جوشکاری لیزر

جوشکاری لیزر فرایندی در دسته جوشکاری ذوبی است که اتصال بین دو ماده را به وسیله اعمال حرارت متمرکز ناشی از اشعه لیزر روی منطقه اتصال انجام می دهد. جوشکاری با لیزر اغلب بدون فلز پر کننده انجام می شود، اما در شرایطی ممکن است از فلز پرکننده نیز استفاده شود. مشخصه های خاص اشعه لیزر مانند تمرکز بالا و موازی بودن آن این قابلیت را به اشعه لیزر می دهند که روی منطقه ای به ضخامت چند دهم میلی متر متمرکز شود. در جوشکاری لیزری، اشعه لیزر به وسیله آینه ها و فایبرهای شیشه ای روی منطقه اتصال هدایت شده و تمرکز حرارتی بالای آن از ایجاد منطقه متاثر از حرارت وسیع و اعوجاج زیاد جلوگیری می کند.

فرایند جوشکاری لیزر

جوشکاری با لیزر سرعتی معادل دو برابر جوشکاری پلاسما و هشت برابر جوشکاری آرگون دارد. دقت ابعادی بالا و راندمان بالای تولید، این فرایند را به یکی از پرکاربردترین فرایند های جوشکاری بدل کرده است. جوشکاری با لیزر فرایندی تمیز و با تولید سر و صدای بسیار پایین است. خدمات جوشکاری لیزر اغلب برای آلیاژهایی استفاده می شود که توان تحمل حرارت ورودی پایین، مانند برخی فولادهای زنگ نزن، یا سختی پذیری بالایی دارند یا از ورق هایی با ضخامت کم تشکیل شده اند. خدمات جوشکاری لیزر برای کاربردهایی با پیچیدگی زیاد و دقت بالا مثل صنایع هوافضا و الکترونیک بسیار مناسب است.

شماتیک جوشکاری لیزر

به دلیل کوچک بودن قطر اشعه لیزر، طرز صحیح قرار گرفتن دو قطعه در حال اتصال به یکدیگر در جوشکاری با لیزر از اهمیت بالایی برخوردار است. هزینه جوشکاری لیزر، به عنوان بزرگترین مانع به کار رفتن این سیستم در مصارف کوچک و کارگاهی، در حدود ده برابر بیشتر از روش های معمول جوشکاری است. با این وجود، جوشکاری با لیزر بازدهی بسیار بیشتری نسبت به روش های سنتی جوشکاری دارد. بین روش های متنوع جوشکاری ، جوشکاری الکترون بیم به دلیل نیاز به خلا بالا هزینه بیشتری نسبت به جوشکاری لیزر دارد.

انواع سیستم های اشعه لیزر

سیستم های اشعه لیزر در دستگاه جوشکاری لیزری شامل لیزرهای حالت جامد، لیزرهای دیود مستقیم، لیزرهای فایبری و گازی می شوند. لیزرهای Nd:YAG و لیزرهای دی اکسید کربن پرکاربردترین لیزرهای به کار رفته در دستگاه جوشکاری لیزری در صنعت هستند.

جوشکاری با لیزر های CO2

بین انواع دستگاه جوشکاری لیزری، دستگاه جوشکاری لیزری دی اکسید کربن به دلیل هزینه کم کاربرد بسیاری دارند. لیزرهای دی اکسید کربن به وسیله ایجاد الکتریسیته، درون لوله ای به وجود می آیند که به وسیله ترکیبی از انواع گازها (شامل دی اکسید کربن) پر شده است. طول موج حاصل از این فرایند حدود 10.6 میکرون می باشد. اعمال تخلیه الکتریکی درون لوله موجب ایجاد لیزر و در نتیجه انرژی گرمایی می شود. لیزرهای گازی، توان خروجی بالایی دارند و برای کاربردهای جوشکاری و برشکاری مناسب هستند. به منظور جلوگیری از آسیب رسیدن به لنز ها و همچنین جلوگیری از ایجاد پلاسما روی سطح اتصال، از گازهای محافظ استفاده می شود. گازهای پلاسمای یاد شده، ترکیب های پلاسما با آٰرگون هستند.

