक्रिया के दौरान fusion boundary के पास स्थित metal grains आंशिक रूप से (partially) पिघल जाते हैं। इनके साथ-साथ कुछ grains पूरी तरह नहीं पिघलते और आंशिक रूप से ठोस अवस्था में बने रहते हैं।

यही आंशिक रूप से न पिघले हुए grains नए crystals के विकास (growth) के लिए आवश्यक nuclei का कार्य करते हैं। इन्हीं nuclei से solidification की प्रक्रिया प्रारंभ होती है, जैसा कि Fig. 3.12 में दर्शाया गया है।

इस प्रकार की crystal growth को Epitaxial Solidification कहा जाता है। यह weld pool solidification की एक विशिष्ट विशेषता है।

Epitaxial solidification में नए बनने वाले crystals का orientation भी लगभग उन्हीं parent grains के समान होता है, जिससे fusion boundary पर continuity बनी रहती है और एक मजबूत metallurgical bond प्राप्त होता है।


Weld pool का पिघला हुआ धातु (molten metal) सीधे substrate के साथ अत्यंत निकट संपर्क (intimate contact) में रहता है, इसलिए substrate का पूर्ण wetting होता है। इस कारण contact angle (θ) शून्य (0) होता है, जिससे ΔF = 0 प्राप्त होता है, जैसा कि equations (3.4) और (3.5) में दर्शाया गया है।

इसके परिणामस्वरूप weld pool में grain growth बिना किसी undercooling की आवश्यकता के सीधे parent metal substrate से प्रारंभ हो जाता है। अर्थात welding में nucleation barrier लगभग समाप्त हो जाता है, क्योंकि नए nuclei बनाने की आवश्यकता नहीं होती।

Casting और weld metal solidification की इस तुलना को free energy concept के आधार पर Fig. 3.14 में दर्शाया गया है। इसमें यह स्पष्ट होता है कि:

  • Casting में नए nuclei बनने के लिए एक निश्चित critical radius (r*) और undercooling आवश्यक होता है।
    • जबकि welding (epitaxial solidification) में critical radius प्रभावी रूप से शून्य के बराबर हो जाता है, क्योंकि वृद्धि सीधे existing substrate grains से शुरू होती है।
    • इसलिए welding में नए nuclei formation की आवश्यकता नहीं होती।

    हालांकि weld pool solidification की शुरुआत fusion line से epitaxial growth के रूप में होती है, लेकिन सभी grains अंतिम संरचना में जीवित नहीं रहते। grain structure का विकास एक प्रतिस्पर्धात्मक प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है, जिसे competitive growth कहा जाता है।

    इस प्रक्रिया में आगे चलकर वही grains अधिक विकसित होते हैं जो thermal gradient और growth direction के अनुसार अधिक अनुकूल होते हैं, जबकि अन्य grains दबकर समाप्त हो जाते हैं।

    हालाँकि fusion line से weld pool solidification की शुरुआत epitaxial growth के रूप में होती है, लेकिन सभी grains अंतिम संरचना में जीवित नहीं रह पाते। grain structure का विकास एक ऐसी प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है जिसे competitive growth कहा जाता है।

    Solidification के दौरान grains मुख्यतः उस दिशा में बढ़ने की प्रवृत्ति रखते हैं जो solid/liquid interface के लम्बवत (perpendicular) होती है, क्योंकि यही दिशा अधिकतम temperature gradient की होती है और इसी दिशा में solidification force सबसे अधिक होती है।

    इसके साथ ही प्रत्येक grain की अपनी एक पसंदीदा वृद्धि दिशा (preferred or easy growth direction) होती है। इस प्रकार, जो grains अपनी easy growth direction को maximum temperature gradient direction के समानांतर रखते हैं, वे अधिक आसानी से और तेज़ी से बढ़ते हैं।इसके विपरीत, जिन grains की growth direction इस दिशा से काफी भिन्न होती है, वे धीरे-धीरे दबा दिए जाते हैं और अंततः समाप्त हो जाते हैं। इस प्रक्रिया को ही competitive growth of grains कहा जाता है, जैसा कि Fig. 3.12 में दर्शाया गया है।

