جوشکاری لیزری یک تکنیک مهم در ساخت و مهندسی با تکنولوژی بالا است و محبوبیت آن روز به روز در حال افزایش است. مزایای زیادی نسبت به تکنیک های جوشکاری سنتی دارد، مانند توانایی جوش انواع مواد، و می تواند جوش های تمیز و قوی را به سرعت و با دقت ایجاد کند. این فرآیند در هوافضا، خودروسازی و پزشکی به کار گرفته شده است و به طور گسترده برای ساخت وسایل الکترونیکی نیز استفاده می شود. این مقاله تمام روشهای استفاده از جوش لیزری، مزایا و معایب آن و انواع مختلف را مورد بحث قرار میدهد.
جوشکاری لیزری چیست؟
جوشکاری لیزری روشی کارآمد و کاملا ملایم است که قطعات فلزی را با یک پرتو نور با شدت بالا به هم متصل میکند که باعث ذوب شدن و ذوب شدن مواد در هنگام سرد و خشک شدن میشود. تجهیزات مورد استفاده یا یک ماشین ثابت بزرگ یا یک مشعل دستی شبیه به جوشکاری چوبی است. این فرآیند به راحتی خودکار می شود و تولید با حجم بالا و کیفیت ثابتی را ارائه می دهد که فقط با جوش نقطه ای از طریق روش های دیگر می توانید به آن دست پیدا کنید. گاهی اوقات از یک پرکننده فلزی برای قدرت اتصال اضافی استفاده می شود، اما این همیشه ضروری نیست. پرتو جوش لیزری معمولاً توسط یک لیزر حالت جامد، فیبر یا CO2 تولید میشود که هر کدام مزایای خاص خود را نسبت به دیگری دارند (در این مورد کمی بیشتر صحبت خواهیم کرد).
در نقطه تمرکز پرتو، فلز به نقطه ذوب خود می رسد و یک حوضچه محلی را تشکیل می دهد که میله پرکننده را می توان در صورت نیاز در آن ذوب کرد. سپس پرتو لیزر در امتداد سطح مفصل حرکت می کند. این یک لبه جلویی را ذوب می کند و لبه مذاب و ذوب شده دنباله استخر را خنک و جامد می کند. در یک جوش موفق، فلز سرد شده به هر دو قسمت تقریباً یکسان میچسبد و بدون اکسیداسیون باقی میماند. ویژگی برجسته این فرآیند تا حد زیادی دقت آن است. اگر نقطه کوچکی برای جوش دارید، می توانید به راحتی به آن برسید بدون اینکه مواد اطراف را تحت تأثیر قرار دهید یا به قطعه کار آسیبی وارد کنید.
فرآیند جوشکاری لیزر در دهه 1960 و تقریباً در همان زمان لیزرها شروع شد. محققان آزمایشگاه تلفن بل اولین کسانی بودند که آنها را آزمایش کردند. آنها از لیزر یاقوتی با انفجارهای کوتاه و شدید انرژی استفاده کردند که دقیقاً در محل اتصال فلزات متمرکز شده بود. نتیجه مطلوب حاصل شد: فلزات ذوب شده و سپس ادغام می شوند. حتی در این آزمایشهای اولیه، این منجر به جوشهای بسیار باریک و دقیق، با حداقل مناطق متاثر از حرارت و اعوجاج شد. حتی تا حدی توانایی برای پیوستن به مواد غیر مشابه را نشان داد.
جوش لیزری روی طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات (به عنوان مثال آلومینیوم، مس، برنج، فولاد، تیتانیوم و نیکل)، پلاستیک ها (مانند پلی کربنات، نایلون و ABS) و حتی برخی از سرامیک ها (به ویژه آلومینا و زیرکونیا) کار می کند. پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن از این روش پیروی می کنند، و تحقیقات پیشرفته و موفقیت اولیه در جوشکاری لیزری قطعات فلزی به کامپوزیت های فیبر کربنی وجود دارد. حتی میتواند مواد با ضخامتها و خواص متفاوت را به هم جوش دهد - چیزی که نمیتوان آن را در مورد سایر تکنیکهای جوشکاری گفت.
اینکه آیا می توانید چیزی را با این روش جوش دهید یا نه، به خواص فیزیکی مواد بستگی دارد. به عنوان مثال، دمای ذوب، آلبیدو، هدایت حرارتی، و نقطه ای که در آن درست قبل از شروع به ذوب شدن ذوب می شود. اپراتور برای استفاده صحیح، کارآمد و ایمن، به ویژه برای مواد بسیار بازتابنده، به تجربه کمی نیاز دارد، اما تمرین باعث عالی می شود! (بعضی از تمرینات نیز از بین نمی روند)
با این حال، تجهیزات این روش جوشکاری نسبتاً گران است و هزینه بیشتری نسبت به ماشین آلات جوش حرارتی الکتریکی یا سنتی دارد. برخی از دستگاه های جوش لیزری نیز تعمیر و نگهداری بالایی دارند و هزینه را بیشتر افزایش می دهند. اگرچه جوش لیزری بر روی طیف وسیعی از مواد موثر است، بسیاری از پلاستیک ها و سرامیک ها را نمی توان به دلایل حرارتی و شیمیایی جوش داد. همچنین، اگر خیلی مراقب نباشید و از تجهیزات ایمنی مناسب استفاده نکنید، جوشکاری لیزری میتواند خطرناک باشد (ما در مورد سوختگی و آسیب چشم صحبت میکنیم... خوب نیست).
