چه پارامترهای فرآیندی کیفیت جوشکاری در جوشکاری لیزری را تعیین میکنند؟
۱. اصل جوشکاری با لیزر
جوشکاری با لیزر میتواند با استفاده از پرتوهای لیزر پیوسته یا نوسانی انجام شود. اصل جوشکاری با لیزر به دو نوع جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری عمیق با لیزر تقسیم میشود. چگالی توان کمتر از ۱۰ ⁴ ~10⁵ عرض/سانتیمتر ² جوشکاری هدایت حرارتی است که با نفوذ سطحی و سرعت جوشکاری کند مشخص میشود. وقتی چگالی توان بیشتر از ۱۰ باشد ⁵ ~10⁷ عرض/سانتیمتر ² ، سطح فلز گرم شده و «حفرهها» ایجاد میشوند و جوشکاری نفوذ عمیق تشکیل میشود که با سرعت بالای جوشکاری و نسبت عمق به عرض بزرگی مشخص میشود.
اصول جوشکاری لیزری هدایت حرارتی به این صورت است: تابش لیزر سطح قطعهای که باید پردازش شود را گرم میکند و گرمای سطحی از طریق هدایت حرارتی به داخل منتشر میشود. با کنترل پارامترهای لیزر از جمله عرض، انرژی، توان اوج و فرکانس تکرار پالس لیزر، قطعه ذوب شده و حوضچهی مذاب خاصی ایجاد میشود.
دستگاههای جوشکاری لیزری که برای جوشکاری چرخدندهها و ورقهای نازک متالورژیکی استفاده میشوند، عمدتاً شامل جوشکاری لیزری نفوذ عمیق هستند. اصول جوشکاری لیزری نفوذ عمیق در ادامه بهطور دقیق توضیح داده خواهد شد.
جوشکاری نفوذی لیزری معمولاً از پرتو لیزر پیوسته برای اتصال مواد استفاده میکند. فیزیک متالورژیکی آن بسیار شبیه به جوشکاری پرتو الکترون است و مکانیسم تبدیل انرژی از طریق ساختار «کلیدچال» (Keyhole) انجام میشود. تحت تابش لیزر با چگالی توان کافی، ماده تبخیر شده و کلیدچالی را تشکیل میدهد. این کلیدچال پر از بخار مانند یک جسم سیاه عمل میکند و تقریباً تمام انرژی پرتو فرودی را جذب میکند. دمای تعادلی درون کلیدچال به حدود ۲۵۰۰ میرسد. °ج. گرما از دیوارهٔ خارجی این سوراخ کلیدی با دمای بالا منتقل میشود و فلز اطراف آن را ذوب میکند. این سوراخ کلیدی با بخارات با دمای بالا پر شده است که در اثر تبخیر مداوم مادهٔ دیواره تحت تابش پرتو ایجاد میشود. دیوارههای این سوراخ کلیدی فلز مذاب را احاطه کردهاند و فلز مایع، مواد جامد را احاطه کرده است (در اکثر فرآیندهای جوشکاری مرسوم و جوشکاری هدایتی لیزری، انرژی ابتدا روی سطح قطعه کار نشانده شده و سپس به داخل آن منتقل میشود). جریان مایع و کشش سطحی خارج از دیوارههای سوراخ کلیدی، تعادلی پویا با فشار بخار تولیدشدهٔ مداوم درون سوراخ کلیدی برقرار میکنند. هنگامی که پرتو لیزر بهصورت مداوم وارد سوراخ کلیدی میشود، مادهٔ خارج از این سوراخ نیز بهصورت مداوم جریان مییابد. با حرکت پرتو لیزر، سوراخ کلیدی در حالتی پایدار و جریانی باقی میماند. به عبارت دیگر، سوراخ کلیدی و فلز مذاب اطراف آن با همان سرعت پرتو هدایتکننده به جلو حرکت میکنند. فلز مذاب فضاهای خالی ایجادشده پس از عبور سوراخ کلیدی را پر میکند و سپس منجمد میشود و بدین ترتیب جوش ایجاد میگردد. تمام این فرآیندها بهقدری سریع انجام میشوند که سرعت جوشکاری بهراحتی میتواند به چند متر در دقیقه برسد.
۲. پارامترهای کلیدی فرآیند جوشکاری نفوذی لیزری
توان لیزر
جوشکاری با لیزر شامل آستانهای برای چگالی انرژی لیزر است. زیر این آستانه، عمق نفوذ سطحی است؛ اما هنگامی که به این آستانه برسیم یا از آن فراتر برویم، عمق نفوذ بهطور قابلتوجهی افزایش مییابد. پلاسما تنها زمانی تولید میشود که چگالی توان لیزر روی قطعهکار از این آستانه (وابسته به جنس ماده) فراتر رود که این امر آغاز جوشکاری پایدار با نفوذ عمیق را نشان میدهد. اگر توان لیزر زیر این آستانه باشد، تنها ذوب سطحی در قطعهکار رخ میدهد، یعنی جوشکاری در حالت پایدار هدایت حرارتی انجام میشود. هنگامی که چگالی توان لیزر نزدیک به شرایط بحرانی تشکیل حفرهی کلیدی (Keyhole) باشد، جوشکاری نفوذ عمیق و جوشکاری هدایتی بهصورت متناوب انجام میشوند که منجر به فرآیند جوشکاری ناپایدار با نوسانات بزرگ در عمق نفوذ میگردد. در جوشکاری لیزری با نفوذ عمیق، توان لیزر همزمان عمق نفوذ جوش و سرعت جوشکاری را کنترل میکند. عمق نفوذ جوش بهطور مستقیم مربوط به چگالی توان پرتو و تابعی از توان پرتو فرودی و نقطهی کانونی پرتو است. بهطور کلی، برای پرتوی لیزر با قطر مشخصی، عمق نفوذ با افزایش توان پرتو افزایش مییابد.
