جوشکاری با پرتوی لیزری (LBW):

کلیات فرایند:

از سال 1962 به بعد گزارش های متعددی در زمینه کاربردهای متالورژیکی لیزر از جمله جوشکاری موجود است. اولین عملیات جوشکاری لیزری در سال 1963 و برای جوشکاری لب به لب ورق های فولادی با استفاده از لیزر پالسی یاقوت گزارش شده است. در سال 1965 سيستم های ليزری به وجود آمدند كه برای جوشكاری در مدارهای الكترونيك، درون لوله های خلاء و در ساير كاربردهای خاص كه فناوری های مرسوم آن زمان قادر به ايجاد مناسب آنها نبودند، استفاده شدند. به دليل محدوديت توان موجود، تا 1970 جوشكاری ليزری محدود به لیزرهای پالسی برای مواد با ضخامت كم و سرعت پايين بودو تنها پس از آن از لیزرهای با توان بالا و پیوسته نیز در جوشکاری مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1971 وجود حالت جوشکاری نفوذی یا سوراخ کلیدی در تابش اشعه لیزر یا پرتو الکترونی در جوشکاری با پرتوی لیزری (LBW) و نیز جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) گزارش شد. در واقع ایجاد سوراخ کلید در فلزات، در شدت های بالای لیزر (MW/cm3) امکان پذیر است و در نتیجه سوراخ کلید نیاز به زمانی کافی برای به وجود آمدن دارد و به آسانی در جوشکاری لیزر پالسی ایجاد نمی شود. از سال های 1971 تا 1972 به بعد استفاده از لیزرهای CO2 پیوسته این مسیر را تغییر داد. جوش هایی با نفوذ کامل در ضخامت های بالا از فولاد زنگ نزن مشابه اتصالات جوشی ایجاد شده با فرایند جوشکاری پرتوی الکترونی (EBW) در حالت سوراخ کلیدی ایجاد شدند. این تحقیقات در کشورهای ژاپن، آلمان و انگلستان انجام شدند. پیشرفت های بعدی در جوشکاری لیزری CO2 بر بهینه‌سازی بیشتر، منابع لیزر، افزایش کیفیت باریکه لیزر و فهم اندرکنش طراحی اتصال، سرعت جوشکاری، تمرکز اشعه و اثرات پلاسما در جوش پذیری متمرکز شد. مطالعات در این زمینه تا توان های 12 -15 KW ادامه یافته است. جوشکاری با Nd: YAG به علت کم بودن طول موج آن و کاهش باز تابش از مواد فلزی استفاده بیشتری نسبت به CO2 می تواند داشته باشد. امروزه لیزر در حوزه فرآوری مواد کاربردهای زيادی یافته است. جوشكاری با استفاده از ليزر به عنوان يك فناوری جديد در سال های اخير كاربردهای بسيار وسيعی در صنايع مختلف از قبيل صنایع خودروسازی، نظامی، هوافضا، کشتی سازی، الکترونیک و غيره پيدا نموده است. در سال های آینده استفاده از لیزرهای دیودی پیشرفت های زیادی را در جوشکاری لیزر ایجاد خواهد کرد.

فرایند جوشکاری لیزر:

جوشکاری لیزری از جمله روش های نوین جوشکاری های ذوبی می باشد. با تابش اشعه پر انرژی لیزر به سطح مورد نظر، حرارت مورد نیاز برای ایجاد حوضچه مذاب و انجام فرآیند اتصال فراهم می گردد. تكنيك جوشكاری ليزری تفاوت هایی با روش های متداول جوشكاری ذوبی از نظر تجهيزات و نحوه كار دارد. در جوشكاری ليزری جوشی نازك و عميق به دست می آید و انرژی ورودی به قطعه در مقایسه با روش های رایج بسیار کمتر است. اين خاصيت اجازه می دهد كه

جوشكاری ليزری در كاربردهای خاصی كه در آنها نسبت عمق نفوذ به عرض جوش بالا مورد نياز است، كاربرد فراوانی داشته باشد.

جوشکاری لیزر تعادلی بین گرمایش و سرمایش در حجم مشخصی از یک یا دو ماده جامد است که منجر به تشکیل ماده مذاب و انجماد آن می شود. مشخصه جوشکاری لیزر ایجاد ناحیه مذاب مایع به وسیله جذب شد‌ت اشعه است که این امر امکان رشد و گسترش حوضچه مذاب به درون ناحیه فصل مشترک جامد را داده و در نتیجه اتصالی پیوسته میان اجزاء ایجاد می شود. اتصالات ناموفق زمانی‌که ناحیه مذاب خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد یا اگر تبخیر ماده بیش از حد باشد، اتفاق می افتد. کیفیت جوش متناسب با تبخیر عناصر آلیاژی، گرادیان حرارتی اعمالی که منجر به ترک انجماد می شود، تحلیل می شود. عدم تعادل در حجم و مقیاس ناحیه جوش منجر به ایجاد تخلخل می شود. دستیابی به تعادل بین گرمای ورودی و خروجی به جذب ثابت تابش لیزر و توزیع یکنواخت گرما در قطعه کاری بستگی دارد. مسیر تابش لیزر به درون قطعه اغلب به وسیله تجمع گازهای داغ در نقطه تمرکز لیزر مختل می شود. در شرایط خاص این گاز داغ به یک ابر پلاسما تبدیل می شود که به شدت بر باریکه لیزر اثر گذاشته و آن را جذب و پخش می کند. اولین مراحل تحقیق در جوشکاری لیزری، مشخص کردن پارامترهای مؤثر بر تعادل بین گرمایش و سرمایش و منطقه جوش و مذاب و جامد و تکرارپذیری جوش لیزری و توسعه روش های کنترل این پارامترها است.

