اصل جوشکاری لیزری
جوشکاری لیزر را می توان با پرتوهای لیزر پیوسته یا پالسی انجام داد. اصل جوشکاری لیزری را می توان به جوشکاری رسانش حرارتی و جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر تقسیم کرد. هنگامی که چگالی توان کمتر از 104 ~ 105 وات بر سانتی متر مربع است، جوشکاری هدایت حرارتی است. در این زمان، عمق نفوذ کم است و سرعت جوش آهسته است. هنگامی که چگالی توان بیشتر از 105 ~ 107 وات بر سانتی متر مربع است، سطح فلز با حرارت دادن به "حفره" فرو می رود و جوشکاری با نفوذ عمیق را تشکیل می دهد که دارای ویژگی های سرعت جوشکاری سریع و نسبت ابعاد بزرگ است.
اصل جوشکاری لیزر رسانایی گرما به این صورت است: تابش لیزر سطح مورد پردازش را گرم می کند و گرمای سطح از طریق رسانش گرما به داخل پخش می شود. با کنترل پهنای پالس لیزر، انرژی، توان پیک و فرکانس تکرار و سایر پارامترهای لیزر، قطعه کار ذوب می شود تا یک حوضچه مذاب خاص تشکیل شود. .
دستگاه جوش لیزری مورد استفاده برای جوش دنده و جوشکاری صفحه نازک متالورژی عمدتاً شامل جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر است. موارد زیر بر روی اصل جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر تمرکز دارد.
در جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر معمولاً از پرتوهای لیزر پیوسته برای تکمیل اتصال مواد استفاده می شود و فرآیند فیزیکی متالورژیکی آن بسیار شبیه به جوشکاری پرتو الکترونی است، یعنی مکانیزم تبدیل انرژی از طریق ساختار «کلید سوراخ» تکمیل می شود. تحت تابش لیزر با چگالی توان کافی، ماده تبخیر شده و منافذ کوچکی را تشکیل می دهد. این سوراخ کوچک پر از بخار مانند جسم سیاهی است که تقریباً تمام انرژی پرتو فرودی را جذب می کند و دمای تعادل در حفره به حدود 2500 0 درجه سانتیگراد می رسد. گرما از دیواره بیرونی حفره با دمای بالا برای ذوب فلز اطراف حفره منتقل می شود. سوراخ کوچک با بخار با دمای بالا پر می شود که توسط تبخیر مداوم مواد دیوار تحت تابش پرتو ایجاد می شود، دیواره های سوراخ کوچک توسط فلز مذاب احاطه شده است، و فلز مایع توسط مواد جامد احاطه شده است (در حالی که در اغلب فرآیندهای معمولی جوشکاری و جوشکاری رسانایی لیزری، انرژی ابتدا روی سطح قطعه کار رسوب میکند و سپس با انتقال به داخل منتقل میشود. جریان مایع خارج از دیواره منافذ و کشش سطحی لایه دیواره تعادل دینامیکی را با فشار بخار تولید شده به طور مداوم در حفره حفره حفظ می کند. پرتو به طور مداوم وارد سوراخ کوچک می شود و مواد خارج از سوراخ کوچک به طور مداوم در جریان است. همانطور که پرتو حرکت می کند، سوراخ کوچک همیشه در حالت جریان پایدار است. یعنی سوراخ کوچک و فلز مذاب اطراف دیواره سوراخ با سرعت رو به جلو تیر پیشرو به سمت جلو حرکت می کنند و فلز مذاب شکاف باقی مانده از سوراخ کوچک را پر می کند و سپس متراکم می شود، به طوری که جوش تشکیل می شود. تمام این فرآیندهای فوق به قدری سریع اتفاق می افتد که سرعت جوشکاری به راحتی می تواند به چندین متر در دقیقه برسد.