Weld metal zone केवल columnar grains तक सीमित नहीं रहता जो fusion line से epitaxial growth द्वारा बनते हैं, बल्कि कुछ grains स्वतंत्र रूप से (independently) भी विकसित हो सकते हैं। यह विकास मुख्यतः heterogeneous nucleation और उसके बाद होने वाली growth पर आधारित होता है। ऐसे grains सामान्यतः छोटे और लगभग समान आकार के होते हैं, जिन्हें equiaxed fine grains कहा जाता है।

कई बार यह वांछनीय होता है कि weld bead में fine-grained structure प्राप्त किया जाए, क्योंकि इससे निम्न लाभ होते हैं:

  1. Solidification cracking के प्रति weld metal की संवेदनशीलता कम हो जाती है।
  2. Mechanical properties जैसे ductility और fracture toughness में सुधार होता है।

Fine grain structure प्राप्त करने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जाता है, जैसे:

  • Inoculation
  • Arc oscillation
  • Arc pulsation

Weld pool stirring

Weld pool stirring को अक्सर alternating magnetic field को welding electrode के समानांतर लागू करके प्राप्त किया जाता है। इससे liquid weld pool की प्रभावी thermal conductivity बढ़ जाती है, जिससे heat transfer तेज़ हो जाता है और weld pool temperature में गिरावट आती है।

इस तापमान में कमी के कारण heterogeneous nuclei के जीवित रहने की संभावना बढ़ जाती है, जिससे अधिक मात्रा में equiaxed grains का निर्माण होता है और अंतिम weld metal structure अधिक fine-grained बनता है।

3.2.2.1 Welding Speed का Grain Structure पर प्रभाव

कम welding speed पर weld pool का आकार सामान्यतः elliptical होता है, जबकि अधिक welding speed पर यह अधिक लंबा (elongated) हो जाता है।

चूँकि elliptical weld pool के पीछे वाले हिस्से की boundary वक्राकार (curved) होती है, इसलिए grains भी उसी दिशा में मुड़ते हुए बढ़ते हैं ताकि वे हमेशा pool boundary के लंबवत (perpendicular) रहें, जैसा कि Fig. 3.15(a) में दर्शाया गया है।

इसके विपरीत, elongated weld pool के पीछे वाले हिस्से की boundary लगभग सीधी (straight) होती है। इसलिए grains भी अपेक्षाकृत सीधे बढ़ते हैं और मुख्यतः weld centreline की ओर बढ़ते हैं, जैसा कि Fig. 3.15(b) में दिखाया गया है।

इस प्रकार, यदि heterogeneous nuclei अनुपस्थित हों, तो यह अपेक्षित है कि:

  • कम welding speed पर columnar grains मुड़ते हुए (curved) आगे बढ़ेंगे और welding direction के साथ-साथ झुकते हुए विकसित होंगे।
  • जबकि अधिक welding speed पर ये columnar grains सीधे बढ़ते हैं और मुख्यतः weld centreline की ओर निर्देशित रहते हैं।

High Welding Speed के प्रभाव

अधिक welding speed पर अचानक (abrupt) संरचनात्मक परिवर्तन होने की संभावना बढ़ जाती है। इसका कारण यह है कि weld centreline पर segregation का खतरा बढ़ जाता है, जिससे toughness of welds कम हो सकती है।

इसी कारण किसी भी दिए गए material और welding condition के लिए एक अधिकतम सुरक्षित welding speed सीमित होती है।

Axial Grains का निर्माण

एक अन्य प्रकार के columnar grains को axial grains कहा जाता है। ये अधिकांशतः fusion zone में विकसित होते हैं।

  • ये grains मूल weld bead से शुरू होकर पूरी weld length के साथ बढ़ते हैं।
  • ये बढ़ते हुए अन्य columnar grains को, जो fusion lines से आ रहे होते हैं, कुछ हद तक अवरुद्ध (block) कर देते हैं।

चूँकि ये axial grains भी weld pool boundary के लंबवत ही बढ़ते हैं, इसलिए:

  • कम welding speed (elliptical pool) में इनका क्षेत्र (band) अपेक्षाकृत चौड़ा होता है।
  • अधिक welding speed (elongated pool) में इनका क्षेत्र संकरा (narrow) हो जाता है।

3.2.2.2 Weld Metals के गुण (Properties of Weld Metals)

Weld metals में सबसे अधिक आवश्यक गुण toughness और strength होते हैं। सामान्यतः weld metals की strength और toughness, संबंधित base metals (parent metals) के बराबर नहीं होती।

