فناوری لیزر

آیا با عیوب جوشکاری مانند پاشش بیش از حد، شکل‌گیری نامطلوب جوش و تعداد زیادی حفره پس از جوشکاری روبرو شده‌اید؟ در حالی که ممکن است دربارهٔ اینکه آیا این عیوب ناشی از تنظیمات نادرست پارامترهای فرآیند جوشکاری لیزری است، تردید داشته باشید، آیا از این موضوع آگاه هستید که استفاده صحیح از گاز محافظ نیز عاملی حیاتی در اثرگذاری بر شکل‌گیری و عملکرد جوش محسوب می‌شود؟ انتخاب بهترین گاز محافظ در واقع راهی برای بهبود کیفیت و کارایی جوشکاری است.

با توجه به اهمیت بالای گاز محافظ، دقیقاً عملکرد آن چیست؟ چگونه باید نوع مناسب گاز محافظ را انتخاب کرد؟ چگونه باید گاز محافظ را در حین جوشکاری به سمت ناحیه جوش تزریق کرد؟

نقش گاز محافظ

در جوشکاری لیزری، گاز محافظ بر شکل‌گیری جوش، کیفیت جوش، عمق نفوذ جوش و عرض جوش تأثیر می‌گذارد. در اکثر موارد، دمش گاز محافظ اثر مثبتی بر جوش دارد، اما ممکن است گاهی اثرات منفی نیز داشته باشد.

اثرات مثبت

۱) گاز محافظ به‌درستی وارد‌شده، به‌طور مؤثری حوضچه جوش را محافظت کرده و اکسیداسیون را کاهش داده یا حتی جلوی آن را می‌گیرد.

۲) گاز محافظ به‌درستی وارد‌شده، به‌طور مؤثری پاشش حین جوشکاری را کاهش می‌دهد.

۳) گاز محافظ به‌درستی وارد‌شده، گسترش یکنواخت حوضچه جوش را در حین انجماد تسهیل کرده و منجر به ایجاد جوشی یکنواخت و زیبا می‌شود.

۴) گاز محافظ به‌درستی وارد‌شده، به‌طور مؤثری اثر سایه‌اندازی بخار فلزی یا ابر پلاسما بر لیزر را کاهش داده و بازده مؤثر استفاده از لیزر را افزایش می‌دهد.

۵) گاز محافظ به‌درستی وارد‌شده، به‌طور مؤثری تخلخل جوش را کاهش می‌دهد.

به‌شرط اینکه نوع گاز، دبی جریان گاز و روش ورود آن به‌درستی انتخاب شوند، می‌توان به نتایج ایده‌آلی دست یافت.

با این حال، استفاده نادرست از گاز محافظ می‌تواند تأثیر منفی نیز بر جوشکاری بگذارد.

۱) کاربرد نادرست گاز محافظ ممکن است کیفیت جوش را بدتر کند:

① انتخاب نوع نامناسب گاز ممکن است باعث ایجاد ترک در جوش و کاهش خواص مکانیکی آن شود؛

② انتخاب نرخ جریان نامناسب گاز ممکن است منجر به اکسیداسیون شدیدتر جوش (چه نرخ جریان بیش از حد بالا و چه بیش از حد پایین باشد) شود و همچنین ممکن است اختلال شدیدی در حوضچه جوش ایجاد کند که در نتیجه فروپاشی جوش یا تشکیل نامنظم آن را به دنبال داشته باشد؛

③ انتخاب روش نامناسب اعمال گاز محافظ ممکن است منجر به عدم اثربخشی یا حتی عدم وجود کامل محافظت شود، یا بر شکل‌گیری جوش تأثیر منفی بگذارد؛

۲) کاربرد گاز محافظ می‌تواند بر نفوذ جوش تأثیر بگذارد، به‌ویژه در جوشکاری ورق‌های نازک، و باعث کاهش نفوذ جوش شود.

انواع گازهای محافظ

گازهای محافظ متداول در جوشکاری لیزری شامل N2، Ar و He هستند. این گازها از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی با یکدیگر تفاوت دارند و بنابراین تأثیرات متفاوتی بر جوش ایجاد می‌کنند.