02
پارامترهای فرآیند اصلی جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر
1) قدرت لیزر یک مقدار آستانه چگالی انرژی لیزر در جوشکاری لیزری وجود دارد. زیر این مقدار، عمق نفوذ بسیار کم است. هنگامی که این مقدار به دست آمد یا از آن فراتر رفت، عمق نفوذ بسیار افزایش می یابد. پلاسما تنها زمانی تولید می شود که چگالی توان لیزر روی قطعه کار از مقدار آستانه (بسته به ماده) فراتر رود که نشان دهنده پیشرفت جوشکاری با نفوذ عمیق پایدار است. اگر توان لیزر زیر این آستانه باشد، فقط ذوب سطحی قطعه کار صورت می گیرد، یعنی جوشکاری با هدایت حرارتی پایدار صورت می گیرد. هنگامی که چگالی توان لیزر نزدیک به شرایط بحرانی برای تشکیل سوراخهای کوچک است، جوشکاری با نفوذ عمیق و جوش رسانایی به طور متناوب انجام میشود که به یک فرآیند جوشکاری ناپایدار تبدیل میشود و در نتیجه نوسانات زیادی در عمق نفوذ ایجاد میشود. در طول جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر، قدرت لیزر عمق نفوذ و سرعت جوش را به طور همزمان کنترل می کند. نفوذ جوش رابطه مستقیمی با چگالی توان پرتو دارد و تابعی از توان پرتو فرودی و نقطه کانونی پرتو است. به طور کلی، برای یک پرتو لیزر با قطر معین، با افزایش قدرت پرتو، عمق نفوذ افزایش مییابد.
2) نقطه کانونی پرتو. اندازه نقطه پرتو یکی از مهم ترین متغیرها در جوشکاری لیزری است زیرا چگالی توان را تعیین می کند. اما برای لیزرهای پرقدرت، اندازه گیری آن مشکل دشواری است، اگرچه تکنیک های اندازه گیری غیرمستقیم زیادی وجود دارد.
اندازه نقطه محدود پراش کانون پرتو را می توان با توجه به تئوری پراش نور محاسبه کرد، اما به دلیل وجود انحراف لنز کانونی، اندازه نقطه واقعی بزرگتر از مقدار محاسبه شده است. ساده ترین روش عملی، روش پروفیل همدما است که پس از ذغال کردن و نفوذ به صفحه پلی پروپیلن با کاغذ ضخیم، نقطه کانونی و قطر سوراخ را اندازه گیری می کند. این روش نیاز به تسلط بر توان لیزر و زمان عمل پرتو از طریق تمرین اندازه گیری دارد.
3) ارزش جذب مواد. جذب نور لیزر توسط مواد به برخی از خواص مهم مواد مانند قابلیت جذب، بازتاب پذیری، هدایت حرارتی، دمای ذوب، دمای تبخیر و غیره بستگی دارد که مهمترین آنها قابلیت جذب است.
عواملی که بر میزان جذب مواد به پرتو لیزر تأثیر میگذارند شامل دو جنبه است: اولی مقاومت ماده. پس از اندازهگیری میزان جذب سطح صیقلی ماده، مشخص میشود که نرخ جذب ماده متناسب با ریشه دوم مقاومت است و مقاومت با دما تغییر میکند. ثانیاً، حالت سطح (یا صافی) ماده تأثیر مهمتری بر میزان جذب پرتو دارد که تأثیر قابل توجهی بر اثر جوش دارد.
طول موج خروجی لیزر CO2 معمولاً 10.6 میکرومتر است. سرعت جذب سرامیک، شیشه، لاستیک، پلاستیک و سایر غیر فلزات در دمای اتاق بسیار بالا است، در حالی که سرعت جذب مواد فلزی در دمای اتاق بسیار ضعیف است، تا زمانی که مواد ذوب یا حتی گاز شوند، جذب آن به طور چشمگیری افزایش می یابد. بهبود جذب پرتوهای نور توسط مواد با استفاده از پوشش سطح یا تشکیل فیلم اکسید سطح بسیار مؤثر است.
