جوش لیزر

جوشکاری با لیزر

جوشکاری لیزری (Laser Welding) از جمله روش های نوین جوشکاری های ذوبی می باشد. سرعت و ظرفت بالا و دقت بسیار، از جمله عواملی است که کاربرد این فرآیند جوشکاری را در صنایع مختلف گسترش داده است. با تابش اشعه پر انرژی لیزر به سطح مورد نظر، حرارت مورد نیاز برای ایجاد حوضچه مذاب و انجام فرآیند اتصال فراهم می گردد. جوشکاری با اشعه لیزر بر اساس یک نوع تقسیم بندی، در سه حالت انجام می شود:   

اساسا لیزر جزء پرتو های الکترو مغناطیس و از جنس نور، تک رنگ و با واگرایی بسیار کم است. این بدان معناست که قطر پرتو لیزر در مسافت های طولانی تغییر نمی کند. این پرتو در طول موج هایی بکار می رود که انرژی کافی برای ذوب کردن فلز مورد نظر را داشته باشد.

 

1. رسانشی

این نوع جوشکاری لیزری در دانسیته انرژی پایین انجام شده و یک اثر جوش سطحی و عریض ایجاد می کند.  

جوشکاری لیزر به طریق رسانشی، خود به دو دسته تقسیم می شود:

• گرم کردن مستقیم
• انتقال انرژی

گرم کردن مستقیم :

جوشکاری رسانشی به روش گرم کردن مستقیم می تواند در گستره وسیعی از فلزات و آلیاژ ها و با اشکال سیم و ورقه های نازک مورد استفاده قرار بگیرد.

• CO₂، Nd:YAG و لیزرهای دیودی با سطوح مختلف انرژی، در محدوده دهها وات، در این روش کاربرد دارند.
• گرم کردن مستقیم با یک پرتو لیزر ناشی از گاز CO₂، می تواند برای جوشکاری در اتصالات لب به لب (Butt) در ورقه های پلیمری کاربرد داشته باشد. 

 

انتقال انرژی :

در این روش، یک جوهر جذب کننده در فصل مشترک لبه های اتصال قرار داده می شود. این جوهر انرژی پرتو لیزر را جذب کرده و آن را به ضخامت محدودی از مواد پیرامونش منتقل می کند. این امر منجر به تشکیل لایه ای از فصل مشترک مذاب شده که منجمد شدن این فصل مشترک باعث وقوع اتصال می شود.

جوشکاری انتقالی روش مناسبی برای اتصال پلیمر هاست. کامپوزیت ها را نیز می توان بدین طریق جوشکاری کرد، به شرطی که خواص حرارتی فاز زمینه و فاز تقویت کننده مشابه هم باشند. بخش های ضخیم اتصالات روی هم، را می توان بدون ذوب کردن سایر قسمت های بیرونی اتصال، ایجاد کرد.

 

2. حالت رسانشی / نفوذی

 این حالت در دانسیته انرژی متوسط انجام می شود و عمق اثر بیشتری نسبت به حالت قبل دارد.

 

3. حالت نفوذی (سوراخ کلید - Keyhole)

ویژگی بارز این روش که با آن شناخته می شود، داشتن اثر جوش باریک و عمیق است. در این روش، نور لیزر رشته ای از مواد تبخیر شده، که با عنوان سوراخ کلید (keyhole) شناخته می شود را، درون قطعه ایجاد می کند. این سوراخ مجرایی برای انتقال توان نور لیزر به مواد است.

اصولا در دانسیته توان های بالا، تمامی مواد چنانچه بتوانند انرژی را جذب کنند، تبخیر می شوند. بنابراین در جوشکاری به این روش، سوراخ یا گودی جوش با تبخیر شدن مواد ایجاد می شود. این سوراخ با موادی که ناشی از ذوب شدن دیواره های آن می باشد، پر می گردد.  

