جوشکاری لیزری چیست؟
جوشکاری لیزری یک روش جوشکاری دقیق و شگفت آور ملایم است که از پرتو نور برای اتصال قطعات فلزی استفاده می کند. پرتو لیزر توسط یک منبع لیزر مستقل ایجاد می‌شود و به یک «مشعل» کولیماتور هدایت می‌شود، که می‌تواند روی دستگاه نصب شود یا به صورت دستی روی قطعه کار استفاده شود. پرتو انرژی متمرکز، قطعات کار (و در صورت نیاز میله پرکننده) را گرم و ذوب می کند، و حوضچه مذاب حاصل، قطعات را ترکیب می کند و یک جوش خوب یکپارچه ایجاد می کند.
یکی از مزایای قابل توجه جوشکاری لیزری دقت بالا و کنترل دقیق انرژی اعمال شده است. انرژی را می توان با دقت به محل خاصی که جوشکاری مورد نیاز است هدایت کرد و جوشکاری بیش از حد یا پراکندگی را به حداقل رساند. این روش امکان ذوب بسیار دقیق را در ناحیه تحت تأثیر با حرارت بسیار کوچکتر در مقایسه با سایر تکنیک های جوشکاری فراهم می کند. این امر آسیب به مناطق اطراف را کاهش می دهد، گرمایش عمده را به حداقل می رساند و تغییر شکل های نا خواسته را کاهش می دهد.
جوشکاری لیزری کاربردهای رایجی در صنایع خودروسازی، هوافضا و پزشکی و همچنین در تولید لوازم الکترونیکی دارد. این به ویژه برای جوشکاری موادی مانند آلومینیوم مفید است، که می تواند با استفاده از روش های سنتی جوشکاری چالش برانگیز باشد.
جوشکاری لیزری از چه زمانی آغاز شد؟
جوشکاری لیزر در دهه ۱۹۶۰ تقریباً همزمان با توسعه لیزرها شروع شد. محققان آزمایشگاه تلفن بل در ایالات متحده اولین آزمایش‌ها را با استفاده از لیزر یاقوتی برای ایجاد جوش‌هایی با پالس‌های کوتاه انرژی با شدت بالا انجام دادند. این منجر به جوش های باریک و دقیق شد که توانایی اتصال مواد غیر مشابه را داشت.
مزیت ها و معایب جوشکاری لیزری چیست؟
مزایای جوشکاری لیزری
۱. حداقل تاثیر حرارتی بر روی سطوح اطراف:
جوشکاری، چه سنتی و چه مبتنی بر لیزر، شامل انتقال حرارت در محل اتصال دو سطح است. فلزات ذوب شده با هم ترکیب می شوند و پس از سرد شدن، یک پیوند قوی ایجاد می کنند و به طور موثر این دو جزء را به هم متصل می کنند. مشکل روشهای سنتی این است که گرما را نه تنها در درز جوش اعمال می‌کنند، بلکه بر مواد اطراف نیز تأثیر می‌گذارند که منجر به خمش، تنش و سایر اثرات منفی می‌شود.
از سوی دیگر، لیزرها دارای چگالی توان بالایی هستند و به آنها اجازه می‌دهد تا گرما را دقیقاً در درز قرار دهند و مواد اطراف را در شرایط بهتری قرار دهند.
۲. کاهش هزینه های پردازش پس از جوش:
جوش های لیزری فوق العاده تمیز هستند و اغلب نیازی به سنگ زنی اضافی ندارند. این به طور قابل توجهی هزینه های پس از پردازش را کاهش می دهد. از نظر زیبایی‌شناختی نیز به ظاهر با کیفیت‌تر کمک می‌کنند و یک تصور مثبت را برای کاربران نهایی ایجاد می‌کنند.
۳. افزایش سرعت جوش:
لیزرها می توانند بسیار سریعتر و گاهی تا ۵ تا ۱۰ برابر سریعتر از روشهای سنتی جوشکاری کنند. حتی بدون در نظر گرفتن کاهش زمان پردازش، سرعت جوش بیشتر به زمان چرخش سریعتر و افزایش بهره وری منجر می شود.
۴. تطبیق پذیری:
جوشکاری لیزری بسیار متنوع است و قادر به جوشکاری مواد مختلف از جمله صفحات فولادی ضخیم، فلزات گرانبها، فلزات غیرمشابه مانند آلومینیوم و فولاد و حتی آزمایش سرامیک‌هایی است که جوشکاری آنها سخت است.
معایب جوش لیزری
۱. هزینه اولیه بالا:
علیرغم مزایای متعدد، نصب لیزر با هزینه اولیه قابل توجهی همراه است که اغلب دو یا سه برابر هزینه سیستم های سنتی است. با این حال، با حجم تولید بالا، هزینه هر واحد کاهش می‌یابد و سرمایه‌گذاری را در بلندمدت ارزشمند می‌کند.
۲. تحمل شکاف کم:
در حالی که دقت یکی از ویژگی‌های بارز جوشکاری لیزری است، اما یک نقطه ضعف دارد، کاهش تحمل شکاف. چیدمان دقیق قطعه کار بسیار مهم است، زیرا تناسب ضعیف می تواند بر کیفیت جوش تأثیر منفی بگذارد. این امر مستلزم آن است که فرآیندهای بالادستی و تامین کنندگان به طور مداوم سطوح تحمل سختی را رعایت کنند.
انواع جوشکاری لیزری چیست؟
جوشکاری هدایت حرارتی
در جوشکاری هدایت حرارتی، پرتو لیزر سطح ماده را بالاتر از نقطه ذوب آن گرم می کند. از این روش برای ساخت جوش هایی استفاده می شود که نیازی به اتصالات خیلی قوی ندارند. از یک لیزر کم مصرف، معمولاً زیر ۵۰۰ وات استفاده می کند. جوشکاری با هدایت حرارتی باعث ایجاد جوش های صاف و از نظر بصری مناسب می شود.
