تکنولوژی جوشکاری لیزر

مقدمه

با توسعه کاربردهای لیزر در روش های فرآوری مواد، جوشکاری بوسیله لیزر نیز به عنوان یکی از فرآیندهای نوین در صنایع مختلف همواره مورد توجه قرار داشته است. با اینکه در دهه ۶۰ میلادی تلاش های برای استفاده لیزر در جوشکاری انجام شد ولی دهه ۷۰ میلادی را می توان آغازی بر بهره گیری از جوشکاری لیزر در صنایع مختلف دانست. لیرزهای پالسی حالت جامد اولین لیزرهایی بودند که در جوشکاری لیزری برای کاربردهایی همچون جوش نقطه ای در قطعات حساس الکترونیکی و یا قطعات مکانیکی دقیق، مورد استفاده قرار گرفتند. با توسعه منابع تولید پرتو لیزر و نیز پیشرفت های تکنولوژیکی در عرصه هدایت پرتو لیزر، جوشکاری لیزری نیز دستخوش تغییرات شگرفی شد. تکنولوژی هایی همچون جوشکاری پویشی[۱] و جوشکاری رسوبی[۲] باعث توسعه روش های جوشکاری لیزری در صنایع مختلف همچون خودروسازی و صنایع هوافضا گردیده است.

امروزه با توسعه صنایع ورق‌کاری کشورمان نیز، بهره‌گیری از فناوری‌های جدید برای بهبود کیفیت محصولات و کاهش هزینه‌ها و زمان عملیات از اهمیت فراوانی برخوردار گردیده است. از آنجائیکه جوشکاری نقش بسزایی در تولید محصولات فلزی ایفا می کند، بهره گیری از روش های نوین جوشکاری لیزری به جای روش های جوشکاری سنتی، باعث افزایش کیفیت محصولات تولید شده و نیز کاهش عملیات متعدد پس از فرآیند جوشکاری، در صنایع مختلف می باشد. امید است با بهره گیری از تکنولوژی های جدید، شاهد رشد بیش از پیش صنایع کشور عزیزمان باشیم.

در این مقاله در ابتدا به اختصار در مورد جوشکاری لیزری توضیحاتی ارائه میگردد و در ادامه به تکنولوژی های نوین جوش لیزری پرداخته می شود.

ویژگی های جوشکاری لیزری

در مقایسه با روش های سنتی جوشکاری، جوشکاری با لیزر دارای مزایای بسیاری است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • قابلیت تنظیم میزان انرژی به یک ناحیه کوچک؛ با این شیوه تنش های حرارتی و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) و بروز اعوجاج بسیار ناچیز می شوند.
  • درزهای باریک و سطوح صاف؛ با جوشکاری لیزر نیاز به پرداخت نهایی محصول یا کلا از بین می رود و یا بسیار کم می شود.
  • توانایی مجتمع شدن آسان: لیزر می تواند با سایر روش های تولید مانند پانچ یا خمکاری ترکیب شود.
  • تنها یک سمت اتصال جوش می بایست در دسترس باشد.
  • سرعت بالای جوشکاری که به معنای زمان مورد نیاز عملیات کم است.
  • جوشکاری با لیزر به ویژه برای اتوماسیون مناسب است.
  • کنترل فرآیند مطلوب: سامانه کنترل ماشین و حسگرها، متغیرهای فرآیند را اندازه گیری و از حصول کیفیت مطلوب اطمینان حاصل می کنند.
  • پرتو لیزر بدون این با قطعه تماس داشته باشد و یا نیرویی بر آن وارد کند، جوشکاری می کند.

روش های جوشکاری لیزری

جوش لیزری با رسانش حرارتی[۳] و جوش عمیق[۴] دو روش اصلی جوشکاری لیزری می باشند.