 

انواع لیزر

پرتو لیزر بر مبنای نوع منبع تولید کننده آن به دو دسته تقسیم می شود:

 

1. لیزر گازی

در این تکنیک تجهیزات تولید کننده لیزر درون یک محفظه قرار دارد. مقداری گاز CO₂ و گاز خنثی را در محفظه قرار داده و اختلافی پتانسیلی درون این مخلوط گازی ایجاد می کنند، به نحوی که گاز تهییج شده و پرتو نور از خود ساطع می کند. نور ساطع شده بین دو آینه قرار گرفته و شدت آن به حدی می رسد که از آینه دوم عبور کرده و لیزر تولید می شود. پس از آینه دوم، یک عدسی در سیستم تعبیه شده است که وظیفه متمرکز کردن پرتوهای تولیدی را دارد.  

2. لیزر جامد

 در این تکنیک به جای مخلوط گاز از یک هسته جامد استفاده می شود. این هسته ها با نام تجاری Nd: YAG laser  شناخته می شود. 

مقایسه ای بین حوضچه های جوش در فرآیند های مختلف جوشکاری با دانسیته توان

 

فرآیند	شدت منبع حرارتی W/m2	پروفیل ناحیه ذوبی
FCAW
GMAW
PAW
LBW

 

مزایا و محدودیت های جوشکاری با لیزر

مزایا:

• این روش برای مواد مختلف قابل اجراست، زیرا لزومی ندارد که قطعه هادی جریان الکتریسیته باشد.
• در تولید پرتوهای الکترونی، ابزار آلات باید غیر مغناطیس شده باشند اما در تولید لیزر این محدودیت وجود ندارد.
• لیزر طیف وسیعی از گستره انرژی را تحت پوشش قرار داده و بنابراین کنترل انرژی حاصله و استفاده از آن راحت است.
• محدوده ضخامت قطعاتی که می توان با این روش جوش داد بسیار گسترده بوده و از حداقل ضخامت 0.01 in به بالا را شامل می شود.
• ظرافت این فرآیند بسیار بالا بوده لذا برای اتصالات قطعات کوچک و ظریف کاربرد دارد.
• گرمای ورودی به قطعه در این روش، بسیار نزدیک به حداقل گرمای مورد نیاز برای ذوب فلزات است. لذا اثرات نامطلوب حرارت اضافی در این روش مطرح نیست.
• زمان جوشکاری در این روش بسیار کوتاه بوده و فلز پرکننده وجود ندارد.
• در مقایسه با جوشکاری های قوسی به الکترود نیازی نیست. بنابراین آلودگی های ناشی از الکترود حذف می شود.
• پرتوهای لیزر با تجهیزات اپتیکی قابلیت تمرکز، انحراف و جهت دار شدن را دارند. بنابراین امکان جوشکاری مکان های غیر قابل دسترس فراهم می شود.
• مواد مختلف به ویژه غیرهادی ها با این روش قابلیت جوشکاری دارند.
• این روش به راحتی قابل مکانیزه شدن است.
• میدان های مغناطیسی روی قوس الکتریکی و پرتو الکترون تأثیر گذارند. اما روی لیزر اثری ندارند.
• مواد غیر همسان با شکل های متفاوت را می توان با این روش به هم جوش داد.
• پرتوی لیزر را می توان برای جوشکاری به مکانهای دیگر منتقل کرد.

محدودیت ها:

• کنترل دقیق موقعیت قطعه نسبت به پرتو لیزر ضروری بوده زیرا که عرض آن بسیار باریک است.
• جوشکاری برخی فلزات که قابلیت انعکاس بالایی دارند، با این روش مشکل است.
• انجماد سریع در این روش ممکن است منجر به ایجاد ترک شده و یا ساختار ترد و متخلخلی بدست آید.
• چنانچه انرژی تولیدی بالا باشد، امکان ایجاد پلاسما وجود دارد. بنابراین حفاظت در برابر پلاسما نیز لازم است. برای برطرف کردن این مشکل احتمالی می بایست یا از توان های پایین برای تولید لیزر استفاده کرد و یا اینکه در روش لیزر گازی، گاز خنثی هلیم بکار برد. 

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

 ASM Handbook Volume 06: Welding, Brazing, and Soldering

Weld integrity and performance: a source book adapted from ASM international handbooks, conference proceedings, and technical books

S.Mattheij, M. Hendriks , Laser Welding to Industrial Gas Turbine Components, Sulzer Turbo Machinery Services

J.R. Goulging, Laser Welding Lab, The University of Arizona

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است