جوشکاری لیزری یکی از جنبههای مهم کاربرد فناوری پردازش لیزری است، اما همچنین چشمنوازترین و امیدوارکنندهترین فناوری جوشکاری در قرن بیست و یکم است. در مقایسه با روشهای جوشکاری سنتی، جوشکاری لیزری مزایای بسیاری دارد، کیفیت جوشکاری بالاتر و راندمان سریعتر. در حال حاضر، فناوری جوشکاری لیزری به طور گسترده در تولید، متالورژی پودر، صنعت خودرو، صنعت الکترونیک، زیستپزشکی و سایر زمینهها مورد استفاده قرار گرفته است.
طبق مکانیسم تشکیل حوضچه جوش، جوشکاری لیزری دو مکانیسم جوشکاری اساسی دارد: جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری نفوذ عمیق (سوراخ کوچک). گرمای تولید شده توسط جوشکاری هدایت حرارتی از طریق انتقال حرارت به قطعه کار منتقل میشود، به طوری که سطح جوش ذوب میشود، اساساً هیچ پدیده تبخیری وجود ندارد، که اغلب در جوشکاری قطعات دیواره نازک با سرعت کم استفاده میشود. جوشکاری همجوشی عمیق ماده را تبخیر میکند و مقدار زیادی پلاسما تشکیل میدهد. به دلیل گرمای زیاد، سوراخهایی در انتهای جلویی حوضچه مذاب وجود خواهد داشت. جوشکاری نفوذ عمیق میتواند قطعه کار را به طور کامل جوش دهد و انرژی ورودی زیاد است، سرعت جوشکاری سریع است و پرکاربردترین حالت جوشکاری لیزری است.
پارامترهای فرآیندی زیادی بر کیفیت جوشکاری لیزر تأثیر میگذارند، مانند چگالی توان، شکل موج پالس لیزر، عدم فوکوس، سرعت جوشکاری و گاز کمکی دمنده.
۱. چگالی توان لیزر چگالی توان یکی از مهمترین پارامترها در پردازش لیزری است. با چگالی توان بالاتر، لایه سطحی میتواند در بازه زمانی میکروثانیه تا نقطه جوش گرم شود و مقدار زیادی تبخیر ایجاد کند. بنابراین، چگالی توان بالا برای پردازش حذف مواد مانند پانچ، برش و حکاکی بسیار مفید است. برای چگالی توان پایین، رسیدن دمای سطح به نقطه جوش چند میلیثانیه طول میکشد و قبل از اینکه لایه سطحی تبخیر شود، لایه زیرین به نقطه ذوب میرسد که به راحتی میتوان یک جوشکاری ذوبی خوب ایجاد کرد. بنابراین، در جوشکاری لیزری هدایت حرارتی، محدوده چگالی توان ۱۰۴-۱۰۶ وات بر سانتیمتر مربع است.
۲. شکل موج پالس لیزر
شکل موج پالس لیزر نه تنها یک پارامتر مهم برای تمایز بین حذف مواد از ذوب مواد است، بلکه یک پارامتر کلیدی برای تعیین حجم و هزینه تجهیزات پردازش نیز میباشد. هنگامی که پرتو لیزر با شدت بالا به سطح ماده برخورد میکند، سطح ماده 60 تا 90 درصد از انرژی لیزر را منعکس و از دست میدهد، به خصوص طلا، نقره، مس، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر مواد، انعکاس قوی و انتقال حرارت سریعی دارند. بازتاب یک فلز با زمان در طول سیگنال پالس لیزر تغییر میکند. هنگامی که دمای سطح ماده به نقطه ذوب میرسد، بازتاب به سرعت کاهش مییابد و هنگامی که سطح در حالت ذوب قرار میگیرد، بازتاب در مقدار مشخصی تثبیت میشود.
۳. پهنای پالس پهنای پالس یک پارامتر مهم در جوشکاری لیزر پالسی است. پهنای پالس با عمق نفوذ و ناحیه تحت تأثیر حرارت تعیین میشود. هرچه پهنای پالس طولانیتر باشد، ناحیه تحت تأثیر حرارت بزرگتر است و عمق نفوذ با ۱/۲ توان پهنای پالس افزایش مییابد. با این حال، افزایش پهنای پالس باعث کاهش توان پیک میشود، بنابراین افزایش پهنای پالس معمولاً برای جوشکاری هدایت حرارتی استفاده میشود که منجر به اندازه جوش پهن و کم عمق میشود، به خصوص برای جوشکاری روی هم صفحات نازک و ضخیم مناسب است. با این حال، توان پیک پایینتر منجر به ورودی گرمای اضافی میشود و هر ماده دارای پهنای پالس بهینهای است که نفوذ را به حداکثر میرساند.