جوشکاری Keyhole
در جوشکاری سوراخ کلید، پرتو لیزر سطح ماده را تا زمانی که بخار شود گرم می کند و عمیقاً به داخل ماده نفوذ می کند. این یک سوراخ کلید با شرایط پلاسما مانند ایجاد می کند که در آن دما به بالای ۱۰۰۰۰ کلوین می رسد. جوشکاری سوراخ کلید با استفاده از لیزر پرقدرت، عموماً بالای ۱۰۵W/mm2 انجام می شود.
ساز و کار فناوری جوشکاری لیزری چگونه است؟
در جوشکاری لیزری، یک پرتو متمرکز از نور شدید به فضای بین موادی که باید به هم متصل شوند هدایت می شود. پرتو لیزر قوی، مواد را در امتداد درزهای آنها ذوب می کند و باعث می شود که آنها ذوب شده و اتصال ایجاد کنند. به دلیل گرمای شدید تولید شده توسط پرتو متمرکز، جوش لیزری قادر به انجام عملیات با سرعت بالا در هنگام کار با مواد نازک است. در مورد مواد ضخیم تر، جوش لیزری می تواند جوش های عمیق و باریک ایجاد کند.
جوشکاری لیزری چگونه کار می کند؟
جوشکاری لیزری از یک پرتو نور با شدت بالا متمرکز برای ذوب قطعات فلزی و گاهی اوقات با مواد اضافی میله پرکننده استفاده می‌کند. این فرآیند شامل تولید نور لیزر و رساندن آن به سر کولیماتور/اپتیک است. سپس بر روی محل اتصال قطعات فلزی متمرکز می شود و باعث ایجاد گرمای بسیار موضعی و حوضچه مذاب محدود می شود.
آیا جوشکاری لیزری امن تر از روش MIG/TIG است؟
خطرات نوری:
هر دو روش جوشکاری لیزری و قوس الکتریکی شامل خطرات خاصی در ارتباط با نور هستند. جوشکارهای قوس الکتریکی مانند MIG و TIG خطرات قابل توجهی برای کاربران و اطرافیان ایجاد می کنند. در مقایسه، لیزرهای فیبری اشعه ماوراء بنفش (UV) کمتری ساطع می کنند (UV می تواند باعث آسیب سلولی و ژنی شود). با این حال، لیزرهای فیبر انرژی نوری نزدیک به مادون قرمز (گرمای نامرئی) بیشتری نسبت به جوشکاری قوس الکتریکی تولید می کنند. هر دو فرآیند به فیلترهای عدسی سایه دار برای کاهش روشنایی نیاز دارند و لیزرها به سطح سایه کمتری (حدود سایه ۵ یا ۶) در مقایسه با جوشکارهای قوس الکتریکی (سایه ۱۲) نیاز دارند.
خطرات آتش سوزی و سوختگی:
هنگامی که صحبت از پاشش و خطرات فلز مذاب داغ می شود، جوشکاری لیزر برتری دارد. لیزر کمترین جرقه را با انرژی کم ایجاد می کند و خطر سوختگی را کاهش می دهد. در مقابل، MIG یا جوشکاری چوبی اغلب منجر به سوختگی یا پاشش می شود که باعث آسیب می شود. جوشکاری لیزری جرقه های کمتر و گرمای حجیم کمتری تولید می کند و در نتیجه سطوح سردتر می شود و خطر آتش سوزی و سوختگی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
دودهای خطرناک:
جوشکاری لیزری از نظر دود تولید شده جوش در مقایسه با MIG یا TIG ایمن تر هستند. فرآیندهای اخیر ذرات مضر موجود در هوا، به ویژه ذرات کروم و نیکل را از اکسیداسیون تولید می کنند که در هنگام استنشاق مضر هستند. جوشکاری لیزری با حرارت ورودی کمتر، بخارهای خطرناک کمتری تولید می کند و جوش های لیزری اغلب بدون لکه یا مناطق بسیار کوچک متاثر از حرارت را نشان می دهند.
مصرف شیمیایی:
جوش های لیزری روی فولاد ضد زنگ، به دلیل گرمای ورودی کمتر، اغلب به حداقل تمیز کردن نیاز دارند. رنگ زرد یا کاهی روی فولاد ضد زنگ غیر خورنده در نظر گرفته می شود و نیازی به تمیز کردن ندارد. در مقابل، جوش های MIG و TIG معمولاً نیاز به اسید شویی (با استفاده از اسید هیدروفلوئوریک خطرناک) یا برس زدن TIG با اسید ملایم تر دارند. جوشکاری لیزری ایمن‌تر است، زیرا نیاز به فرآیندهای شیمیایی را که خطر آسیب‌های شخصی و تولید گرد و غبار را در بر دارند، کاهش می‌دهد.
استرس و بیماری عروق کرونر:
جوشکاری لیزری به چند دلیل می تواند به کاهش استرس در صنعت تولید کمک کند:
- جوشکاری لیزری را می توان توسط کارگران کمتر ماهر انجام داد و در حقوق و دستمزد، آموزش، استخدام و رسیدگی به چالش های نیروی کار صرفه جویی کرد.
- جوشکاری لیزری سریعتر است و نیاز به کار مجدد و تکمیل کمتری دارد که به معنای صرفه جویی در هزینه و افزایش توان عملیاتی است.
- جوشکارهای لیزری از الکتریسیته و گاز کمتری استفاده می کنند، در درجه اول به دلیل سرعت آنها، و در نتیجه هزینه های سربار برای هر کار کاهش می یابد.
جوشکاری لیزری چقدر اهمیت دارد؟
جوشکاری لیزری به دلیل مزایایی که نسبت به تکنیک‌های جوشکاری سنتی دارد، در ساخت و مهندسی با تکنولوژی بالا اهمیت فزاینده‌ای دارد. این می تواند جوش های تمیز و قوی را به سرعت و دقیق ایجاد کند.
