جوشکاری لیزری

تاریخچه
کشف لیزر به سالهای ۱۹۶۰ برمی‌گردد. اولین بار تولید لیزر از گاز CO۲ در سال ۱۹۶۱ با طول موج ۱۰/۶mm توسط جوان، بنت و هیرتJavan، Bennet، Hereto) صورت گرفت و در سال ۱۹۶۴ لیزر با طول موج ۱/۰۶mm از Nd:YAG ۶ تولید شد.
از سال ۱۹۶۲ به بعد گزارشهای متعددی در زمینه کاربردهای متالورژیکی لیزر که شامل جوشکاری نیز می‌باشد، موجود است. تا سال ۱۹۷۰ از لیزرهای با توان بالا و پیوسته در جوشکاری استفاده نشد و از لیزرهای پالسی استفاده شد. مشخصه اصلی در جوشکاری لیزری و اشعه الکترونی توسط Ready در سال ۱۹۷۱ وجود حالت جوشکاری نفوذی یا (سوراخ کلیدی) در تابش لیزر گزارش شده‌است.
در واقع ایجاد سوراخ کلید در فلزات، در شدتهای بالای لیزر (MW/cm۳) است و در نتیجه سوراخ کلید نیاز به یک زمان کافی برای ایجاد شدن دارد و نمی‌تواند به آسانی در جوشکاری لیزری پالسی Overlap ایجاد شود.
از سالهای ۷۲۱۹۷۱ به بعد استفاده از لیزرهای CO۲ پیوسته این مسیر را تغییر داد. جوشهایی با نفوذ کامل در مقیاسهای بزرگ فولاد زنگ نزن مانند جوشهای اشعه الکترون در حالت سوراخ کلیدی ایجاد شدند. این تحقیقات در کشورهای ژاپن، آلمان و انگلستان انجام شدند.
پیشرفتهای بعدی در جوشکاری لیزری CO۲ بر بهینه‌سازی بیشتر، منابع لیزر، افزایش کیفیت باریکه لیزر و فهم اندر کنش طراحی اتصال، سرعت جوشکاری، تمرکز اشعه و اثرات پلاسما در جوش‌پذیری متمرکز شد.
مطالعات در این زمینه تا توانهای KW۱۵۱۲ ادامه یافته‌است.
جوشکاری با Nd: YA۶ به علت کم بودن طول موج آن (۱/۰۶mm) و کاهش باز تابش از مواد فلزی استفاده بیشتری نسبت به CO۲ می‌تواند داشته باشد. در سالهای آینده استفاده از لیزرهای دیودی (Diode) پیشرفت‌های زیادی را در جوشکاری لیزری ایجاد خواهد کرد.
فرایند جوشکاری لیزر
جوشکاری لیزری تعادلی بین گرمایش و سرمایش در یک حجم مشخص از یک یا دو ماده جامد است که منجر به تشکیل ماده مذاب و انجماد آن می‌شود. مشخصه جوشکاری لیزری ایجاد ناحیه مذاب مایع بوسیله جذب شدت اشعه‌است که این اجازه رشد و گسترش حوضچه مذاب به درون ناحیه فصل مشترک جامد را داده و در نتیجه یک اتصال پیوسته میان اجزایی که متصل خواهند شد ایجاد می‌شود.
اتصالات ناموفق زمانی‌که ناحیه مذاب خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد یا اگر تبخیر ماده پیش از حد باشد، اتفاق می‌افتد.
کیفیت جوش متناسب با تبخیر عناصر آلیاژی، گرادیان حرارتی اعمالی که منجر به ترک انجماد می‌شود تحلیل می‌شود. عدم تعادل در حجم و مقیاس ناحیه جوش منجر به ایجاد تخلخل می‌شود.
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 معمولا بوسیله تجمع گازهای داغ در نقطه تمرکز لیزر مختل می‌شود. در شرایط خاص این گاز داغ به یک ابر پلاسما تبدیل می‌شود که شدیدا بر باریکه لیزر اثر گذاشته و آن را جذب و پخش می‌کند.
اولین مراحل تحقیق در جوشکاری لیزری، مشخص کردن پارامترهای موثر بر تعادل بین گرمایش و سرمایش و منطقه جوش و مذاب و جامد و تکرارپذیری جوش لیزری و توسعه روش‌های کنترل این پارامترها است.
انواع جوشکاری لیزری
۱ جوشکاری هدایتی
۲ جوشکاری نفوذی یا سوراخ کلیدی
تفاوت اساسی در این دو حالت آن است که در حالت اول سطح ناحیه جوش شکسته نمی‌شود و در حالت جوشکاری نفوذی سطح ناحیه جوش باز می‌شود تا باریکه لیزر به درون ناحیه مذاب نفوذ کند.