در جوش لیزری با هدایت حرارتی با تابش پرتو لیزر به سطح قطعات و حرکت پرتو در طول محل اتصال،با ذوب شدن دو ماده و جریان پیدا کردن مذاب آن ها جوش کاری انجام و با انجمادشان فرآیند تکمیل می شود. عمق این نوع از جوشکاری از چند دهم میلی متر تا ۱ میلی متر متغیر است.

شکل ۱٫ اصول جوشکاری لیزری به روش رسانش حرارت

۱- قطعه ذوب شده ۲- درز جوش ۳- پرتو لیزر ۴- جهت ماشین کاری ۵- قطعه کار

از این روش جوشکاری برای اتصال دیواره های نازک فلزی و هم چنین درزهایی که در معرض دید هستند، مانند جداره های بدنه ماشین آلات، استفاده می شود.

در جوش کاری نفوذ عمیق به چگالی توان بسیار بالایی، بالغ بر ۱۰ کیلووات بر میلیمتر مربع نیاز وجود دارد. در این فرآیند علاوه بر ذوب فلز، تبخیر هم صورت می پذیرد. بخار فلز تولید شده، فشار را بر روی مذاب افزایش داده و قسمتی از آن را جا به جا می کند. در این حین، ماده هنوز مشغول ذوب شدن است. نتیجه این پدیده، یک حفره عمیق، باریک و مملو از بخار است که به آن حفره گداخت[۵] می گویند.

حفره گداخت توسط مذاب محاصره شده و همراه با لیزر حرکت می کند. گدازه هایی که در پشت این حفره قرار دارند با حرکت لیزر منجمد می شوند. علاوه بر این، بخار فلز ایجاد شده انرژی لیزر را جذب می کند و یونیزه می شود. نتیجه این فرآیند لیزر همراه با پلاسما است که باید از آن جلوگیری شود تا موجب اغتشاش و پاشش در حفره گداخت نگردد. در این روش درز جوش باریک و عمیق است و عمق جوشکاری میتواند تا ده برابر بیشتر از عرض آن باشد.

 

توان لیزر و سرعت جوشکاری

توان لیزر براساس ضخامت قطعه کاری که باید جوش داده شود تعیین می گردد. با افزایش ضخامت قطعه کار باید از لیزرهای با توان بالا بهره گرفت. لیزرهای توان بالا، سرعت جوشکاری و عمق جوش را نیز افزایش می دهند.

نمودار ۱٫ سرعت و عمق جوشکاری با توجه به توان لیزر

عیوب جوشکاری لیزری

معیارهای اصلی برای جوش لیزری مناسب عبارتند از:

  • عرض و عمق جوش باید به اندازه مطلوب باشد، چرا که این دو مقدار در واقع تعیین کننده اندازه مقطع عرضی جوش و در نتیجه استحکام آن هستند.
  • کیفیت متالوژیکی: ساختار درونی جوش می بایست تا حد ممکن یک دست بوده و کوچکترین دانه بندی را داشته باشد.
تکنولوژی جوشکاری لیزر

تکنولوژی جوشکاری لیزر

عیوب اصلی جوشکاری در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل۵٫ عیوب جوشکاری

۱-خلل و فرج۲- ناکافی بودن عمق ۳-گدازش نا تمام ۴-آتشفشانی شدن ۵-ترک خودرگی ۶-پاشش گدازه ۷-نا هم راستایی

همچنین در حین جوشکاری، حرارت مواد مذاب از طریق رسانش به سایر نقاط مواد نیز انتقال پیدا میکند. کیفیت بالا در جوش کاری، نیازمند کم ترین انتقال حرارت ممکن به قطعه کار و اطمینان از خنک شدن آسان آن است.

سه راهبرد برای دستیابی به این امر وجود دارد:

  • جوش کوکی به جای خط صلب
  • جوش در حالت پالسی
  • اگر مجموعه یا قطعه در نقاط متعددی نیاز به جوش کاری دادر، ترتیب آن ها به نحوی باشد که گرما در قطعه کار یکسان توزیع شود.

 

 

نویسنده مقاله سینا شکورزاده