هدف از جوشکاری لیزری چیست؟
جوش لیزری برای جوش دادن قطعات به یکدیگر با تشکیل یک حوضچه فلزی مایع در نقطه اتصال استفاده می شود. این تکنیک برای اتصال فلزات غیرمشابه و فلزاتی که معمولاً به سختی جوش می‌شوند، از جمله غیرفلزهای خاصی مانند سرامیک‌ها مؤثر است.
جوشکاری لیزری برای چه کاربرد هایی مفید است؟
جوشکاری لیزری برای انجام جوش های دقیق، تکرارپذیر و با کیفیت بالا در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، پزشکی و الکترونیک مفید است.
روند جوشکاری لیزری چیست؟
۱. تمیزکاری قطعات و تنظیم موقعیت:
- قطعاتی که نیاز به جوش دارند را تمیز کنید.
- آنها را با دقت قرار دهید و از یک خط تماس بسته و بدون شکاف برای بهبود کیفیت جوش اطمینان حاصل کنید.
۲.قطعات ایمن با گیره یا فیکسچر:
- از گیره های دستی یا فیکسچرهای خودکار برای ثابت نگه داشتن قطعات در طول فرآیند جوشکاری استفاده کنید.
- از ثبات قطعه کار برای جلوگیری از هر گونه حرکت اطمینان حاصل کنید.
۳. تنظیم نقطه کانونی پرتو:
- با تنظیم چرخ دنده نوری در مشعل جوش، پرتو را بر روی ناحیه جوش متمرکز کنید.
- فوکوس را برای جوشکاری دقیق بهینه کنید.
۴. تنظیم قدرت پرتو و تست:
- تنظیمات قدرت پرتو را تنظیم کنید و آن را روی مواد ضایعاتی یا قطعات آزمایشی آزمایش کنید.
- اطمینان حاصل کنید که انرژی خروجی برای ذوب مواد بدون گرم کردن بیش از حد قطعات کافی است.
۵. اعمال تیر در شروع ناحیه جوش:
- فرآیند جوشکاری را با اعمال تیر در نقطه شروع آغاز کنید.
- تیر را در امتداد جوش به طور پیوسته طی کنید.
۶. اطمینان از استخر ذوب مناسب:
- نظارت و اطمینان از تشکیل حوضچه مذاب مناسب در حین جوشکاری.
- از تکنیک های سنتی مانند چرخش نقطه داغ برای بهبود همجوشی و کیفیت جوش استفاده کنید.
۷. خنک کردن قسمت جوش داده شده:
- پس از اتمام فرآیند جوشکاری، اجازه دهید قسمت جوش داده شده به طور طبیعی خنک شود.
- در صورت تمایل، قطعه را در آب سرد کنید یا در صورت نیاز از روش های خنک کننده دیگر استفاده کنید.
چه نوع موادی را می توان با استفاده از جوش لیزری جوش داد؟
۱. فلزات:
- به عنوان مثال می توان به آلومینیوم، مس، برنج، فولاد، تیتانیوم و نیکل اشاره کرد.
- جوشکاری لیزری می‌تواند قطعاتی با ضخامت‌های بسیار متفاوت را به هم متصل کند و کاربردهای آن را در مقایسه با روشهای سنتی جوشکاری حرارتی یا الکتریکی گسترش دهد.
۲. پلاستیک:
- لیزر در جوشکاری برخی از ترموپلاستیک ها مانند پلی کربنات، نایلون و ABS موثر است.
- این فرآیند به دلیل حرارت کم و ذوب بسیار موضعی منجر به جوش های با کیفیت می شود.
۳. سرامیک:
- برخی از سرامیک ها به ویژه آلومینا و زیرکونیا را می توان با لیزر جوش داد.
- جوشکاری لیزری روشی را برای ذوب سرامیک ارائه می دهد که دستیابی به آن از طریق وسایل حرارتی معمولی چالش برانگیزتر است.
۴. کامپوزیت ها:
- پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRPs) را می توان با موفقیت با لیزر جوش داد.
- تحقیقات در حال انجام موفقیت اولیه در جوشکاری لیزری قطعات فلزی به کامپوزیت های فیبر کربنی را نشان می دهد که تطبیق پذیری این تکنیک را نشان می دهد.
انتخاب ماده مناسب برای جوشکاری لیزری به ویژگی‌های فیزیکی آن بستگی دارد، مانند دمای ذوب، آلبیدو، هدایت حرارتی و اینکه چقدر آسان بدون ذغال شدن ذوب می‌شود. کار با مواد بسیار بازتابنده ممکن است به تخصص قابل توجه و تنظیمات دقیق فرکانس لیزر نیاز داشته باشد.
چند نوع لیزر وجود دارد؟
۱. لیزر گازی (CO2)
منبع لیزر CO2 ترکیبی از گازها است که CO2 به همراه نیتروژن و هلیوم قسمت اصلی آن است. این لیزرها می توانند به طور مداوم یا به صورت پالس در جریان کم و ولتاژ بالا برای تحریک مولکول های گاز کار کنند. لیزرهای دی اکسید کربن در شرایط خاص مانند جوش لیزری دو پرتویی نیز استفاده می شود که در آن دو پرتو یا در یک خط یا کنار هم قرار می گیرند.
۲. لیزر حالت جامد
لیزرهای حالت جامد از فناوری حالت جامد پمپ شده دیودی (DPSS) برای پمپاژ موادی مانند یاقوت، شیشه، ایتریم، آلومینیوم و گارنت (YAG) یا کریستال ایتریم وانادات (YVO4) با دیود لیزر برای تولید اشعه لیزر استفاده می کنند. این لیزرها در حالت موج پیوسته یا پرتو پالسی کار می کنند. حالت پالسی اتصالاتی شبیه به جوش نقطه ای اما با نفوذ کامل ایجاد می کند. در حالی که لیزرهای حالت جامد در مقایسه با لیزرهای فیبر مدرن دارای معایبی هستند، اما همچنان پایداری و کیفیت پرتو عالی را همراه با راندمان بالا حفظ می کنند.