جوشکاری لیزر

از بین انواع دستگاه جوشکاری لیزری، این لیزرها در مقایسه با لیزرهای حالت جامد توان خروجی بیشتری دارند و در نتیجه سرعت اتصال بیشتری نیز دارند. در ضمن این لیزرها توان نفودی معادل چهار برابر لیزرهای حالت جامد دارند. طول موج زیاد این لیزرها این فرایند را برای جوش لیزری فلزاتی که قابلیت انعکاس نور زیادی دارند، مثل آلومینیوم و منیزیم نامناسب می سازد. به طور کلی هزینه جوشکاری لیزر دی اکسید کربن کمتر از جوشکاری با لیزر حالت جامد است. برای جلوگیری از آسیب به چشم در جوشکاری با لیزر در اکسید کربن زدن عینک ساده نیز کفایت می کند و نیازی به تجهیزات خاص نیست.

جوشکاری با لیزر های حالت جامد

دستگاه جوشکاری لیزری با لیزرهای حالت جامد دومین نوع لیزرهای پرکاربرد در صنعت هستند. در این لیزرها از ناخالصی های موجود در شبکه کریستال به عنوان مدیوم فعال برای ایجاد اشعه استفاده می کنند. پرکاربرد ترین نوع این لیزرها ، لیزرهای Nd:YAG بوده که در آن یون های نئودیمیم به عنوان ناخالصی به شبکه شیشه یا بلور YAG اضافه می شود. ماده سازنده لیزر به شکل سیلندرهای کوچکی با 150 میلیمتر طول و 9 میلیمتر قطر است. این بلور به وسیله لامپ کریپتون یا زنون تهییج می شود. طول موج خروجی این لیزرها حدود 1.06 میکرون و بسیار کوتاه تر از طول موج لیزرهای CO2 است. یک تفاوت بسیار مهم این دو لیزر این است که طول موج کوتاه تر لیزرهای حالت جامد این قابلیت را به آن ها می دهد که بوسیله اپتیک ها و لنزهای فایبری و معمولی منتقل و متمرکز شوند.

جوشکاری لیزری

مشکلات ناشی از حضور پلاسما در لیزرهای حالت جامد به طرز قابل توجهی از دستگاه جوش لیزری فلزات بر پایه گاز کمتر است و به این معنی است که می توان از آرگون یا مخلوط آرگون/ دی اکسید کربن استفاده کرد. حتی بدون گاز محافظ نیز می توان اتصالات نقطه ای یا جوشکاری در توان پایین را به وسیله لیزرهای حالت جامد انجام داد.

جوشکاری با لیزر

از این نوع لیزرها می توان در اتصال موادی مثل تانتالیوم، تیتانیوم، زیرکونیوم و اینکونل استفاده کرد. یک ضعف بزرگ این لیزرها این است که به دلیل محدودیت توان خروجی، ضخامت اتصال کمی دارند. نور ناشی از این لیزرها در محدوده ای است که می تواند به سادگی به قرنیه و مردمک چشم آسیب برساند و در نتیجه هنگام کار با این لیزرها استفاده از عینک های محافظ اهمیت بالایی دارد.

جوشکاری با لیزر های دیودی

لیزرهای دیودی به وسیله تجمعی از دیودها ایجاد می شوند و قدرتی معادل 3 کیلووات و طول موجی در حد 900 نانومتر ایجاد می کنند. این لیزرها با اجزای کمتری کار می کنند و دستگاه های سبک تری دارند. با این وجود، چگالی انرژی پایینی که دارند برای ایجاد ساختار های سوراخ کلیدی نامناسب بوده و بیشتر مناسب کاربردهای جوشکاری با لیزر پرسرعت با تکنیک انتقال حرارت، لحیم کاری و پوشش دهی هستند.

جوشکاری با لیزر های فایبری

دستگاه جوشکاری لیزری بر پایه فیبر مدرن ترین نوع این دستگاه ها هستند که کاربردهای بسیاری، نه تنها در جوشکاری ، بلکه در پرینت سه بعدی فلزات نیز دارند. لیزرهای فایبری به وسیله فایبرهای شیشه ای ایجاد می شوند که در آن اتمهای ایتریوم وارد شده است. منبع انرژی این لیزرها می تواند لیزرهای دیودی باشد که به وسیله فایبرهای شیشه ای به فایبر شامل افزودنی، تابانده می شود. این لیزر طول موجی در حد 1.07 میکرون دارد.

