جوشکاری لیزر، تجهیزات، مزایا و معایب

جوشکاری لیزر

یک فرآیند جوشکاری ذوبی است که در آن دو قطعه ي فلزی با استفاده از لیزر به یکدیگر متصل می شوند. پرتوهای لیزر روي حفره بین دو قطعه فلزی که قرار است به یکدیگر متصل شوند متمرکز می شوند. پرتوهای لیزر انرژی کافی دارند و هنگامی که به قطعات فلزی برخورد می کنند حرارتی تولید می کنند که مواد دو قطعه فلزی را ذوب کرده و حفره را پر می کند. پس از سرد شدن یک جوش قوی بین دو قطعه تشکیل می شود. این یک فرآیند جوشکاری بسیار کارآمد است و می توان آن را به راحتی با ماشین آلات رباتیک خودکار کرد. این روش جوشکاری بیشتر در صنعت خودرو استفاده می شود.

قطعات یا تجهیزات اصلی جوشکاری پرتو لیزر عبارتند از:

دستگاه جوش لیزر، دستگاهي است که برای تولید لیزر برای جوشکاری استفاده می شود. اجزای اصلی دستگاه لیزر در زیر نشان داده شده است.

منبع تغذیه: یک منبع برق با ولتاژ بالا در سراسر دستگاه لیزر برای تولید پرتو لیزر اعمال می شود.

CAM: دستگاه لیزر را با رایانه ها برای انجام فرآیند جوشکاری یکپارچه میكند. تمام اعمال کنترلی در طول فرآیند جوشکاری توسط لیزر، توسط CAM انجام می شود. فرآیند جوشکاری را تا حد زیادی سرعت می بخشد.

CAD: به آن طراحی به کمک رایانه می گویند. برای طراحی کار برای جوشکاری استفاده می شود. در اینجا از کامپیوترها برای طراحی قطعه کار و نحوه انجام جوش روی آن استفاده می شود.

گاز محافظ: ممکن است در طول فرآیند جوشکاری از یک گاز محافظ برای جلوگیری از اکسید شدن w/p استفاده شود.

انواع لیزر مورد استفاده

لیزرهای گازی: از مخلوط گازها به عنوان یک محیط مناسب برای تولید لیزر استفاده می کند. از مخلوط گازهایی مانند نیتروژن، هلیوم و دی اکسید کربن به عنوان محیط لیزر استفاده می شود.

لیزر حالت جامد: از چندین محیط جامد مانند کریستال یاقوت مصنوعی (کروم در اکسید آلومینیوم)، نئودیمیم در شیشه (Nd: شیشه) و نئودیمیم در گارنت آلومینیوم ایتریم (Nd-YAG، که بیشتر استفاده می شود) استفاده می کند.

لیزر فیبر: محیط لیزر در این نوع لیزر، خود فیبر نوری است.

ویژگی های جوشکاری پرتو لیزر

چگالی توان جوشکاری پرتو لیزر بالا است. در حد 1 مگاوات بر سانتی متر مربع است. به دلیل این چگالی انرژی بالا، دارای مناطق کوچک متاثر از گرما است. میزان گرمایش و سرمایش زیاد است. پرتوهای لیزر تولید شده منسجم (دارای فاز یکسان) و تک رنگ (یعنی دارای طول موج یکسان) هستند. از آن برای جوشکاری نقطه ای با اندازه های کوچکتر استفاده می شود، اما اندازه نقطه می تواند از 0.2 میلی متر تا 13 میلی متر متفاوت باشد. عمق نفوذ LBW به مقدار منبع تغذیه و محل نقطه کانونی بستگی دارد. متناسب با مقدار منبع تغذیه است. هنگامی که نقطه کانونی کمی زیر سطح قطعه کار نگه داشته شود، عمق نفوذ به حداکثر می رسد.