لیزرهای مبتنی بر نیمه هادی نیز در دسته حالت جامد قرار می گیرند، اما به طور کلی یک کلاس جداگانه از لیزرهای حالت جامد در نظر گرفته می شوند. این لیزرها برای پروژه های ارزانتر و کوچکتر استفاده می شوند. آنها گاهی اوقات به دلیل تجهیزات فشرده خود در جوشکاری مناطق صعب العبور به کار می روند. با این حال، کیفیت پرتو آنها به طور قابل توجهی در مقایسه با سایر انواع لیزر پایین‌تر است، که باعث می‌شود در محیط‌های صنعتی کمتر رایج باشند.
۳. لیزر فیبر
لیزرهای فیبر نوع جدیدی از لیزرهای حالت جامد هستند که قدرت بیشتر، کیفیت بهتر و عملکرد ایمن تری را ارائه می دهند. در لیزرهای فیبر، پرتو لیزر زمانی ایجاد می شود که فیبر نور خام را از دیودهای لیزر پمپ جذب کند. برای دستیابی به این تحول، فیبر نوری با عنصر کمیاب خاکی دوپ شده است. از عناصر دوپینگ مختلف می توان برای ایجاد پرتوهای لیزر با طیف وسیعی از طول موج ها استفاده کرد که لیزرهای فیبر را برای کاربردهای مختلف از جمله جوشکاری و برش لیزری مناسب می کند. توجه به این نکته مهم است که سر برش لیزری استاندارد را نمی توان برای جوشکاری استفاده کرد و سر جوش لیزری نمی تواند سرعت برش و کیفیت مورد نیاز در اکثر کاربردهای صنعتی را برآورده کند.
بازار جهانی جوشکاری لیزری چقدر بزرگ است؟
بازار جوشکاری لیزری از نظر اندازه قابل توجه است. در سال ۲۰۲۱، اندازه بازار جهانی آن به ۱.۹۶ میلیارد دلار رسید. انتظار می رود بازار بیشتر گسترش یابد، با رشد پیش بینی شده از ۲.۰۳ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۲ به ۲.۷۹ میلیارد دلار تا سال ۲۰۲۹. این نشان دهنده نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) 4.7٪ در طول دوره پیش بینی است.
جوش قوس الکتریکی یا TIG Welding چیست؟
در جوشکاری قوس الکتریکی که به عنوان جوشکاری TIG نیز شناخته می شود، برای ساخت جوش از الکترود تنگستن غیر مصرفی استفاده می شود. فلز قطعه کار با الکترود گرم می شود تا ذوب شود و سپس فلز مذاب با استفاده از الکترود به محل اتصال اضافه می شود.
جوشکاری قوس الکتریکی همه کاره است و می توان آن را روی مواد مختلفی مانند چدن، فولاد ضد زنگ و آلومینیوم اعمال کرد. جوشکارانی که از جوش قوس الکتریکی استفاده می کنند اغلب جوش های بسیار قوی و باکیفیت ایجاد می کنند. این روش جوشکاری ایمن تر است زیرا هیچ دود یا بخاری تولید نمی کند.
با این حال، یادگیری جوش قوس الکتریکی در مقایسه با سایر روش های جوشکاری می تواند چالش برانگیزتر باشد. همچنین به تجهیزات تخصصی نیاز دارد که خرید یا اجاره آن ممکن است گران باشد. علاوه بر این، اگر اقدامات احتیاطی مناسب انجام نشود، به دلیل گرمای زیاد تولید شده توسط فرآیند، خطر سوختگی وجود دارد.
جوشکاری هیبریدی لیزری چیست؟
جوشکاری هیبریدی لیزری ایده های قوس الکتریکی و پرتو لیزر را با هم ترکیب می کند. هر دو با هم در یک ناحیه جوشکاری کار می کنند و از یکدیگر پشتیبانی می کنند تا یک فرآیند جوشکاری منحصر به فرد ایجاد کنند. در حالی که جوش لیزری را می توان تقریباً با هر روش جوشکاری قوس الکتریکی استفاده کرد، برخی از آنها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.
سه نوع اصلی جوش لیزری هیبریدی وجود دارد:
۱. جوشکاری تقویت شده MIG (که اغلب به آن جوشکاری هیبریدی لیزری گفته می شود)
۲. جوشکاری تقویت شده TIG
۳. جوشکاری با قوس پلاسما
فرآیند جوشکاری هیبریدی نفوذ عمیقی را از جوشکاری لیزری فراهم می کند و به پروفیل کلاهک جوشی مشابه روش های جوشکاری قوس الکتریکی دست می یابد. استفاده از گازهای محافظ محافظ و سایر مواد جوش قوس الکتریکی در مقایسه با جوش لیزری به تنهایی، کنترل بهتری بر ویژگی های جوش را امکان پذیر می کند. جوشکاری هیبریدی لیزری محبوبیت بیشتری پیدا می کند و در آینده به طور فزاینده ای در صنایع کشتی سازی، راه آهن، خودروسازی و پروژه های جوشکاری لوله در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
جوشکاری لیزری چقدر قدرت نیاز دارد؟
برای جوشکاری لیزری موج پیوسته (CW)، حدود صد وات توان لیزر برای ذوب تیتانیوم و ایجاد یک جوش مورد نیاز است. در جوشکاری لیزری پالسی، حتی اگر متوسط توان کم است، می‌توان قطعات فلزی را ذوب کرد، زیرا اوج قدرت بالای ۱ کیلو وات (۲.۰ J ÷ ۲.۰ ms = 1 kW) است.
برخی از چالش های مرتبط با جوشکاری مواد نازک با لیزر چیست؟
۱. انتخاب مواد
برخی از مواد، مانند فلزات بسیار بازتابنده، به دلیل انعکاس نور به سختی با لیزر جوش داده می شوند. پلاستیک ها و کامپوزیت ها با رسانایی حرارتی کم نیز چالش هایی را ایجاد می کنند.