एक महत्वपूर्ण तथ्य यह है कि weld metal में yield strength और ultimate tensile strength का अनुपात हमेशा base metal की तुलना में अधिक होता है। इसलिए यदि किसी weldment में weld metal और parent metal की समान strength आवश्यक हो, तो weld metal की yield stress अधिक होनी चाहिए, क्योंकि समान yield stress होने पर भी weld metal की कुल strength कम हो सकती है।

Microstructure का प्रभाव

Weld metal properties पर मुख्य रूप से निम्न कारकों का प्रभाव पड़ता है:

  • Microstructure का प्रकार
  • Grain size
  • Precipitation processes
  • Ageing effects

इसके अलावा, पहले चर्चा किए गए अनुसार welding parameters जैसे welding speed, heat input आदि भी microstructure को काफी प्रभावित करते हैं।

यह समझना आवश्यक है कि केवल मूल microstructure ही नहीं, बल्कि उसके भीतर मौजूद विभिन्न phases और compounds भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

Harmful Microstructural Constituents

Ferrite के साथ उपस्थित aligned MAC (martensite, austenite and/or carbides) तथा martensite-austenite (MA) constituents हानिकारक होते हैं, क्योंकि:

  • इनमें cleavage fracture energy कम होती है
  • ये cleavage fracture propagation के लिए पुनः प्रारंभ (reinitiation) का केंद्र बन सकते हैं

  • Second Phase Particles का प्रभाव

    Second phase particles जैसे:

    • Oxide inclusions
    • Carbides
    • Nitrides

    इनका प्रभाव dual (दोहरा) होता है — सकारात्मक भी और नकारात्मक भी।

    (i) Positive Effects

    ये कण निम्न प्रकार से लाभकारी होते हैं:

    • Acicular ferrite (AF) के निर्माण को बढ़ावा देते हैं
    • Grain growth को रोकते हैं
    • Alloying elements (जैसे Ti, Nb, V) के nitrides और carbonitrides, nitrogen (N₂) को chemically bind करते हैं, जिससे ageing resistance बढ़ती है

    (ii) Negative Effects

    इनका नकारात्मक प्रभाव यह है कि:

    • ये precipitation embrittlement उत्पन्न करते हैं
    • ductility को कम करते हैं
    • microvoid coalescence के माध्यम से ductile fracture की शुरुआत को आसान बनाते हैं

    Toughness और Fatigue Properties

    Weldments की toughness, सामान्यतः rolled या forged steels की तुलना में कम होती है।

    इसी प्रकार fatigue properties भी weld metals में अपेक्षाकृत खराब होती हैं। इसका कारण यह है कि fatigue behavior मुख्यतः निम्न कारकों पर निर्भर करता है:

    • Weld contour (surface geometry)
    • Inclusion morphology
    • Inclusion dispersion pattern

    इसलिए अच्छी fatigue properties प्राप्त करने के लिए आवश्यक है कि weld metal पर्याप्त रूप से pure हो।

Creep Strength

Weld metal में carbon content, सामान्यतः HAZ और base metal की तुलना में कम होता है। इसी कारण:

  • Weld metal की creep strength हमेशा कम होती है

निष्कर्ष

अंत में कहा जा सकता है कि weld metal properties केवल filler material composition पर निर्भर नहीं करतीं, बल्कि निम्न कारकों से भी प्रभावित होती हैं:

  • Parent material की chemical composition
  • Welding process
  • Weld cooling rate

ये सभी कारक मिलकर अंतिम mechanical properties और service performance को निर्धारित करते हैं।

3.3 Fusion Boundary Zone

विभिन्न लेखकों द्वारा parent metal के उस आयतन को, जो वास्तव में पिघलकर (actually melted) weld deposit का निर्माण करता है (जैसा कि Fig. 3.16 में दर्शाया गया है), अलग-अलग नाम दिए गए हैं। Tweeddale इसे fusion zone कहते हैं, जबकि Kenyon इसे fusion boundary के रूप में संदर्भित करते हैं।

हालाँकि इस अनुभाग में जिस क्षेत्र पर चर्चा की जा रही है, वह weld deposit और HAZ (Heat Affected Zone) के बीच का क्षेत्र है, जो आंशिक रूप से पिघला हुआ (partially melted) होता है। इस क्षेत्र को fusion boundary zone कहा जाता है।