حالت جوشکاری هدایتی نگرانی کمتری بخاطر عدم نفوذ لیزر به درون ماده ایجاد می‌کند در نتیجه جوشکاری هدایتی کمتر مستعد جذب گاز در هنگام جوشکاری است. در جوشکاری نفوذی بسته شدن غیرپیوسته سوراخ کلید منجر به تشکیل تخلخل در جوش می‌شود. حالتهای هدایتی و نفوذی در جوشکاری نقطه‌ای به یکدیگر تبدیل می‌شوند که این به شدت قله توان لیزر و عرض پالس بستگی دارد.
سوراخ کلید توسط لیزر معمولا برای فولاد در چگالی توان تقریبی اتفاق می‌افتد. در چنین حالتی جوش کم عمق و پهن است. اما در چگالی توان‌های جوشهایی عمیق و نازک که زمان برهم کنش کمتری نیاز دارد بدست می‌آید که این اجازه جوشکاری با سرعت بیشتر را می‌دهد. از آنجا که جوشکاری لیزر یک روش با چگالی انرژی بالا است نیازبه هدایت گرما برای ایجاد نفوذ عمیق ندارد و این برخلاف روش‌های معمول و مرسوم جوشکاری قوس و گاز است که از طریق هدایت گرما به نفوذ دست می‌یابند.
در حالت جوشکاری هدایتی مدارهای همدما به صورت یکسان و با فاصله یکسان از منبع قرار دارند. عرض جوش در این حالت معمولا بزرگتر از عمق و انرژی ورودی بیشتر از مقدار لازم برای نفوذ است. در حالت سوراخ کلید یا نفوذی منبع حرارت لیزر از سطح به داخل ضخامت ماده منتقل می‌شود و جوش عمیق و نازک بوجود می‌آید. همچنین در این حالت مقدار گرمای ورودی به حداقل می‌رسد.
کاربردها
جوشکاری توسط پرتو لیزر در صنعت بشکل روزافزونی در حال گسترش است از میکرو الکترونیک تا کشتی‌سازی . تولید انبوه خودکار در این بین از بیشترین توسعه برخوردار گشته‌اند که این پیشرفت‌ها را می‌توان مرهون عوامل زیر دانست:
1-حرارت ورودی محدود
2-منطقه حرارت پذیرفته کوچک
3-میزان ناصافی اندک
4-سرعت بالای جوشکاری
این خصوصیات جوشکاری لیزری را گزینه منتخب بسیاری از قسمت‌های صنعتی کرده که از جوشکاری مقاومتی در گذشته‌استفاده می‌کردند.
فرایندهای ترکیبی که از ترکیب لیزر و قوس MIG استفاده می‌کنند برای قرار گرفتن بر سطحی که بایستی جوشکاری در آن انجام شود طراحی شده‌اند. علاوه بر این تجهیزات ویژه بکار گرفته شده بشکل قابل توجهی ابزارهای مورد نیاز برای آماده‌سازی لبه مورد نظر برای جوشکاری را کاهش می‌دهند. آلیاژهایی که برای سیمهای پرکننده در قسمت درزگیری بکار می‌روند باعث یکدست شدن فیزیکی آن ناحیه می‌شوند. علاوه بر این فرایندهای ترکیبی بکار گرفته شده قادر اند سرعت انجام کار را بشکل قابل توجهی افزایش دهند. همچنین در نفوذ عمقی و درزگیری کلی هم موثرند. پیشرفت‌های اخیر در زمینه دیودهای لیزری موقعیت جدیدی را برای حل مشکلات صنعت فراهم کرده‌است.
لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند(۲-۱۰kW) در حال حاضر در جوشکاری بدنه اتومبیلها، قسمت‌های حمل و نقل، مبادله‌کننده‌های حرارتی و پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سال‌ها لیزرهای یاقوتی کمتر از ۵۰۰W برای جوش بخش‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند. برای مثال قسمت‌های کوچک و ظریف ابزارهای پزشکی، بسته‌های الکترونیکی و حتی تیغ‌های اصلاح صورت. لیزرهای یاقوتی چند کیلوواتی از گذراندن پرتو از فیبرهای نوری استفاده می‌کردند. این کار بسادگی توسط روبوت‌ها انجام می‌شد و دامنه وسیعی از کاربردهای سه بعدی مثل برش لیزری و جوش بدنه اتومبیلها را ممکن می‌کرد.
پرتو لیزر در نقطه کوچکی متمرکز می‌شود و باشدتی که در آن نقطه ایجاد می‌کند باعث ذوب و حتی بخار کردن فلز می‌شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی‌اکسید کربنی قدرتمند، آینه‌های خنک شونده توسط آب به جای عدسی‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. جوشکاری بطور کلی به دو شکل انجام می‌شود. در شکل هدایتی جوشکاری، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می‌گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی نسبتا کم انرژی‌تر است که معمولا جوشکاری‌های کم عمق‌تر با آن‌ها انجام می‌شود. جوشکاری با لیزرهای پر انرژی معمولا در پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این قسمت است که ذوب و تبخیر فلز اتفاق می‌افتد.