مزیت های جوشکاری لیزر:

نرخ اتصال مناسب، کیفیت جوش عالی، دقت بسیار بالا، قابليت خودکارسازی (Automation) مناسب و ، ظرافت و زیبایی ظاهری اتصال جوشی حاصل از این فرایند از جمله عواملی است که موجب شده تا کاربرد فرآیند جوشکاری لیزری (LBW) در صنایع گوناگون توسعه یابد. از نظر اقتصادی كاهش هزينه‌های توليد به دليل مصرف كم منابع و مواد مصرفی، اين روش را در رديف بهترين روش های اتصال قرار داده است.

انواع جوشکاری لیزری:

جوشکاری هدایتی

جوشکاری نفوذی یا سوراخ کلیدی

جوشکاری لیزر به دو روش کلی انجام می شود. در روش هدایتی جوشکاری لیزر، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی به نسبت کم انرژی تر است که اغلب برای جوشکاری های کم عمق کاربرد دارد. در روش نفوذی یا سوراخ کلیدی، جوشکاری با لیزرهای پرانرژی و اغلب برای اتصال قطعات ضخیم یا پر کردن حفره ها مورد استفاده قرار می گیرد.

تفاوت اساسی در این دو روش جوشکاری لیزر (LBW) آن است که در حالت اول سطح منطقه جوش شکسته نمی شود ولی در حالت جوشکاری نفوذی سطح ناحیه جوش باز می شود تا باریکه لیزر به درون ناحیه مذاب نفوذ کند. جوشکاری هدایتی به دلیل عدم نفوذ پرتوی لیزر به درون ماده، کمتر مستعد جذب گاز در هنگام جوشکاری است. در جوشکاری نفوذی بسته شدن غیرپیوسته سوراخ کلید احتمال بروز تخلخل در جوش را افزایش می دهد.

از آنجا که جوشکاری لیزر یک روش با چگالی انرژی بالا است نیاز به هدایت گرما برای ایجاد نفوذ عمیق ندارد و این برخلاف روش های معمول و مرسوم جوشکاری قوس الکتریکی (Arc Welding) و جوشکاری با گاز (Gas Welding) است که از طریق هدایت گرما به نفوذ دست می یابند. در جوشکاری لیزر هدایتی عرض جوش اغلب بزرگتر از عمق و انرژی ورودی بیشتر از مقدار لازم برای نفوذ است. در جوشکاری لیزر نفوذی یا سوراخ کلیدی منبع حرارت لیزر از سطح به داخل ضخامت ماده منتقل می شود و جوشی عمیق و نازک به وجود می آورد.

کاربردهای جوشکاری لیزر:

کاربرد جوشکاری با پرتوی لیزر (LBW) در صنعت به شکل روزافزونی در حال گسترش است، از میکروالکترونیک تا کشتی‌سازی امکان استفاده از این فرایند جوشکاری را دارند. این پتانسیل کاربری را می توان ناشی از عوامل ذیل دانست:

حرارت ورودی محدود

منطقه حرارت پذیرفته کوچک

میزان ناصافی اندک

سرعت بالای جوشکاری

برخی از این خصوصیات، جوشکاری لیزری را گزینه منتخب برخی از صنایع نموده که پیشتر از فرایند جوشکاری مقاومتی استفاده می کردند. فرایند جوشکاری لیزر همچنین امکان ترکیب با فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با سیم مصرفی در پناه گاز محافظ خنثی یا فرایند جوشکاری میگ (MIG) را دارد. این ترکیب فرایندی برای قرار گرفتن بر سطحی که می بایست جوشکاری شود، طراحی شده اند. علاوه بر این تجهیزات ویژه به کار گرفته شده به شکل قابل توجهی ابزارهای مورد نیاز برای آماده سازی لبه مورد نظر برای جوشکاری را کاهش می دهند. سیم جوش های پرکننده (Filler Wire) موجود با ترکیب شیمیایی مناسب شرایط لازم را جهت یک دست شدن خواص مکانیکی منطقه جوش فراهم آورده اند. علاوه بر این فرایندهای ترکیبی به کار گرفته شده قادراند تا سرعت انجام کار را به شکل قابل توجهی افزایش دهند، همچنین در نفوذ عمقی و درزگیری کلی نیز موثرند. پیشرفت های اخیر در زمینه دیودهای لیزری موقعیت جدیدی را برای حل مشکلات صنعت فراهم کرده است.

لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند (2KW تا 10KW) در حال حاضر در جوشکاری بدنه خودروها، مبدل های حرارتی و سایر موارد استفاده می شوند. سال ها لیزرهای یاقوتی کمتر از 500W برای جوشکاری قطعات کوچک مانند قسمت های کوچک و ظریف ابزارهای پزشکی، بسته های الکترونیکی و حتی تیغ های اصلاح صورت مورد استفاده قرار می گرفتند. لیزرهای یاقوتی چند کیلوواتی از گذراندن پرتو از فیبرهای نوری استفاده می کردند. این کار به سادگی توسط روبات ها انجام می شد و دامنه وسیعی از کاربردهای سه بعدی مانند برشکاری و جوشکاری لیزری بدنه خودروها را ممکن می ساخت.

پرتو لیزر در نقطه کوچکی متمرکز می شود و با شدتی که در آن نقطه ایجاد می کند، باعث ذوب و حتی تبخیر فلز می شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند، آینه های خنک شونده توسط آب به جای عدسی ها مورد استفاده قرار می گیرند.