جوشکاری با لیزر ترکیبی

انواع ترکیبی دستگاه جوشکاری لیزری که جوشکاری لیزر و جوشکاری قوسی را ادغام می کنند به منظور افزایش بازدهی و توان تولید توسعه داده شده اند. ترکیب جوشکاری با لیزر و جوشکاری MIG معمول ترین نوع این جوشکاری ها است.  در این فرایند، اشعه لیزر خیس کنندگی فلز مذاب را در حوضچه جوش افزایش می دهد. این پدیده موجب افزایش سرعت جوشکاری نسبت به فرایندهای MIG معمول می شود.

شماتیک دستگاه جوشکاری لیزر

یک نکته مثبت دیگر این فرایندها این است که پایداری حوضچه جوش بالایی دارند. در ترکیب جوشکاری با لیزر با فرایند قوسی، سیم منبع فلز مذابی است که منطقه اتصال را پر می کند و باعث می شود که اتصال نسبت به جوشکاری با لیزر نیاز به دقت کمتری  در طراحی محل اتصال داشته باشد. در ضمن ترکیب این دو فرایند عمق نفوذ را نیز بهبود می بخشد و حرارت ورودی کمتر  تنش پسماند و اعوجاج ناشی از اتصال را نیز کاهش می دهد.

تکنیک های مختلف جوشکاری لیزر

سه تکنیک پر استفاده در جوشکاری لیزر شامل روش انتقال حرارت، روش سوراخ کلیدی و روش عمق نفوذ کم می شود.

تکنیک جوشکاری لیزری انتقال حرارت

این روش جوشکاری لیزر در شرایطی انجام می شود که چگالی انرژی فرایند جوشکاری به اندازه ای نیست که ساختار سوراخ کلیدی ایجاد شود. ساختار جوش ناشی از این فرایند مشابه فرایندهای قوسی معمول است.

تکنیک جوشکاری لیزری سوراخ کلیدی

تکنیک سوراخ کلیدی یا نفوذ عمیق وقتی به وجود می آید که منبع گرمای متمرکز به طور کامل درون قطعه نفوذ کند و ساختاری شبیه سوراخ کلید ایجاد کند. هنگامی که چگالی توان اشعه لیزر در حد یک مگاوات در سانتی متر مربع باشد این حالت ایجاد می شود. در این حالت انرژی اشعه لیزر به قدری بالا بوده که برخورد آن با سطح فلز موجب بخار شدن سریع فلز می شود.

تکنیک های مختلف جوشکاری لیزر

این تکنیک مختص جوشکاری لیزر و جوشکاری الکترون بیم است. در این حالت ستونی از بخار ایجاد می شود که با مذاب احاطه شده است. این ستون شکل سوراخ کلید داشته و در نتیجه به آن تکنیک سوراخ کلیدی می گویند. بعد از انجماد، این تکنیک جوش با نسبت عمق به پهنای ده به یک ایجاد می کند.

تکنیک جوشکاری لیزری عمق نفوذ کم

هنگامی که چگالی توان اشعه لیزر کمتر از یک هزار وات باشد، جوشی ایجاد می شود که عمق بسیار کم و پهنای بسیاری دارد. در این حالت تاثیر انتقال حرارت درون فلز موجب آن می شود که انرژی لیزر نتواند جوشی عمیق ایجاد کند. این تکنیک در جوشکاری با لیزر سر به سر ورق های نازک یا به منظور مهر و موم کردن اتصالات سطح انجام می شود.

تکنیک جوشکاری لیزری جوشکاری پالسی

جوشکاری لیزر پالسی انتخابی بسیار مناسبت برای انجام جوشکاری مقاطع نازک است. این روش نسبت به جوشکاری لیزر معمولی، منطقه متاثر از حرارت کمتری ایجاد می کند، حرارت ورودی کمتری دارد و جوشکاری های بسیار ظریف را ممکن می سازد. با این وجود جوشکاری با لیزر پالسی سرعت سرمایش بالایی دارد که برای برخی از آلیاژها مشکل زا است و جوشکاری فلزات منعکس کننده نور با این روش ممکن نیست. سرعت سرمایش بالا می تواند باعث ایجاد فازهای ترد یا ایجاد ترک گرم شود.