۲. آماده سازی مفصلی:
جوشکاری لیزری موفقیت آمیز مستلزم آماده سازی مناسب مفصل است. سطوح مفصلی باید تمیز و تراز باشند. ناهماهنگی یا شکاف می تواند منجر به جوش ناقص یا ضعیف شود.
۳. کنترل فرآیند:
حفظ کنترل دقیق فرآیند در جوشکاری لیزری بسیار مهم است. کنترل توان، سرعت و فوکوس لیزر برای جوش های ثابت و با کیفیت بالا ضروری است.
۴. ایمنی:
جوشکاری لیزری در صورت عدم کنترل خطرات ایمنی را به همراه دارد. نور و گرمای شدید می تواند باعث آسیب به چشم و پوست شود. اقدامات ایمنی کافی، از جمله محافظت از چشم، ضروری است.
۵. هزینه:
هزینه تجهیزات اولیه برای جوشکاری لیزری می تواند زیاد باشد و دسترسی را برای مشاغل کوچکتر محدود کند. هزینه های نگهداری و تعمیر به هزینه کلی می افزاید.
انواع مختلف جوش لیزری چیست؟
۱. جوشکاری هدایتی:
از کمترین توان مصرفی استفاده می کند، ایده آل برای نصب دقیق لبه های مواد نازک. هیچ پرکننده ای استفاده نمی شود. ادغام از طریق عمل مویرگی رخ می دهد.
۲. جوشکاری با نفوذ عمیق:
مناسب برای مواد ضخیم تر قدرت لیزر بالا بخش عمیق و وسیعی از مواد را ایجاد می کند. یک سوراخ کلید تشکیل می شود و یک میله پرکننده مذاب سوراخ حاصل را برای جوشکاری تمام ضخامت می بندد.
۳. جوش نقطه ای لیزری:
بهترین گزینه برای قطعات کوچک و پیچیده جوش های کوچک و موضعی را برای اتصالات نقطه ای ایجاد می کند یا از طریق یک قسمت ذوب می شود تا با قسمت زیر ادغام شود.
۴. جوشکاری درز لیزری:
درزهای طولانی و پیوسته ایجاد می کند. اغلب از یک میله پرکننده برای ایجاد فیله در محل اتصال، مشابه روش های حرارتی سنتی استفاده می کند.
۵. جوشکاری لیزری هیبریدی:
لیزر را با سایر فرآیندهای جوشکاری مانند MIG و TIG ترکیب می کند. مزایای هر دو سیستم را با ادغام فرآیندهای مختلف ارائه می دهد.
چه نوع لیزرهایی در جوشکاری لیزری استفاده می شود؟
۱. لیزرهای CO2 (دی اکسید کربن)
لیزرهای دی اکسید کربن به دلیل توان خروجی قوی و اندازه نقطه متمرکز کوچک معمولاً در تجهیزات جوشکاری استفاده می شوند. آنها در محدوده گسیل مادون قرمز متوسط عمل می کنند و می توانند اکثر مواد را جوش دهند، اگرچه بازتاب توان اولیه می تواند باعث ذوب آهسته در فولاد ضد زنگ، تیتانیوم و برخی فلزات بازتابنده دیگر شود.
لیزرهای CO2 مولکول های دی اکسید کربن را تحریک کرده و آنها را وادار به انتشار تشعشع می کند. تابش ساطع می‌شود سپس می‌تواند از طریق یک مسیر بازتابنده یا لوله نور قبل از اینکه با هم هماهنگ یا متمرکز شود تا پرتو لیزر خروجی را تشکیل دهد، منتقل شود.
دستگاه های لیزر CO2 مقرون به صرفه هستند و در سطوح توان نسبتاً بالایی کار می کنند و سرعت جوشکاری سریع و بهره وری بالا را ممکن می سازند. آنها می توانند طیف گسترده ای از مواد را جوش دهند. قدرت بالا و فوکوس دقیق لیزرهای CO2 جوشکاری با نفوذ عمیق را تسهیل می کند. با این حال، آنها طول عمر عملیاتی نسبتاً کوتاهی دارند و برای عملکرد مؤثر به تخصص نیاز دارند. آنها با کمک گاز عملکرد بهتری دارند که به هزینه عملیاتی می افزاید.
۲. لیزر Nd:YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم)
لیزرهای حالت جامد Nd:YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم) اغلب برای جوشکاری استفاده می شود. این نوع لیزر نور مادون قرمز پرقدرت با طول موج ۱.۰۶۴ میکرومتر تولید می کند. این یک انتخاب مناسب است زیرا مواد فلزی این طول موج را بهتر از سایرین در طیف مادون قرمز جذب می کنند. تنظیمات Nd:YAG به ویژه در جوشکاری آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای تیتانیوم مفید هستند. این سیستم ها به دلیل ترکیبی از بازده انرژی بالا، قابلیت تمرکز خوب و حداقل نیازهای تعمیر و نگهداری، به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مانند خودروسازی و تولید هوافضا استفاده می شوند.
۳. لیزرهای فیبر
لیزرهای فیبر گزینه های عالی برای جوشکاری لیزری هستند که قدرت بالا، کیفیت پرتو برتر و راندمان برق را ارائه می دهند. انرژی لیزر از یک دیود لیزر منشا می گیرد و از طریق یک اتصال فیبر نوری به یک مشعل موازی کننده یا متمرکز که می تواند به راحتی به محل جوش هدایت شود، منتقل می شود.
این نوع جوشکار لیزری به خوبی با تجهیزات خودکار ادغام می شود، طول عمر دستگاه طولانی است و نیاز به تعمیر و نگهداری کم دارد.
۴. لیزرهای دیسکی
لیزرهای دیسکی اشکال جایگزین لیزرهای حالت جامد هستند که برای جوشکاری استفاده می شوند. در لیزر دیسکی، محیط لیزر یک دیسک نازک و خنک شده با مایع از مواد نیمه رسانای قابل تحریک توسط لیزر است که توسط چندین دیود لیزر پمپ می شود. پرتو خروجی می تواند در یک مسیر بازتابنده صلب یا از طریق یک لوله نور به کولیماتور یا مشعل فوکوس منتقل شود. آنها به دلیل ظرفیت بالا، کیفیت پرتو خوب، خنک کننده کارآمد، نیازهای تعمیر و نگهداری کم و طول عمر عملکردی طولانی ارزشمند هستند.