فرآیند جوش لیزری برای کاربردهای نازک و سبک با قطعات بسیار نزدیک که قطعات نوری به راحتی می توانند به آن دسترسی داشته باشند، مناسب است. در حال حاضر به خوبی با نقش های سنگین مانند کشتی سازی سازگار نیست. همچنین نسبت به فرآیندهای سنتی نسبت به آلایندهها، اکسیداسیون سطحی و شکافهای بین قطعات کمتر میبخشد. علاوه بر این، لبه های مواد باید به هم نزدیک و صاف باشند تا نتایج خوبی داشته باشند.
انواع جوش لیزری
چندین گزینه مختلف برای جوشکاری لیزر وجود دارد. آنها را در لیست زیر پیدا خواهید کرد.
رسانایی: این روش مواد را فقط با عمل مویرگی (بدون پرکننده) به هم ذوب می کند و دارای توان کمی است. برای فلزات نازک و لبه های نصب شده عالی است.
نفوذ عمیق: این برای جوشکاری قطعات ضخیم مناسب است و از قدرت لیزر بالا برای گرم کردن بخش عمیق و گسترده ای از مواد استفاده می کند. به طور کلی، لیزر ابتدا برای برش سوراخ کلیدی که از طریق مواد نفوذ می کند استفاده می شود (اطمینان از جوشکاری تمام ضخامت). سوراخ حاصل سپس با یک میله پرکننده مذاب در لبه انتهایی آن بسته می شود، زیرا لیزر در امتداد جوش پیشرفت می کند.
لکه لیزری: برای قطعات کوچک و پیچیدهتر بهترین است، این نوع جوشهای کوچکتر و موضعی ایجاد میکند که میتواند اتصالات نقطهای بین لبهها ایجاد کند یا از طریق یک قسمت ذوب شود تا بتواند با قطعه زیر آن ادغام شود.
درز لیزری: این روش باعث ایجاد درزهای طولانی و پیوسته می شود. اغلب از یک میله پرکننده برای ایجاد یک فیله در محل اتصال با استفاده از حرکات کنترل استخر مشابه با روشهای حرارتی الکتریکی و سنتی استفاده میکند.
لیزر هیبریدی: این لیزر و سایر فرآیندهای جوشکاری مانند MIG و TIG را مخلوط می کند. ترکیب فرآیندها به این روش می تواند مزایای هر دو سیستم را به شما بدهد.
انواع لیزر
انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری لیزری به شرح زیر است:
CO2 (دی اکسید کربن): این لیزرهای قدرتمند می توانند بر روی یک نقطه بسیار کوچک تمرکز کنند و با تحریک مولکول های گاز دی اکسید کربن کار کنند، که سپس آنها را تابش ساطع می کند. این برای اکثر مواد خوب است، اما برخی مانند فولاد ضد زنگ و تیتانیوم، در ابتدا می توانند لیزر را منعکس کنند و کمی سرعت شما را کاهش دهند.
Nd:YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم): این لیزرها نور مادون قرمز قدرتمندی با طول موج 1.064 میکرومتر تولید می کنند که بدون زحمت توسط موادی مانند فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و تیتانیوم جذب می شود. تمرکز آنها آسان است و به نگهداری زیادی نیز نیاز ندارند.
فیبر: اینها همچنین بسیار قدرتمند هستند و همچنین در مصرف انرژی نیز کارآمد هستند. پرتو در این لیزر از طریق یک کابل فیبر نوری مستقیماً به نقطه جوش منتقل می شود. آنها اغلب در جوشکاری رباتیک و سایر سیستم های خودکار استفاده می شوند و طول عمر قابل توجهی دارند.
دیسک: اینها برخی از لیزرهای جدیدتر در اطراف هستند و از یک دیسک نازک ساخته شده از یک ماده نیمه رسانا استفاده می کنند که برای تولید لیزر با مایع خنک شده است. پرتو را می توان به دو صورت ساطع کرد: در مسیر بازتابنده، یا از طریق یک لوله نور مستقیماً به مشعل. اینها قدرتمند هستند، به سرعت خنک می شوند، کیفیت پرتو بسیار خوبی دارند و نگهداری آنها آسان است.
جوشکاری لیزری: مراحل اولیه
مراحل کلی در فرآیند جوشکاری لیزر عبارتند از:
قطعاتی را که برای جوشکاری نیاز دارید تمیز کنید و تا جایی که ممکن است دقیق قرار دهید. خطی که آنها با هم ملاقات می کنند باید کاملاً بدون هیچ شکافی بسته شود.
از گیره های دستی یا وسایل خودکار برای نگه داشتن قطعات در جای خود و پایدار نگه داشتن آنها در طول فرآیند جوشکاری استفاده کنید.
نقطه کانونی پرتو را روی ناحیه جوش تنظیم کنید. چرخ دنده نوری در مشعل جوش معمولاً تنظیم آسان فوکوس را فراهم می کند.
قدرت تیر را تنظیم کنید و آن را روی مقداری مواد ضایعاتی آزمایش کنید. قبل از حرکت به سمت قطعه کار، مطمئن شوید که انرژی کافی برای ذوب شدن مواد از خود صرف می کند، اما برای گرم کردن بیش از حد قطعات کافی نیست.
تیر را در ابتدای محل جوش خود قرار دهید و هنگامی که یک ذوب خوب شروع شد، آن را در طول اتصال به طور پیوسته طی کنید. تکنیک های جوشکاری سنتی مانند چرخش نقطه داغ، همجوشی خوب را تشویق می کند و کیفیت جوش را بهبود می بخشد.
پس از اتمام جوش، قطعه را به طور طبیعی خنک کنید. همچنین می توانید آن را در آب خاموش کنید یا از روش های خنک کننده دیگر استفاده کنید.