برای جوشکاری از پرتوهای لیزر پالسی یا پیوسته استفاده می شود. مواد نازک با استفاده از پالس های میلی ثانیه ای جوش داده می شوند و از پرتوهای لیزر پیوسته برای جوش های عمیق استفاده می شود. این یک فرآیند همه کاره است زیرا قادر به جوشکاری فولادهای کربنی، فولاد ضد زنگ، فولاد HSLA، آلومینیوم و تیتانیوم است. به دلیل سرعت سرد شدن بالا، مشکل ترک خوردگی در هنگام جوشکاری فولادهای پر کربن وجود دارد ولي جوش با کیفیت بالا تولید می کند. این فرآیند جوشکاری در صنعت خودروسازی محبوبیت بیشتری دارد.

نحوه کار کردن جوشکاری پرتو لیزر

ابتدا راه اندازی دستگاه لیزر جوش در محل مورد نظر (در بین دو قطعه فلزی که باید به هم متصل شوند) انجام می شود. پس از راه اندازی، یک منبع تغذیه با ولتاژ بالا به دستگاه لیزر اعمال می شود. با این کار لامپ های فلاش دستگاه روشن می شود و فوتون های نوری ساطع می شود. انرژی فوتون نور توسط اتم های کریستال یاقوت جذب می شود و الکترون ها به سطح انرژی بالاتر خود برانگیخته می شوند. هنگامی که آنها به حالت پایه خود باز می گردند (وضعیت انرژی پایین تر) یک فوتون نور ساطع می کنند. این فوتون نوری دوباره الکترون های برانگیخته اتم را تحریک می کند و دو فوتون تولید می کند.

این روند ادامه می یابد و ما یک پرتو لیزر متمرکز دریافت می کنیم. این پرتو لیزر با غلظت بالا به محل مورد نظر برای جوشکاری قطعات متعدد به یکدیگر متمرکز می شود. از لنز برای متمرکز کردن لیزر در ناحیه ای که جوشکاری نیاز است استفاده می شود. CAM برای کنترل حرکت لیزر و میز قطعه کار در طول فرآیند جوشکاری استفاده می شود. همانطور که پرتو لیزر به حفره بین دو قطعه فلزی که قرار است به یکدیگر متصل شوند برخورد می کند، فلز پایه هر دو قطعه را ذوب می کند و پس از انجماد، یک جوش قوی بدست می آوریم.

مزایا

• کیفیت جوش بالایی را تولید می کند.
• LBW را می توان به راحتی با ماشین آلات رباتیک برای تولید حجم زیاد خودکار کرد.
• هیچ الکترودی  مورد نیاز نیست.
• هیچ ابزاری فرسوده نمی شود زیرا یک فرآیند غیر تماسی است.
• زمان صرف شده برای جوشکاری بخش ضخیم کاهش می یابد.
• قابلیت جوشکاری در مناطقی که به راحتی در دسترس نیستند.
• قابلیت جوشکاری فلزات با خواص فیزیکی متفاوت را دارد.
• می توان مواد را در هوا جوش داد و نیازی به خلاء نیست.
• محافظ اشعه ایکس مورد نیاز نیست زیرا هیچ اشعه ایکسي تولید نمی کند.
• می توان براي جوشكاري در نقاط کوچک متمرکز کرد.
• انواع مختلفی از مواد را می توان با استفاده از جوشکاری پرتو لیزر جوش داد.
• نسبت تصویر (یعنی نسبت عمق به عرض) 10:1 را ایجاد می کند.

معایب

1. هزینه اولیه بالا. تجهیزات مورد استفاده در LBW هزینه بالایی دارند.
2. هزینه نگهداری بالا
3. به دلیل سرعت سرد شدن سریع، ممکن است در برخی از فلزات ترک ایجاد شود.
4. برای کار با LBW به نیروی کار با مهارت بالا نیاز است.
5. ضخامت جوش به 19 میلی متر محدود شده است.
6. راندمان تبدیل انرژی در LBW بسیار پایین است. معمولاً زیر 10 درصد است.

کاربرد

جوشکاری لیزر در صنعت خودروسازی بیشتر كاربرد دارد. در جایی که نیاز به تولید زیاد است استفاده می شود.