چگونه قدرت لیزر بر فرآیند جوشکاری تاثیر می گذارد؟
برای دستیابی به نتایج خوب، کنترل دقیق تنظیمات برق بسیار مهم است. جوش های بزرگتر و عمیق تر نیاز به قدرت بیشتری دارند. برخی از جوشکارهای لیزری مزیت قدرت بسیار کم و کاملاً کنترل شده را ارائه می‌کنند و امکان جوشکاری قطعات ظریف و کوچک را بدون ایجاد گسترش و اعوجاج منطقه متاثر از حرارت (HAZ) حتی در مواد بسیار نازک فراهم می‌کنند.
چگونه سرعت لیزر بر کیفیت جوشکاری لیزر تأثیر می گذارد؟
همراه با فوکوس و قدرت لیزر، سرعت حرکت لیزر کیفیت جوش را مشخص می کند. سرعت باید به اندازه کافی باشد تا مواد به درستی ذوب شود اما نه آنقدر که همجوشی از اتفاق نیفتد. سرعت تغذیه باید طوری تنظیم شود که جوش در کل درز پیشرفت کند. هنگامی که حوضچه مذاب به دست آمد، تغذیه باید شروع شود، در غیر این صورت منطقه شروع جوش یک HAZ بزرگتر ایجاد می کند. تنظیم تغذیه (و نوسان پرتو) تضمین می کند که لبه جلویی منطقه مذاب در امتداد درز حرکت می کند و لبه عقب به درستی خنک می شود تا اتصال ایجاد شود.
نرخ تغذیه بیش از حد بالا می تواند از ذوب مداوم جلوگیری کند و در نتیجه جوش ضعیف مستعد ایجاد شکاف باشد. برعکس، اگر سرعت تغذیه خیلی آهسته باشد، HAZ منبسط می شود و خطر رواناب از حوضچه مذاب یا ایجاد سوراخ در قطعات را به دنبال خواهد داشت.
عوامل کلیدی موثر بر کیفیت جوش لیزری چیست؟
۱. توان لیزر:
مقدار انرژی که لیزر به قطعه کار می رساند. قدرت لیزر بالاتر امکان جوشکاری سریعتر و نفوذ بیشتر را فراهم می کند، اما کنترل دقیق سطوح توان برای جوش های خوب بسیار مهم است.
۲. اندازه نقطه:
نقطه لیزر کوچکتر در محل جوش با پرتوی با کیفیت بالاتر، هماهنگی بهتر و اپتیک فوکوس بهبود یافته به دست می آید. این منجر به قدرت موثر بالاتر و پیشرفت مذاب/جوش کنترل شده تر می شود.
۳. سرعت تغذیه/پیمایش:
سرعت و الگوی حرکت لیزر در امتداد درز کیفیت جوش، اندازه HAZ و اعوجاج قطعه را مشخص می کند.
۴. گاز محافظ:
گازهای بی اثر از اکسیداسیون جوش جلوگیری می کنند. نوع و سرعت جریان گاز محافظ باید برای جوش و مواد مناسب باشد.
۵. ضخامت مواد:
با افزایش ضخامت قطعه، قدرت لیزر باید افزایش یابد و نرخ تغذیه معمولا کاهش می یابد. محدودیت هایی برای آنچه که یک جوشکار لیزری خاص می تواند ارائه دهد وجود دارد.
۶. طراحی اتصال:
طراحی اتصال به طور قابل توجهی بر کیفیت جوش تأثیر می گذارد. انطباق / تناسب نزدیک بین قطعات و موقعیت های جوش قابل دسترس برای کیفیت جوش مفید است.
کاربردهای جوش لیزری چیست؟
۱. خودرو:
برای اتصال یا ساخت پانل های بدنه، اجزای موتور، قطعات تعلیق، انژکتورهای سوخت و سنسورها استفاده می شود.
۲. هوافضا:
برای جوشکاری دقیق در موتورهای هواپیما، ارابه فرود و سایر اجزاء و همچنین در ساخت موشک و فضاپیما بسیار ارزشمند است.
۳. پزشکی:
برای جوش های دقیق در دستگاه های پزشکی مانند ضربان ساز، ایمپلنت های دندانی، ابزار جراحی، ایمپلنت های جراحی و پروتز ضروری است.
۴. الکترونیک:
برای تولید بردهای مدار، بسته‌های اجزای پیچیده، حسگرها، تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و موارد دیگر مهم است.
۵. جواهرات:
هر دو جوش لیزری دستی و خودکار در ایجاد طرح های پیچیده در جواهرات به کار می روند.
۶. ابزارها و قالب ها:
برای تعمیر ابزارها و قالب ها در فرآیندهای تولید استفاده می شود، با حداقل حرارت اضافی که نیاز به کار تکمیلی کمتری پس از تعمیر دارد.
آیا جوشکاری لیزر به خوبی TIG است؟
با توجه به مزایایی که نسبت به روشهای جوشکاری سنتی مانند جوشکاری TIG دارد، جوشکاری لیزری انتخابی ارجح برای بسیاری از کاربردهای تولیدی است. جوش های لیزری اغلب مناطق تحت تاثیر حرارت کوتاه تری دارند و در مقایسه با جوش های TIG دقیق تر هستند و در نتیجه اعوجاج و تاب برداشتن محصول نهایی کاهش می یابد.
جوشکاری لیزری به طور کلی سریعتر از جوشکاری TIG است که می تواند به سرعت بخشیدن به فرآیند تولید کمک کند.