نیتروژن (N2)

ارزان‌ترین گاز، اما برای جوشکاری برخی از فولادهای ضدزنگ مناسب نیست. نیتروژن (N2) انرژی یونیزاسیون متوسطی دارد که بیشتر از آرگون و کمتر از هلیوم است. تحت تابش لیزر، درجه یونیزاسیون آن عموماً پایین است و به‌طور مؤثری از تشکیل ابر پلاسما کاسته و در نتیجه بازده مؤثر استفاده از لیزر را افزایش می‌دهد. با این حال، نیتروژن در دماهای خاصی می‌تواند واکنش شیمیایی با آلیاژهای آلومینیوم و فولاد کربنی انجام دهد و نیتریدها را تولید کند. این امر شکنندگی جوش را افزایش داده و چقرمگی آن را کاهش می‌دهد و تأثیر منفی قابل توجهی بر خواص مکانیکی اتصال جوش دارد. بنابراین، استفاده از نیتروژن به‌عنوان گاز محافظ برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم و فولاد کربنی توصیه نمی‌شود.

از سوی دیگر، نیتریدهای حاصل از واکنش شیمیایی نیتروژن با فولاد ضدزنگ می‌توانند استحکام اتصال جوش را افزایش داده و خواص مکانیکی آن را بهبود بخشند. بنابراین، نیتروژن می‌تواند به‌عنوان گاز محافظ در جوشکاری فولاد ضدزنگ استفاده شود.

آرگون (Ar)

نسبتاً ارزان است، چگالی بالایی دارد و حفاظت خوبی فراهم می‌کند. سطح جوش در مقایسه با هلیوم صاف‌تر است. با این حال، به راحتی توسط پلاسمای فلزی در دمای بالا یونیزه می‌شود که موجب سد شدن بخشی از پرتو لیزر و جلوگیری از رسیدن آن به قطعه کار می‌گردد؛ این امر توان موثر جوشکاری را کاهش داده و سرعت جوشکاری و عمق نفوذ را مختل می‌سازد. آرگون (Ar) دارای کمترین انرژی یونیزاسیون است، اما درجه یونیزاسیون آن تحت تابش لیزر نسبتاً بالا است که کنترل تشکیل ابرهای پلاسما را دشوار می‌سازد و تأثیر معینی بر نرخ استفاده مؤثر از لیزر خواهد داشت. با این حال، آرگون واکنش‌پذیری بسیار پایینی دارد و به سختی با فلزات رایج واکنش شیمیایی انجام می‌دهد. علاوه بر این، آرگون ارزان است. همچنین، آرگون چگالی بالایی دارد که به ته‌نشینی آن در بالای حوضچه جوش کمک کرده و حفاظت بهتری برای حوضچه جوش فراهم می‌کند. بنابراین، می‌توان از آن به‌عنوان گاز محافظ معمولی استفاده کرد.

هلیوم (He)

این گاز گران‌تر است، اما بهترین اثر را دارد و اجازه می‌دهد تا لیزر بدون هیچ مانعی مستقیماً از آن عبور کرده و به سطح قطعه کار برسد. همچنین بالاترین انرژی یونیزاسیون را دارد، اما درجه یونیزاسیون آن تحت تابش لیزر بسیار پایین است که این امر به‌طور مؤثری تشکیل ابر پلاسما را کنترل می‌کند. لیزر می‌تواند به‌خوبی روی فلزات عمل کند و هلیوم واکنش‌پذیری بسیار پایینی دارد و عملاً از نظر شیمیایی با فلزات واکنش نمی‌دهد. بنابراین، هلیوم گاز محافظ بسیار عالی برای جوشکاری محسوب می‌شود. با این حال، هلیوم بسیار گران است و معمولاً در تولید انبوه استفاده نمی‌شود. این گاز معمولاً در تحقیقات علمی یا برای محصولات با ارزش افزوده بالا به‌کار می‌رود.

روش‌های تزریق گاز محافظ

در حال حاضر دو روش اصلی برای ورود گازهای محافظ وجود دارد: یکی روش دمش جانبی غیرمحوری گاز محافظ... دمش موازی جانبی گاز محافظ

نوع دیگر، دمش محوری گاز محافظ است.

گاز محافظ محوری

انتخاب بین این دو روش دمش به ترکیبی از عوامل مختلف بستگی دارد، اما معمولاً روش دمش جانبی گاز محافظ توصیه می‌شود.