4) سرعت جوش. سرعت جوش تاثیر زیادی بر عمق نفوذ دارد. افزایش سرعت باعث می شود نفوذ کم عمق شود، اما اگر سرعت خیلی کم باشد، مواد بیش از حد ذوب شده و قطعه کار جوش داده می شود. بنابراین، محدوده سرعت جوشکاری مناسب برای یک ماده خاص با قدرت لیزر مشخص و ضخامت معین وجود دارد و حداکثر عمق نفوذ را می توان در مقدار سرعت مربوطه به دست آورد. شکل 10-2 رابطه بین سرعت جوش و عمق نفوذ فولاد 1018 را نشان می دهد.
5) گاز محافظ. گاز بی اثر اغلب برای محافظت از حوضچه مذاب در فرآیند جوشکاری لیزری استفاده می شود. هنگامی که برخی از مواد بدون توجه به اکسیداسیون سطح جوش داده می شوند، ممکن است محافظ در نظر گرفته نشود، اما برای بیشتر کاربردها، گازهای هلیوم، آرگون، نیتروژن و سایر گازها اغلب به عنوان محافظ برای محافظت قطعه کار در برابر اکسیداسیون در حین لحیم کاری استفاده می شوند.
هلیوم به راحتی یونیزه نمی شود (انرژی یونیزاسیون بالاتر) که به لیزر اجازه می دهد به آرامی از خود عبور کند و انرژی پرتو بدون مانع به سطح قطعه کار می رسد. این موثرترین گاز محافظ مورد استفاده در جوشکاری لیزری است، اما گرانتر است.
گاز آرگون ارزان تر و متراکم تر است، بنابراین اثر محافظتی بهتر است. با این حال، مستعد یونیزاسیون پلاسمای فلزی در دمای بالا است، که بخشی از پرتو را از برخورد قطعه کار محافظت می کند، قدرت لیزر موثر برای جوشکاری را کاهش می دهد و همچنین به سرعت و نفوذ جوش آسیب می رساند. سطح جوش محافظت شده توسط آرگون صاف تر از سطحی است که توسط هلیوم محافظت می شود.
نیتروژن ارزان ترین گاز محافظ است، اما برای جوشکاری برخی از انواع فولاد ضد زنگ مناسب نیست، عمدتاً به دلیل مشکلات متالورژیکی، مانند جذب، که گاهی اوقات باعث ایجاد تخلخل در ناحیه همپوشانی می شود.
عملکرد دوم استفاده از گاز محافظ محافظت از لنز فوکوس کننده در برابر آلودگی بخار فلزی و پاشش قطرات مایع است. مخصوصاً در جوشکاری لیزر پرقدرت، چون جهش بسیار قوی می شود، در این زمان محافظت از لنز بیشتر ضروری است.
سومین عملکرد گاز محافظ این است که در از بین بردن سپر پلاسمایی تولید شده توسط جوش لیزری پرقدرت بسیار موثر است. بخار فلز پرتو لیزر را جذب کرده و به صورت ابر پلاسما یونیزه می شود و گاز محافظ اطراف بخار فلز نیز در اثر حرارت یونیزه می شود. اگر پلاسما بیش از حد وجود داشته باشد، اشعه لیزر تا حدودی توسط پلاسما مصرف می شود. پلاسما به عنوان انرژی ثانویه روی سطح کار وجود دارد که باعث کم عمق نفوذ و گشاد شدن سطح حوضچه جوش می شود. سرعت نوترکیبی الکترون ها با افزایش برخورد سه جسمی الکترون ها با یون ها و اتم های خنثی افزایش می یابد تا چگالی الکترون در پلاسما کاهش یابد. هر چه اتمهای خنثی سبکتر باشند، فرکانس برخورد بالاتر و نرخ نوترکیبی بالاتر است. از سوی دیگر، تنها گاز محافظ با انرژی یونیزاسیون بالا به دلیل یونیزاسیون خود گاز، چگالی الکترون را افزایش نمی دهد.