جوش لیزری فلزات

همانطور که گفته شد، بیشترین کاربرد جوشکاری لیزر در صنایع خودروسازی است. جوش لیزری فلزات متنوعی مانند فولادها، آلیاژهای آلومینیوم و حتی سوپرآلیاژها در این صنایع به کار می رود. جوش لیزری فلزاتی مانند آلیاژهای تیتانیوم هم در صنایع شیمیایی و هوافضا کاربرد دارد. روی جوش لیزری فلزات دیگر هم مانند آلیاژها و فلزات دیرگداز بررسی های زیادی شده است که به مرحله صنعتی نرسیده اند.

جوش لیزر آلومینیوم

جوش لیزر آلومینیوم به دلیل کاربردهای احتمالی در صنعت اتومبیل در سالهای گذشته اهمیت بسیاری پیدا کرده است. بزرگترین مشکلاتی که جوش لیزر آلومینیوم را تهدید می کند شامل انعکاس بالای سطح آلومینیوم و احتمال بخار شدن عناصر آلیاژی آلومینیوم، همانند منیزیوم می شود. انعکاس بالای سطح آلومینیوم را می توان از طریق پوشش دهی و کنترل پارامترهای جوش لیزر آلومینیوم ، به منظور افزایش چگالی انرژی، کنترل کرد. مشکل بخار شدن عناصر آلیاژی را می توان به وسیله استفاده از سیم جوش کنترل کرد. مشکل انعکاس سطح در جوشکاری مس و نقره نیز باعث ایجاد دشواری در جوشکاری لیزر می شود. هر چند جوش لیزر آلومینیوم سخت بوده، اما ایجاد جوش هایی با استحکام کششی معادل فلز پایه موفقیت آمیز بوده اند.

جوش لیزر استیل

حجم زیادی از تحقیقات و مصارف صنعتی جوشکاری لیزر در زمینه فلزات آهنی بوده است. جوش لیزر استیل هایی از جمله فولاد زنگ نزن به دلیل اهمیت آن ها در صنایع شیمیایی و نیروگاه ها، موضوع تحقیقات بسیاری بوده است. جوش لیزر استیل های کم کربن تا کربن 0.25 درصد سهولت بسیار بالایی دارد. اما جوش لیزر استیل با کربن بیشتر پتانسیل ایجاد مارتنزیت و در نتیجه تردی بالا و ایجاد ریزترک را دارند. جوش لیزر استیل پالسی می تواند جلوی ایجاد این ترک ها را بگیرد. جوش لیزر استیل های کشته و نیم کشته معمولا کیفیت بهتری دارد، چون به دلیل سرعت سرمایش بالا احتمال ماندن گاز درون مذاب وجود دارد. به منظور عدم ایجاد حفره گازی در مذاب فولادهای ناآرام ، می توان به آن ها درصدی آلومینیوم اضافه کرد.

جوشکاری با لیزر

فولادهای زنگ نزن به دلیل رسانایی حرارتی پایین تر، جوش عمیق تر و نازک تری نسبت به فولادهای کربنی دارند. جوش لیزر استیل های زنگ نزن سری های 3XX معمولا آسان تر هستند. ولی جوشکاری لیزر استیل های سری 4XX به دلیل احتمال تردی بعد از جوش نیاز به عملیات حرارتی دارد.

خدمات جوشکاری لیزر

خدمات جوشکاری لیزر در ایران، با وجود پرهزینه بودن و تکنولوژی نسبتا مدرن این فرایند توسط بسیاری از ارائه کننده ها ارائه می شود. خدمات جوشکاری لیزر شامل خدمات جوشکاری لیزر برای ورق های فلزی و آلومینیومی و خدمات جوشکاری لیزر برای فلزات ناهمجنس می شود. ارائه دهنده های زیادی نیز خدمات جوشکاری لیزر را برای ساخت Tailor-welded blank ها انجام می دهند.

هزینه جوشکاری لیزر

هزینه جوشکاری لیزر بسیار بالا است و به همین دلیل این روش کاربردهای بسیار کمی دارند. با این وجود بایستی توجه کرد که این موارد خاص بدون استفاده از لیزر قابل جوشکاری نیستند. هزینه های جاری مختص این روش شامل تعویض اپتیک ها، لامپهای تهییج کننده لیزر و منابع لیزر می شود که بسیار هزینه بر هستند. با این وجود در کاربردهای خاص جوشکاری لیزر، می توان گفت که تنها رقیب این فرایند جوشکاری الکترون بیم است، که هزینه بسیار بیشتری دارد.