اصول انتخاب روش‌های دمش گاز محافظ

اولاً، باید توضیح داد که اصطلاح «اکسیداسیون جوش» یک اصطلاح عامیانه است. از نظر نظری، این اصطلاح به واکنش شیمیایی بین جوش و اجزای مضر موجود در هوا اشاره دارد که منجر به کاهش کیفیت جوش می‌شود. نمونه‌های رایج آن شامل واکنش فلز جوش با اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن موجود در هوا در دماهای خاصی است.

پیشگیری از اکسیداسیون جوش شامل کاهش یا جلوگیری از تماس این اجزای مضر با فلز جوش در دماهای بالا می‌شود. این دمای بالا نه‌تنها به فلز حوضچه مذاب اشاره دارد، بلکه کل دوره‌ای را نیز شامل می‌شود که از زمان ذوب شدن فلز جوش تا زمانی که فلز جوش سفت شده و دمای آن به زیر سطح معینی کاهش یابد.

برای مثال، در جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم، هیدروژن در دمای بالای ۳۰۰ °درجه سانتی‌گراد به‌سرعت جذب می‌شود، اکسیژن در دمای بالای ۴۵۰ °درجه سانتی‌گراد و نیتروژن در دمای بالای ۶۰۰ °ج. بنابراین، جوش‌های آلیاژ تیتانیوم نیازمند حفاظت مؤثر پس از انجماد و در دوره‌ای هستند که دمای آن‌ها به زیر ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد، °در غیر این صورت، «اکسید شده» خواهند شد.

همان‌طور که توضیحات فوق روشن می‌سازد، گاز محافظ دمشی نه‌تنها باید در زمان مناسب از حوضچه جوش حفاظت کند، بلکه باید ناحیه تازه انجماد یافته را نیز محافظت نماید. بنابراین، روش دمش جانبی گاز محافظ با محور غیرمتحدالمرکز (که در شکل ۱ نشان داده شده است) عموماً مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا این روش دامنه حفاظت گسترده‌تری نسبت به روش محافظت هم‌محور (که در شکل ۲ نشان داده شده است) ارائه می‌دهد و به‌ویژه حفاظت بهتری برای ناحیه تازه انجماد یافته جوش فراهم می‌کند.

برای کاربردهای مهندسی، روش دمش جانبی گاز محافظ با محور غیرمتحدالمرکز برای تمام محصولات مناسب نیست. برای برخی محصولات خاص، تنها روش دمش هم‌محور گاز محافظ قابل استفاده است. انتخاب روش مناسب باید متناسب با ساختار محصول و نوع اتصال انجام شود.

انتخاب روش خاص دمش گاز محافظ

۱) جوش‌های مستقیم

همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده است، شکل جوش این محصول مستقیم است. نوع اتصال می‌تواند اتصال سر به سر، اتصال روی‌هم‌قراری، اتصال گوشه‌ای یا جوش روی‌هم باشد. برای این نوع محصول، روش تأمین گاز محافظ از طرف جانبی غیرمحوری نشان‌داده‌شده در ترجیح داده می‌شود.

۲) جوش‌های صفحه‌ای بسته‌شکل

شکل جوش این محصول یک شکل بسته مانند دایره‌ی صفحه‌ای، چندضلعی صفحه‌ای یا خط صفحه‌ای چندپاره است. نوع اتصال می‌تواند اتصال سر به سر، اتصال روی‌هم‌قراری یا اتصال جوش روی‌هم باشد. برای این نوع محصول، استفاده از گاز محافظ هم‌محور ترجیح داده می‌شود.

جوش صفحه‌ای بسته‌شکل

انتخاب گاز محافظ به‌طور مستقیم بر کیفیت، بازده و هزینهٔ تولید جوشکاری تأثیر می‌گذارد. با این حال، به دلیل تنوع مواد جوشکاری، انتخاب گاز جوشکاری در عمل بسیار پیچیده است. لازم است عوامل مختلفی از جمله مادهٔ جوشکاری، روش جوشکاری، موقعیت جوشکاری و اثر مورد نیاز جوشکاری به‌صورت جامع در نظر گرفته شوند. تنها با انجام آزمایش‌های جوشکاری می‌توان گاز جوشکاری مناسب‌تری انتخاب کرد تا نتایج بهتری حاصل شود.