در جوشکاری لیزری از یک پرتو لیزر با دقت بسیار بالا برای ذوب فلزات و ترموپلاستیک ها استفاده می شود. دقت در عملکرد و فرآیند جوش، باعث شده تا پیچش محل جوش در اثر حرارت کم شده و در نتیجه عملکرد آنرا در جوشکاری مواد حساس بسیار بالا برده است. این فرآیند اغلب به صورت خودکار انجام شده و امکان جوشکاری با دقت بسیار بالا را فراهم می کند.
اجازه دهید کمی عمیقتر به مفهوم جوشکاری لیزری بپردازیم:
⦁ جوشکاری لیزری دقت و سرعت بالایی داشته و این عملکرد، جوشکاری را برای مواد نازک و اتصالات خاص با حداقل پیچیدگی در اثر حرارت، ایدهآل میکند.
⦁ جوش لیزری را می توان بر روی طیف وسیعی از مواد، از جمله فلزات سخت جوش مانند آلومینیوم و تیتانیوم، بدون نیاز به مواد پرکننده اضافی، استفاده کرد.
⦁ این فرآیند اغلب با استفاده از روباتهای خودکار صورت می گیرد که دقت و کارایی را در کاربردهای صنعتی افزایش میدهد.
⦁ در حالی که هزینه اولیه تجهیزات جوش لیزری بالا است، با احتساب هزینه های عملیاتی کمتر و نرخ تولید سریع تر، توجیه اقتصادی بالایی را به همراه دارد.
⦁ جوشکاری هیبریدی لیزری، ترکیبی از جوشکاری لیزر و قوس الکتریکی می باشد که نفوذ عمیقتر و بهبود کیفیت جوش را به همراه دارد و این امر محبوبیت فزایندهای در صنایع سنگین بدست آورده است.
جوشکاری لیزری چیست؟
جوشکاری لیزری یا جوشکاری با پرتو لیزر (LBW) فرآیندی است که از یک منبع گرمای متمرکز به شکل لیزر برای ذوب مواد استفاده می کند تا زمانیکه دو قطعه در ناحیه اتصال سرد شوند. این یک فرآیند همه کاره است زیرا می تواند مواد نازک را با سرعت های بالای جوشکاری، جوش دهد و در عین حال برای مواد ضخیم تر، جوش های باریک و عمیق تری را انجام می دهد.
با توجه به اینکه هزینه تجهیزات جوش لیزری بیشتر از فرآیندهای جوشکاری سنتی است، هزینه های عملیاتی آن کمتر می باشد زیرا لزوماً به مواد پرکننده اضافی و پس پردازش نیاز ندارد. همچنین سرعت بالای جوشکاری، امکان تولید قطعات بیشتری در ساعت را فراهم می کند. فناوری پشت این فرآیند، به طور قابل توجهی از فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی معمولی مانند MIG، TIG و SMAW متمایز است. به عنوان مثال، در کاربردهای مدرن جوشکاری لیزری، از رباتهای قابل برنامهریزی همراه با اپتیک های پیشرفته برای هدفگیری دقیق ناحیهای در قطعه کار استفاده میکنند.
انواع جوشکاری پرتو لیزر
دو نوع مختلف جوشکاری پرتو لیزر وجود دارد که هر دو با اصول عملیاتی منحصربه فرد و متناسب با کاربردهای خاص هستند. همچنین نحوه تعامل مواد، به چگالی توان پرتو لیزر بستگی دارد که در زیر به آنها اشاره می کنیم:
الف- جوشکاری هدایت حرارتی Heat Conduction Welding
در این روش از پرتو لیزر متمرکز برای ذوب سطح مواد پایه استفاده می شود. هنگامی که اتصال جامد می شود، یک درز جوش دقیق و صاف ایجاد می گردد. جوش هایی که با استفاده از این روش ایجاد می شوند، به طور کلی نیاز به انجام کارهای تکمیلی اضافی ندارند، کیفیت خروجی کار بسیار عالی است.
در این روش، انرژی فقط از طریق هدایت گرما وارد ناحیه جوش می شود. این عمل، عمق جوش را محدود می کند و در نتیجه، این فرآیند برای اتصال مواد نازک بسیار مناسب و کاربردی است. جوشکاری هدایت حرارتی، اغلب برای درزهای جوش قابل مشاهده استفاده می شود که می بایست از نظر زیبایی و نمای کار قابل قبول باشد.
جوشکاری هدایت حرارتی دارای دو زیرمجموعه زیر می باشد:
گرمایش مستقیم : در این روش، پرتو لیزر مستقیماً نیروی خود را بر روی سطح فلزات اعمال می کند.
انتقال انرژی: در این روش نیز پودر جاذب روی مفصل جوش اضافه شده و انرژی را که پرتو لیزر اعمال می کند، جذب می نماید.