اندازه ابر پلاسما با توجه به گاز محافظ مورد استفاده متفاوت است، هلیوم کوچکترین، نیتروژن دومین و آرگون بزرگترین است. هرچه اندازه پلاسما بزرگتر باشد، نفوذ کمتر است. دلیل این تفاوت اولاً به دلیل درجه متفاوت یونیزاسیون مولکول های گاز و همچنین به دلیل تفاوت در انتشار بخار فلز ناشی از چگالی های مختلف گاز محافظ است.
هلیم گاز کمتر یونیزه و کم چگالی است و به سرعت بخارات فلزی تولید شده از حمام فلز مذاب را دفع می کند. بنابراین، استفاده از هلیوم به عنوان یک گاز محافظ می تواند پلاسما را تا حد زیادی سرکوب کند، در نتیجه عمق نفوذ و سرعت جوش را افزایش می دهد. به دلیل وزن سبک آن می تواند فرار کند و ایجاد منافذ آسان نیست. البته، از اثر جوش واقعی ما، اثر حفاظت از آرگون بد نیست.
تأثیر ابر پلاسما بر نفوذ در ناحیه با سرعت کم جوشکاری آشکارتر است. اثر آن با افزایش سرعت جوش کاهش می یابد.
گاز محافظ با فشار معینی از طریق نازل تزریق می شود تا به سطح قطعه کار برسد. شکل هیدرودینامیکی نازل و قطر خروجی بسیار مهم است. باید به اندازهای بزرگ باشد که گاز محافظ پاشیده شده را برای پوشاندن سطح جوشکاری کند، اما برای محافظت مؤثر از لنز و جلوگیری از آلودگی بخار فلز یا پاشش فلز از آسیب رساندن به لنز، اندازه نازل نیز باید محدود شود. سرعت جریان نیز باید کنترل شود، در غیر این صورت جریان آرام گاز محافظ متلاطم می شود و جو در حوضچه مذاب درگیر می شود و در نهایت منافذ ایجاد می کند.
به منظور بهبود اثر محافظتی، می توان از روش دمیدن جانبی اضافی نیز استفاده کرد، یعنی از طریق یک نازل با قطر کمتر، گاز محافظ مستقیماً با زاویه خاصی به سوراخ کوچک جوشکاری نفوذ عمیق تزریق می شود. گاز محافظ نه تنها ابر پلاسما را روی سطح قطعه کار سرکوب می کند، بلکه بر تشکیل پلاسما و سوراخ های کوچک در سوراخ نیز تأثیر می گذارد، عمق نفوذ را بیشتر می کند و جوشی با نسبت عمق به عرض ایده آل به دست می آورد. . با این حال، این روش مستلزم کنترل دقیق اندازه و جهت جریان هوا است، در غیر این صورت احتمالا جریان متلاطم ایجاد می شود و حوضچه مذاب را از بین می برد و پایداری فرآیند جوشکاری را دشوار می کند.