یکی از مزایای قابل توجه جوشکاری لیزری دقت بالای آن است. پرتو لیزر می تواند دقیقاً روی نقطه مورد نظر متمرکز شود و احتمال آسیب به ناحیه اطراف را کاهش دهد. این امکان جوش دادن قطعات حساس را بدون نگرانی از آسیب ممکن می سازد.
علاوه بر این، جوشکاری لیزر را می توان با مواد مختلفی از جمله فلزات، پلیمرها و حتی شیشه استفاده کرد.
در مقابل، جوشکاری TIG معمولا به فلزات محدود می شود.
علاوه بر این، جوشکاری لیزری فرآیندی سریع است که منجر به زمان تولید کوتاه‌تر و هزینه‌های کلی کمتر می‌شود. همچنین نسبت به روش های قبلی تمیزتر است زیرا نیازی به مواد پرکننده یا گاز نیست.
مزایای جوش لیزری چیست؟
۱. دقت:
- جوشکاری لیزری یک تکنیک دقیق است که جوش های کوچک و پیچیده را با دقت بالا ایجاد می کند.
- انرژی پرتو را می توان دقیقاً کنترل کرد، منطقه تحت تأثیر حرارت را به حداقل رساند و اعوجاج و ضایعات مواد را کاهش داد.
۲. سرعت:
- این فرآیند به دلیل انرژی متمرکز سریع است و به سرعت یک استخر مذاب را گرم می کند.
- پخش حرارت محدود اجازه می دهد تا با استفاده از روش های جوشکاری استاندارد، لبه اصلی استخر به سرعت پیشرفت کند.
۳. تطبیق پذیری:
- جوشکاری لیزری می تواند طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات، پلاستیک ها و برخی از سرامیک ها را به هم متصل کند.
- می تواند مواد غیر مشابه را به یکدیگر جوش دهد، که این قابلیت به طور کلی با سایر تکنیک های جوشکاری غیرممکن است.
۴. کیفیت:
- نتایج در جوش های با کیفیت بالا با خواص مکانیکی ثابت.
- جوش های بدون میله پرکننده عموماً با خواص مواد متصل شده از نظر استحکام، دوام و مقاومت در برابر خوردگی مطابقت دارند.
- جوش ها معمولاً عاری از عیوب مانند تخلخل، آخال و شکستگی هستند.
۵. اتوماسیون:
- به راحتی خودکار، امکان تولید با حجم بالا و کیفیت ثابت را فراهم می کند.
- به ویژه در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا و الکترونیک که دقت و تکرارپذیری ضروری است.
محدودیت های جوشکاری لیزر چیست؟
۱. هزینه تجهیزات:
تجهیزات جوش لیزری در مقایسه با جوشکاری الکتریکی یا حرارتی سنتی گرانتر است.
۲. ایمنی:
لیزرها می توانند خطرناک باشند و نیاز به مدیریت دقیق و رعایت اقدامات ایمنی برای جلوگیری از سوختگی یا صدمات چشمی دارند.
۳.محدودیت های مواد:
در حالی که بر روی طیف گسترده ای از مواد موثر است، برخی از پلاستیک ها و سرامیک ها را نمی توان به دلایل حرارتی و شیمیایی جوش داد.
۴.هندسه جوش:
جوشکاری لیزری برای کاربردهای نازک، سبک و دقیق با قطعات بسیار نزدیک که به راحتی توسط قطعات نوری قابل دسترسی است، بهترین گزینه است. در حال حاضر کمتر با کار های سنگین مانند کشتی سازی سازگار است.
۵.آماده سازی مشترک:
این فرآیند نسبت به فرآیندهای سنتی نسبت به آلاینده‌ها، اکسیداسیون سطحی و شکاف‌های بین قطعات کمتر بخشوده است.
۶.آماده سازی لبه:
لبه های مواد باید به هم چسبیده و صاف باشند تا نتایج مطلوب حاصل شود.
۷. نگهداری:
برخی از انواع تجهیزات جوش لیزری نیاز به نگهداری و راه اندازی فشرده دارند که منجر به افزایش هزینه های عملیاتی می شود.
آیا هزینه جوش لیزری بیشتر از برش لیزری است؟
این به عوامل مختلفی مانند نوع ماده، ضخامت آن و سرعت تولید برای هر دو سیستم جوش لیزری و برش بستگی دارد. مقایسه های ساده ممکن است قابل اعتماد نباشند و هر موقعیتی نیاز به ارزیابی فردی دارد. خرید برش های لیزری کوچکتر به دلیل خروجی توان کمتر و سیستم های کنترل ساده تر، معمولاً نسبت به جوشکاری لیزری هزینه کمتری دارند. با این حال، برش های لیزری بزرگتر و قدرتمندتر می توانند هزینه خرید مشابه یا بالاتری نسبت به جوشکارهای لیزری با ظرفیت مشابه داشته باشند. تصمیم باید بر اساس الزامات خاص برنامه باشد.
آیا جوشکاری لیزری بدون گاز محافظ اضافی انجام می شود؟
بستگی به مواد دارد. سرامیک ها و پلاستیک ها معمولاً دارای حداقل اثرات اکسیداسیون اتمسفر هستند و ممکن است گاز محافظ لازم نباشد. با این حال، فلزات به گاز محافظ برای جلوگیری از اکسیداسیون و اطمینان از جوشکاری با کیفیت بالا نیاز دارند. برخی از مشخصات در مورد محافظ عبارتند از:
- نیتروژن برای آلومینیوم، فولاد کربنی و تیتانیوم مناسب نیست، زیرا می تواند آنها را شکننده کند.
- هلیم یک گاز محافظ جهانی عالی است اما ممکن است به دلیل هزینه برای بسیاری از کاربردها غیر عملی باشد.
- آرگون سازگاری خوبی دارد و در اکثر کار ها به خوبی کار می کند.