ب- نفوذ عمیق / جوشکاری حفره ای Deep Penetration/Keyhole Welding
در فرآیند جوشکاری حفره ای (نفوذ عمیق)، جوش هایی عمیق و باریک با ساختار یکنواخت ایجاد می شود. برای فلزات، توانی در حدود 1 مگاوات بر سانتی متر مربع اعمال می شود. این میزان انرژی، نه تنها باعث ذوب فلز می شود، بلکه آن را بخار کرده و یک حفره باریک پر از بخار ایجاد می کند.
این حفره، مویرگ بخار نامیده می شود که با پیشروی پرتو لیزر در قطعه کار با فلز مذاب پر می گردد. جوشکاری حفره ای، فرآیندی با سرعت بالا است. بنابراین، اعوجاج و تشکیل ناحیه متاثر از حرارت به حداقل ممکن می رسد.
فرآیند جوشکاری پرتو لیزر
جوشکاری پرتو لیزر بر اساس اصل استفاده از لیزر با چگالی توان بالا برای اعمال گرما به اتصال بین سطح دو فلز کار می کند. این ماده در محل اتصال ذوب میشود و در حین جامد شدن، امکان همجوشی بین فلزات را فراهم میکند.
جوشکاری لیزری معمولاً توسط رباتهای جوشکاری انجام میشود که میتوانند دقیقاً مقدار زیادی انرژی را در سرعتهای بالا اعمال کنند که توسط فیبرهای نوری انعطافپذیر هدایت میشوند. این امر منجر به ذوب مقدار کافی فلز در محل اتصال می شود که باعث ایجاد جوش های باریک با حداقل اعوجاج می گردد. سیستم های جوش لیزری دستی به ظاهر جایگزینی عالی برای ماشین های صنعتی حجیم ارائه می باشند، اما ایمنی جوشکار در حین استفاده از این سیستم همواره زیر ذره بین بوده است.
فرآیند جوشکاری لیزری در شرایط مختلف جوی قابل انجام می باشد، اما برای مواد واکنش پذیرتر، استفاده از گاز خنثی جهت از بین بردن آسیب به محل جوش توصیه می گردد. همانند جوشکاری با قوس الکتریکی، جوشکاری لیزری را می توان در خلاء نیز انجام داد، اما از نظر اقتصادی امکان به صرفه نمی باشد زیرا دستگاههای جوش لیزری، مجهز به نازل های گازی هستند که گاز بی اثر را به ناحیه جوش تزریق می کنند.
بسیاری از جوش های لیزری بدون نیاز به مواد پرکننده اضافی انجام می شود. با این حال، برخی از مواد و کاربردهای چالش برانگیز، به مواد پرکننده برای تولید جوش های اصولی نیاز دارند. افزودن مواد پرکننده، پروفیل جوش را بهبود می بخشد، ترک خوردگی در هنگام سرد شدن را کاهش می دهد، خواص مکانیکی بهتری به جوش می دهد و امکان اتصال دقیق تری را فراهم می سازد. مواد پرکننده میتواند به صورت پودر یا سیم باشند، اما از آنجایی که پودرها معمولاً برای اکثر مواد گرانتر هستند، استفاده از فیلر های سیمی رایجتر است.
چهار نوع اتصال رایج مورد استفاده در جوش لیزری عبارتند از: جوش لب به لب، جوش لبه به لبه، جوش لبه با پرکننده و جوش همپوشانی.
جوشکاری لیزری را می توان بر روی انواع مواد فلزی از جمله فولاد کم کربن، فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، تیتانیوم و غیره انجام داد. همچنین می توان موادی را که به اندازه موارد فوق گسترده نیستند، مانند Kovar (آلیاژی از آهن، نیکل و کبالت) و ترکیب موادی که آسان به نظر نمی رسد، توسط لیزر جوش داد از جمله جوشکاری مانند مس با مس، مس با آلومینیوم و غیره. در جوش لیزری، جوشکاری فولادهای پرکربن به دلیل سرعت خنک کنندگی بالا معمولا توصیه نمی شود زیرا فولادهای پر کربن تمایل به ایجاد ترک دارند.
انواع لیزر
در فرآیند لیزر جوش، از سه نوع منبع اصلی تولید لیزر جهت جوشکاری استفاده می شود:
لیزر گازی (CO2)
منبع لیزر CO2 مخلوطی از گازها است که CO2 جزء اصلی آن در کنار نیتروژن و هلیوم می باشد. این لیزرها می توانند در حالت پیوسته یا پالسی با جریان کم و ولتاژ بالا کار کنند تا مولکول های گاز را تحریک نمایند. لیزرهای دی اکسید کربن در شرایط خاص نیز استفاده می شوند، مانند جوشکاری لیزر دو پرتوی، که در آن دو پرتو به صورت پشت سر هم یا کنار هم قرار می گیرند.