6) فاصله کانونی لنز. روش فوکوس معمولاً برای متراکم کردن لیزر در حین جوشکاری استفاده می شود و معمولاً از عدسی با فاصله کانونی 63 ~ 254 میلی متر (2.5 "~ 10 ") استفاده می شود. اندازه نقطه فوکوس متناسب با فاصله کانونی است، هر چه فاصله کانونی کمتر باشد، نقطه کوچکتر است. اما فاصله کانونی بر عمق کانونی نیز تاثیر می گذارد، یعنی عمق کانونی همزمان با فاصله کانونی افزایش می یابد، بنابراین فاصله کانونی کوتاه می تواند چگالی توان را افزایش دهد، اما به دلیل عمق کانونی کم، فاصله بین لنز و قطعه کار باید دقیقاً حفظ شود و عمق نفوذ زیاد نیست. با توجه به تأثیر پاشش و حالت لیزری که در فرآیند جوشکاری ایجاد می شود، کوتاه ترین عمق کانونی مورد استفاده در جوشکاری واقعی، عمدتاً فاصله کانونی 126 میلی متر (5 اینچ) است. هنگامی که اتصال بزرگ است یا نیاز به افزایش درز جوش است. با اندازه نقطه، می توانید لنزی با فاصله کانونی 254 میلی متر (10 اینچ) انتخاب کنید. در این حالت، برای دستیابی به اثر سوراخ سوراخ عمیق، به توان خروجی لیزر (چگالی توان) بالاتری نیاز است.
هنگامی که توان لیزر بیش از 2 کیلو وات است، به ویژه برای پرتو لیزر CO2 10.6 میکرومتر، به دلیل استفاده از مواد نوری ویژه برای تشکیل سیستم نوری، به منظور جلوگیری از خطر آسیب نوری به لنز فوکوس، روش فوکوس بازتابی اغلب است. استفاده می شود، و یک آینه مسی جلا داده شده به طور کلی به عنوان بازتابنده استفاده می شود. به دلیل خنک سازی موثر، اغلب برای تمرکز پرتوهای لیزری با توان بالا توصیه می شود.
7) موقعیت تمرکز هنگام جوشکاری، موقعیت فوکوس برای حفظ چگالی توان کافی حیاتی است. تغییر در موقعیت نسبی نقطه کانونی و سطح قطعه کار مستقیماً بر عرض و عمق جوش تأثیر می گذارد. شکل 2-6 تأثیر موقعیت فوکوس را بر عمق نفوذ و عرض درز فولاد 1018 نشان میدهد.
در اکثر کاربردهای جوشکاری لیزر، نقطه کانونی معمولاً تقریباً 1/4 عمق نفوذ مورد نظر در زیر سطح قطعه کار قرار دارد.
8) موقعیت پرتو لیزر. هنگام جوشکاری لیزری مواد غیرمشابه، موقعیت پرتو لیزر کیفیت نهایی جوش را کنترل می کند، به خصوص در مورد اتصالات لب به لب تا اتصالات لبه. به عنوان مثال، هنگامی که یک چرخ دنده فولادی سخت شده به یک درام فولادی نرم جوش داده می شود، کنترل مناسب موقعیت پرتو لیزر به تولید جوشی با اجزای عمدتا کربن کم که نسبتاً در برابر ترک خوردگی مقاوم است، کمک می کند. در برخی از کاربردها، هندسه قطعه کار برای جوشکاری مستلزم انحراف پرتو لیزر با زاویه است. هنگامی که زاویه انحراف بین محور پرتو و صفحه اتصال در 100 درجه باشد، جذب انرژی لیزر توسط قطعه کار تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت.
9) کنترل افزایش و کاهش تدریجی توان لیزر در نقاط شروع و پایان جوشکاری. در طول جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر، سوراخ های کوچکی بدون توجه به عمق جوش همیشه وجود دارد. هنگامی که فرآیند جوشکاری پایان یافت و کلید برق خاموش شد، یک گودال در انتهای جوش ظاهر می شود. علاوه بر این، زمانی که لایه جوش لیزری درز اصلی جوش را بپوشاند، جذب بیش از حد پرتو لیزر اتفاق میافتد که منجر به گرم شدن بیش از حد جوش یا ایجاد منافذ میشود.
به منظور جلوگیری از وقوع پدیده فوق، می توان نقاط شروع و توقف برق را طوری برنامه ریزی کرد که زمان شروع و پایان برق قابل تنظیم باشد، یعنی توان اولیه به صورت الکترونیکی از صفر به مقدار توان تنظیم شده در مدت زمان کوتاهی افزایش یابد. و جوش قابل تنظیم است. زمان و در نهایت با پایان یافتن جوش، توان به تدریج از توان تنظیم شده به صفر کاهش می یابد.