Low carbon steel welds के लिए यह क्षेत्र iron-carbon equilibrium diagram (जैसा कि Fig. 3.1 में दिखाया गया है) पर liquid + delta (L + δ) ferrite zone के अनुरूप होता है।


अधिकांश metals और alloys में fusion boundary zone काफी स्पष्ट (sharp) होता है और इसे अक्सर fusion line भी कहा जाता है। इस fusion line पर composition अचानक बदलकर parent metal से लगभग समान (uniform) weld deposit की संरचना में परिवर्तित हो जाती है।

Manual welding (coated electrodes के साथ) में fusion boundary zone की मोटाई सामान्यतः लगभग 50 से 100 microns होती है।

उन alloys में जिनका freezing range लंबा होता है, HAZ का वह भाग जो सीधे weld deposit के पास होता है, उसमें partial melting हो सकता है। इस कारण बनने वाले कुछ liquid pockets, physically weld metal के साथ continuous हो सकते हैं।

इस प्रकार का व्यवहार दिखाने वाले alloys सामान्यतः fusion welding के लिए कठिन माने जाते हैं और व्यवहार में बहुत कम पाए जाते हैं। एक महत्वपूर्ण अपवाद cast iron है, जो इस प्रकार के व्यवहार को प्रदर्शित करता है।

Fusion Boundary Zone में Grain Structure

Fusion boundary zone में दो प्रकार के grains—fine grains और coarse grains—में से कोई भी विकसित हो सकता है। Steels में यह मुख्यतः इस बात पर निर्भर करता है कि heating के दौरान γ → γ + δ phase transformation किस प्रकार होती है।

Case 1: δ-ferrite + Liquid formation (Fine grain formation)

Fig. 3.17(a) के अनुसार, यदि alloy composition ऐसी हो कि fusion boundary zone में base metal गर्म होकर δ-ferrite तथा grain boundaries पर liquid में परिवर्तित हो जाए, तो एक महत्वपूर्ण घटना होती है।

चूँकि C (Carbon) और Mn (Manganese) की solubility ferrite में कम होती है (और ये दोनों austenite formers हैं), इसलिए ये तत्व grain boundaries पर जाकर segregate हो जाते हैं।

जब cooling cycle के दौरान पुनः austenite transformation होती है, तो इन segregated boundaries पर बहुत अधिक संख्या में nucleation sites उपलब्ध हो जाते हैं। इसके कारण:

  • δ-ferrite का पुनः nucleation बढ़ जाता है
  • grain growth सीमित हो जाता है
  • परिणामस्वरूप fine grain structure विकसित होती है

इसके अतिरिक्त, यह segregation austenite की composition को भी बदल देता है। साथ ही छोटे grain size के कारण austenite transformation products भी बदल जाते हैं, क्योंकि ये परिवर्तन अपेक्षाकृत higher temperatures पर होते हैं।

इसका परिणाम यह होता है कि fusion boundary zone में अधिक equiaxed δ-ferrite structure प्राप्त होती है।

Case 2: Plain C–Mn steels (No fine grain refinement)

दूसरे मामले में, जो सामान्यतः plain C–Mn steels में देखा जाता है, fine grain structure विकसित नहीं होती।

Fig. 3.17(b) के अनुसार, इस स्थिति में heating के दौरान γ → δ + γ transformation नहीं होता, बल्कि केवल γ (austenite) का निर्माण grain boundaries पर (γ + L) के रूप में होता है।

चूँकि इस स्थिति में segregation सीमित होती है, इसलिए:

  • austenite की composition में कोई बड़ा परिवर्तन नहीं होता
  • fusion boundary zone और अन्य क्षेत्रों के बीच कोई significant difference नहीं रहता
  • cooling के दौरान transformation temperatures भी लगभग समान रहते हैं

इसलिए इस case में grain refinement (fine grains) प्राप्त नहीं होते और structure अपेक्षाकृत coarser grains की ओर झुकता है।

सारांश

  • Fine grains → अधिक segregation + multiple nucleation sites (δ-ferrite case)
  • Coarse grains → कम segregation + limited nucleation effect (plain C–Mn steels)
  • Fusion boundary zone microstructure पूरी तरह phase transformation behavior पर निर्भर करता है।




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