گازهای جوشکاری در جوشکاری لیزری بسیار مهم هستند. آنها فلز مذاب را از هوای اطراف محافظت می کنند و انتخاب صحیح گاز می تواند جوشکاری را تسریع کند یا خواص مکانیکی جوش را افزایش دهد. در جوشکاری لیزر CO2، انتخاب گاز فرآیند مناسب حیاتی است. با این حال، در جوشکاری لیزر فیبر و دیود، انتخاب گاز آنقدر مهم نیست.
چه اقدامات احتیاطی ایمنی در جوشکاری لیزری مهم است؟
اقدامات احتیاطی استاندارد جوشکاری، با ملاحظات اضافی برای محافظت از چشم اعمال می شود:
- محافظت از چشم: محافظت مناسب از چشم بسیار مهم است زیرا پرتوهای نور با شدت بالا می تواند به سرعت به شبکیه چشم انسان آسیب برساند.
- Hot Process PPE: جوشکاری لیزری مانند تمام فرآیندهای جوشکاری، مواد داغ تولید می کند که می تواند باعث سوختگی شود. وسایل حفاظتی مناسب لازم است.
- تهویه: استخراج و تهویه کافی به دلیل بخار تولید شده در حین جوشکاری لیزر ضروری است.
- آموزش: آموزش صحیح مهارت ها و دانش تجهیزات برای عملیات ایمن ضروری است.
- کنترل منطقه: اقدامات احتیاطی باید انجام شود تا هم اپراتورها و هم اطرافیان را از خطرات ناشی از نور لیزر و مواد داغ محافظت کند.
- حفاظت در برابر آتش: محل کار را عاری از مواد قابل احتراق نگه دارید، از PPE ضد حریق استفاده کنید و تجهیزات اطفاء حریق در دسترس و آزمایش شده داشته باشید.
اقدامات فنی لازم برای جلوگیری از خطرات جوشکاری لیزری چیست؟
محافظت از چشم با لیزر:
اطمینان حاصل کنید که هر کسی در منطقه تعیین شده از محافظ چشم لیزری با درجه بندی OD6 یا بالاتر، مناسب برای محدوده طول موج خاص (مثلاً ۱۰۵۰-۱۰۹۰ نانومتر) استفاده می کند.
اجتناب از مسیر خروج لیزر:
افراد را از مسیر خروجی لیزر دور نگه دارید، جایی که انرژی پرتو می تواند از سطوح خارج شود. مانند یک میدان تیر، بسیار مهم است که در مقابل جایی که لیزر هدایت می شود قرار نگیرید.
استفاده از صفحات مشکی مات:
برای جذب نور لیزر و جلوگیری از انعکاس از مواد سیاه مات برای محیط اطراف و پانل ها استفاده کنید. صفحات کورفلوت پلاستیکی سیاه مقرون به صرفه هستند اما باید در فاصله ایمن از لیزر نگهداری شوند تا از خطر آتش گرفتن جلوگیری شود.
علائم هشدار و آگاهی:
برای هشدار دادن افراد، از علائم پیروی از استانداردهای AS1319 استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که همه از خطرات احتمالی آگاه هستند.
نصب پنجره دارای رتبه لیزری:
پنجره های مشاهده با درجه لیزر OD6 را نصب کنید. برای افرادی که وارد ناحیه لیزر می شوند، عینک های دارای درجه بندی مناسب را روی درب ورودی همراه با علائم واضح قرار دهید.
روشنایی کار :
برای افزایش دید در حین جوشکاری از روشنایی کار استفاده کنید. این به کوچک نگه داشتن عنبیه کمک می کند، با تقلید از حالت طبیعی “تابش نور خورشید” چشم، که خطر آسیب را کاهش می دهد.
آیا جوشکاری لیزری در مقایسه با سایر انواع جوشکاری فرآیندی سریع است؟
بله، جوشکاری لیزری در مقایسه با سایر روشهای جوشکاری سریع است، مخصوصاً برای کارهای کوچک و پیچیده که در آنها برتری دارد. این مزیت سرعت تا حدی به دلیل کاهش پس پردازش و پاکسازی مورد نیاز برای جوش های لیزری است.
آیا جوشکاری لیزری فرآیندی مبتنی بر تماس است؟
خیر، جوشکاری لیزری یک فرآیند غیر تماسی است. پرتو لیزر باید یک فضای کوچک بین سر اپتیک و قطعه کار را طی کند و این شکاف یک ویژگی کنترل شده است.
تفاوت بین جوش لیزری و جوشکاری سنتی چیست؟
تفاوت های اصلی جوش لیزری با روش های جوشکاری سنتی مانند MIG، TIG و جوش قوس الکتریکی عبارتند از:
منبع حرارت:
روش های سنتی از قوس الکتریکی، قوس پلاسما یا شعله گاز استفاده می کنند، در حالی که در جوشکاری لیزری از پرتو نور منسجم استفاده می شود.
کیفیت جوش:
جوشکاری لیزری دقیق‌تر، قابل کنترل‌تر و تکرارپذیرتر است و هنگامی که به درستی انجام شود، جوش‌های تمیزتر و قوی‌تر را ارائه می‌دهد.
سرعت پردازش:
جوشکاری لیزری، زمانی که به درستی اعمال و راه اندازی شود، سریعتر از روش های سنتی برای جوش های قابل مقایسه است.
سازگاری مواد:
جوشکاری سنتی به فلزات محدود می شود، در حالی که جوشکاری لیزری می تواند روی پلاستیک، سرامیک و کامپوزیت ها نیز کار کند.
هزینه:
راه اندازی عملیات جوش لیزری نسبت به روش های سنتی قابل مقایسه گران تر است. هزینه های عملیاتی مشابه هستند و باعث می شود که جوشکاری لیزری برای کارهای خودکار یا کارهایی که به دقت بیشتر و حجم تولید بیشتری نیاز دارند مناسب باشد.
سلب مسئولیت
تمامی اطلاعات محتوای منتشر شده در سایوتک گرد آوری شده هستند و سایوتک هیچ مسئولیتی در مورد صحت این اطلاعات و عواقب و خطرات عمل به دستور العمل ها و داده های ارائه شده را نمی پذیرد.
منابع