03
ویژگی ها و مزایا و معایب جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر
ویژگی های جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری
1) نسبت تصویر بالا با تشکیل فلز مذاب در اطراف حفره استوانه ای بخار داغ و امتداد آن به سمت قطعه کار، جوش عمیق و باریک می شود.
2) حداقل حرارت ورودی. از آنجایی که دما در سوراخ کوچک بسیار بالا است، فرآیند ذوب بسیار سریع اتفاق میافتد، گرمای ورودی به قطعه کار بسیار کم است و تغییر شکل حرارتی و ناحیه متاثر از حرارت کوچک است.
3) چگالی بالا. زیرا منافذ کوچک پر شده با بخار با دمای بالا باعث به هم زدن حوضچه جوش و خروج گاز می شود و در نتیجه جوش نفوذی بدون منافذ ایجاد می شود. سرعت سرد شدن بالا پس از جوشکاری به راحتی می تواند ساختار جوش را ظریف تر کند.
4) جوش های قوی. به دلیل منبع حرارت شعله ور و جذب کافی اجزای غیرفلزی، محتوای ناخالصی کاهش می یابد و اندازه آخال ها و توزیع آنها در حوضچه مذاب تغییر می کند. فرآیند جوشکاری نیازی به الکترود یا سیم پرکننده ندارد و ناحیه ذوب آلودگی کمتری دارد، به طوری که استحکام و چقرمگی جوش حداقل برابر یا حتی بیشتر از فلز اصلی است.
5) کنترل دقیق از آنجایی که نقطه نور متمرکز کوچک است، درز جوش را می توان با دقت بالایی قرار داد. خروجی لیزر "اینرسی" ندارد، می توان آن را با سرعت بالا متوقف کرد و دوباره راه اندازی کرد، و قطعه کار پیچیده را می توان با تکنولوژی حرکت پرتو کنترل عددی جوش داد.
6) فرآیند جوشکاری اتمسفر بدون تماس. از آنجایی که انرژی از پرتو فوتون می آید، هیچ تماس فیزیکی با قطعه کار وجود ندارد، بنابراین هیچ نیروی خارجی به قطعه کار وارد نمی شود. علاوه بر این، مغناطیس و هوا تأثیری بر نور لیزر ندارند.
مزایای جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری
1) از آنجایی که لیزر متمرکز دارای چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به روشهای معمولی است، سرعت جوشکاری سریع است، ناحیه متاثر از حرارت و تغییر شکل کوچک است و مواد سخت جوش مانند تیتانیوم نیز قابل جوش هستند.
2) چون انتقال و کنترل پرتو آسان است و نیازی به تعویض مکرر مشعل و نازل نیست و برای جوشکاری پرتو الکترونی نیازی به خلاء نیست که زمان کمکی از کار افتادگی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، بنابراین ضریب بار و راندمان تولید بالاست
3) با توجه به اثر تصفیه و سرعت خنک کننده بالا، استحکام جوش، چقرمگی و عملکرد جامع بالا است.
4) با توجه به متوسط ورودی گرما و دقت پردازش بالا، هزینه های پردازش مجدد را می توان کاهش داد. علاوه بر این، هزینه عملیاتی جوش لیزری نیز کم است، که می تواند هزینه های پردازش قطعه کار را کاهش دهد.
5) می تواند به طور موثر شدت پرتو و موقعیت خوب را کنترل کند و به راحتی می توان عملیات خودکار را درک کرد.
معایب جوشکاری با نفوذ عمیق لیزر
1) عمق جوش محدود است.
2) الزامات مونتاژ قطعه کار زیاد است.
3) سرمایه گذاری یکباره سیستم لیزر نسبتاً زیاد است