۴. جوشکاری لیزری با فوکوس غیرمتمرکز معمولاً به مقدار مشخصی از فوکوس غیرمتمرکز نیاز دارد، زیرا تمرکز لیزر در مرکز نقطه جوش بسیار زیاد است و به راحتی در سوراخها تبخیر میشود. توزیع چگالی توان در هر صفحه دور از کانون لیزر نسبتاً یکنواخت است. دو روش فوکوس غیرمتمرکز وجود دارد: فوکوس غیرمتمرکز مثبت و فوکوس غیرمتمرکز منفی. اگر صفحه کانونی بالای قطعه کار قرار داشته باشد، فوکوس غیرمتمرکز مثبت است؛ در غیر این صورت، فوکوس غیرمتمرکز منفی است. طبق نظریه اپتیک هندسی، وقتی فاصله بین صفحات فوکوس غیرمتمرکز مثبت و منفی و صفحه جوشکاری برابر باشد، چگالی توان در صفحه مربوطه تقریباً یکسان است، اما شکل واقعی حوضچه جوش به دست آمده متفاوت است. در صورت فوکوس غیرمتمرکز منفی، میتوان نفوذ بیشتری به دست آورد که مربوط به فرآیند تشکیل حوضچه مذاب است.
۵، سرعت جوشکاری سرعت جوشکاری، کیفیت سطح جوش، نفوذ، ناحیه تحت تأثیر حرارت و غیره را تعیین میکند. سرعت جوشکاری بر میزان حرارت ورودی در واحد زمان تأثیر میگذارد. اگر سرعت جوشکاری خیلی آهسته باشد، حرارت ورودی خیلی زیاد است و در نتیجه قطعه کار میسوزد. اگر سرعت جوشکاری خیلی سریع باشد، حرارت ورودی خیلی کم است و در نتیجه جوش قطعه کار مات میشود. کاهش سرعت جوشکاری معمولاً برای بهبود نفوذ استفاده میشود.
6. گاز محافظ دمشی کمکی گاز محافظ دمشی کمکی یک فرآیند ضروری در جوشکاری لیزر پرقدرت است. از یک سو، برای جلوگیری از پاشش مواد فلزی و آلودگی آینه فوکوس کننده؛ از سوی دیگر، برای جلوگیری از تمرکز بیش از حد پلاسمای تولید شده در فرآیند جوشکاری و جلوگیری از رسیدن لیزر به سطح ماده است. در فرآیند جوشکاری لیزر، اغلب از هلیوم، آرگون، نیتروژن و سایر گازها برای محافظت از حوضچه مذاب استفاده میشود تا قطعه کار در مهندسی جوشکاری از اکسیداسیون محافظت شود. عواملی مانند نوع گاز محافظ، اندازه جریان هوا و زاویه دمش تأثیر زیادی بر نتیجه جوشکاری دارند. روشهای مختلف دمش نیز تأثیر خاصی بر کیفیت جوشکاری دارند.
هلیوم به راحتی یونیزه نمیشود (انرژی یونیزهکننده بالایی دارد) و به لیزر اجازه میدهد تا به راحتی عبور کند و انرژی پرتو بدون مانع به سطح قطعه کار برسد. این مؤثرترین گاز محافظ مورد استفاده در جوشکاری لیزر است، اما قیمت آن نسبتاً گران است. آرگون ارزانتر و متراکمتر است، بنابراین محافظت بهتری دارد. با این حال، به راحتی توسط پلاسمای فلزی با دمای بالا یونیزه میشود، بنابراین بخشی از پرتو را از قطعه کار محافظت میکند، قدرت مؤثر لیزر جوشکاری را کاهش میدهد، اما به سرعت و نفوذ جوشکاری نیز آسیب میرساند. سطوح جوشهای محافظت شده توسط آرگون صافتر از سطوح محافظت شده توسط هلیوم هستند. نیتروژن به عنوان یک گاز محافظ ارزانترین است، اما برای برخی از انواع جوشکاری فولاد ضد زنگ مناسب نیست، عمدتاً به دلیل مشکلات متالورژیکی، مانند جذب، که گاهی اوقات باعث ایجاد منافذ در ناحیه لبه میشود.
جوشکاری لیزر به عنوان یک فناوری جوشکاری جدید، دارای ویژگیهای چگالی انرژی بالا، سرعت بالا، دقت بالا، نفوذ عمیق و سازگاری قوی است. کاربرد آن روز به روز گستردهتر میشود که نه تنها میتواند راندمان تولید را بهبود بخشد، بلکه کیفیت جوشکاری را نیز بهبود میبخشد. فناوری جوشکاری لیزر مطمئناً نقش مهمتری در زمینه پردازش مواد ایفا خواهد کرد.
زمان ارسال: ۲۸ مارس ۲۰۲۳