لیزر حالت جامد
لیزرهای حالت جامد، از فناوری دیودی (DPSS) حاصل از سنگ های معدنی مانند یاقوت، شیشه یا ایتریم، آلومینیوم و گارنت (YAG) یا کریستال ایتریم وانادات (YVO4) با دیود لیزر برای تولید پرتوهای لیزر استفاده می کنند. این لیزرها در حالت موج پیوسته یا پرتو پالسی عمل می نمایند. حالت پالسی، اتصالاتی شبیه به جوش نقطه ای اما با نفوذ کامل ایجاد می کند. این لیزرها در مقایسه با لیزرهای فایبر مدرن، معایب خود را دارند، اما نمیتوان انکار کرد که لیزرهای حالت جامد همچنان پایداری و کیفیت پرتو عالی همراه با راندمان بالا را به همراه دارند.
لیزرهای مبتنی بر نیمه هادی نیز در حالت جامد هستند اما به طور کلی یک کلاس جداگانه از لیزرهای حالت جامد در نظر گرفته می شوند. این لیزرها فقط برای پروژه های ارزانتر و کوچک استفاده می شوند. اما گاهی اوقات هنگام جوشکاری در مناطق صعب العبور نیز قابل استفاده می باشند، زیرا تجهیزات مربوط به این نوع لیزر بسیار کوچکتر و فشرده تر است. کیفیت پرتو در مقایسه با سایر انواع لیزرها به مراتب پایین تر بوده و در نتیجه در محیط های صنعتی رایج نیست.
لیزر فایبر
لیزرهای فایبر نوع جدیدتری از لیزرهای حالت جامد هستند که قدرت بیشتر، کیفیت بهتر و عملکرد ایمن تری را ارائه می دهند. در لیزرهای فایبر، پرتو لیزر زمانی ایجاد می شود که فیبر نوری پرتوهای پمپاژ شده از طریق دیودها را دریافت کند. برای دستیابی به این تحول، فیبر نوری با عنصر کمیاب معدنی ساخته شده است. با استفاده از عناصرمحرک مختلف، می توان پرتوهای لیزر با طیف وسیعی از طول موج ها را ایجاد کرد و این عمل باعث می شود تا لیزرهای فایبر برای کاربردهای مختلف، از جمله جوشکاری لیزری و برش لیزری مناسب باشند. با این حال، باید به این نکته توجه شود که نازلها یا هدهای استاندارد برش لیزر، قابل استفاده برای جوشکاری لیزری نمی باشند و برعکس، نازلها و هدهای جوش لیزری نمی تواند سرعت برش و کیفیت مورد نیاز در اکثر کاربردهای صنعتی را برآورده کنند.
مزایای جوشکاری لیزری
⦁ کیفیت عالی به دلیل ورودی حرارت کم و کنترل دقیق توان لیزری
⦁ سرعت بالای فرآیند که باعث کاهش هزینه های تولید می شود
⦁ عمق جوش زیاد که منجر به جوش های با استحکام بالا می گردد
⦁ تجهیزات ساده جوشکاری لیزری، امکان جوشکاری را در شرایط خاص فراهم می کند
⦁ امکان ترکیب اجزای ناهمگن و جنسهای مختلف را در محل جوش فراهم می کند که این امر در روشهای دیگر جوشکاری امکان پذیر نمی باشد
معایب جوش لیزری
⦁ سرمایه گذاری اولیه بالا
⦁ دستگاه جوش لیزر با توجه به نوع و جنس قطعه کار، نیازمند کالیبراسیون دقیق پرتو لیزر می باشد
⦁ در هنگام استفاده از لیزرهای CO2، موادی با بازتاب و رسانایی بالا (آلومینیوم و مس) می توانند یک نتیجه جوش بد ایجاد کنند
⦁ ممکن است در صورت انجماد سریع، تخلخل و شکنندگی در ناحیه جوش ایجاد شود
⦁ لنزها و آینه های لیزر بسیار ظریف هستند و به راحتی آسیب می بینند
جوشکاری لیزری هیبرید
جوشکاری لیزری هیبرید، ترکیبی از مفاهیم قوس الکتریکی و پرتو لیزر است. این دو به طور همزمان در یک منطقه جوشکاری عمل می کنند، یکدیگر را پوشش می دهند و یک فرآیند جوشکاری منحصر به فرد ایجاد می کنند. اگرچه جوشکاری لیزری را می توان به همراه تقریباً هر فرآیند جوشکاری قوس الکتریکی دیگر نیز مورد استفاده قرار داد که هر یک مزایای خاص خود را دارد.
سه نوع اصلی جوش لیزری هیبریدی وجود دارد:
⦁ جوشکاری تقویت شده MIG (اغلب مترادف با جوشکاری هیبریدی لیزری)
⦁ جوشکاری تقویت شده TIG
⦁ جوشکاری با قوس پلاسما
فرآیند جوشکاری ترکیبی، نفوذ عمیقی را ارائه می دهد که به تنهایی توسط جوش لیزری و جوشکاری قوس الکتریکی امکانپذیر نمی باشد. جوشکاری لیزری هیبریدی قطعاً فرآیندی است که در حال افزایش است و در آینده بیشتر و بیشتر در صنایع کشتی سازی، راه آهن، خودروسازی و پروژه های بزرگ جوشکاری لوله، مورد استفاده قرار خواهد گرفت.