لکه کانونی پرتو
اندازه لکه پرتو یکی از مهمترین متغیرها در جوشکاری با لیزر است، زیرا این اندازه چگالی توان را تعیین میکند. با این حال، اندازهگیری آن برای لیزرهای با توان بالا چالشبرانگیز است، هرچند روشهای غیرمستقیم متعددی برای این منظور وجود دارد.
اندازه لکه کانونی محدودشده توسط پراش پرتو لیزر را میتوان بر اساس نظریه پراش نوری محاسبه کرد. با این حال، به دلیل اعوجاجهای موجود در عدسی کانونکننده، اندازه واقعی لکه بزرگتر از مقدار محاسبهشده است. سادهترین روش عملی برای اندازهگیری، روش پروفیلومتری ایزوترمال است که شامل سوختن یک صفحه ضخیم کاغذ و نفوذ پرتو در یک صفحه پلیپروپیلن قبل از اندازهگیری لکه کانونی و قطر سوراخ ایجادشده میشود. این روش نیازمند اندازهگیری عملی برای تسلط بر توان لیزر و مدت زمان تماس پرتو است.
مقدار جذب ماده
جذب نور لیزر توسط یک ماده به چندین ویژگی مهم از جمله ضریب جذب، ضریب بازتاب، هدایتپذیری گرمایی، دمای ذوب و دمای تبخیر بستگی دارد که در میان این ویژگیها، ضریب جذب اهمیت بیشتری دارد.
عوامل مؤثر بر ضریب جذب یک ماده نسبت به پرتو لیزر شامل دو جنبه است: اول، مقاومت الکتریکی ماده. اندازهگیریهای انجامشده روی سطوح صیقلی نشان میدهد که ضریب جذب با ریشه دوم مقاومت الکتریکی متناسب است که این مقاومت خود با دما تغییر میکند. دوم، شرایط سطحی (یا صافی) ماده تأثیر قابلتوجهی بر جذب پرتو دارد و بنابراین تأثیر زیادی بر اثر جوشکاری میگذارد.
طول موج خروجی لیزر CO2 معمولاً ۱۰٫۶ است. μ م. مواد غیرفلزی مانند سرامیکها، شیشه، لاستیک و پلاستیکها در دمای اتاق دارای نرخ جذب بالایی هستند، در حالی که مواد فلزی در دمای اتاق جذب ضعیفی دارند و جذب آنها تنها پس از ذوب یا حتی تبخیر شدن ماده بهطور ناگهانی افزایش مییابد. پوششهای سطحی یا لایههای اکسیدی روشهای مؤثری برای بهبود جذب پرتو لیزر توسط ماده هستند.
سرعت جوش
سرعت جوشکاری تأثیر قابلتوجهی بر عمق نفوذ جوش دارد. افزایش سرعت منجر به کاهش عمق نفوذ میشود، در حالی که سرعت بسیار پایین باعث ذوب بیشازحد و سوراخشدن میگردد. بنابراین، برای یک مادهٔ خاص با توان لیزر و ضخامت معین، محدودهای مناسب از سرعتهای جوشکاری وجود دارد که در آن بیشترین عمق نفوذ حاصل میشود. شکل ۱۰-۲ رابطهٔ بین سرعت جوشکاری و عمق نفوذ را برای فولاد ۱۰۱۸ نشان میدهد.
گاز محافظ
گازهای بیاثر معمولاً برای محافظت از حوضچه مذاب در حین جوشکاری با لیزر استفاده میشوند. اگرچه اکسیداسیون سطحی ممکن است برای برخی مواد مورد نگرانی قرار نگیرد، اما هلیوم، آرگون و نیتروژن در اکثر کاربردها برای جلوگیری از اکسید شدن قطعه کار در حین جوشکاری بهکار میروند.
هلیوم بهصورت ضعیف یونیزه میشود (اما انرژی یونیزاسیون بالایی دارد) و این امکان را فراهم میکند که پرتو لیزر بدون مانع از آن عبور کرده و به سطح قطعه کار برسد. این گاز مؤثرترین گاز محافظ در جوشکاری لیزری است، اما نسبتاً گران است.
آرگون ارزانتر است و چگالی بالاتری دارد که منجر به محافظت خوبی میشود. با این حال، پلاسمای فلزی در دمای بالا بهراحتی آن را یونیزه میکند و بخشی از پرتو را از رسیدن به قطعه کار مسدود میسازد؛ در نتیجه توان لیزر مؤثر کاهش یافته و سرعت جوشکاری و عمق نفوذ آن تحت تأثیر قرار میگیرد. جوشهایی که با آرگون محافظت شدهاند، سطحی صافتر از جوشهای محافظتشده با هلیوم دارند.
نیتروژن ارزانترین گاز محافظ است، اما برای جوشکاری برخی انواع فولادهای ضدزنگ مناسب نیست، عمدتاً به دلیل مسائل متالورژیکی مانند جذب، که گاهی میتواند باعث ایجاد تخلخل در ناحیه اتصال شود.
عملکرد دوم گازهای محافظ، حفاظت از لنز فوکوس در برابر آلودگی ناشی از بخارات فلزی و پاشش قطرات مذاب است. این امر بهویژه در جوشکاری لیزری با توان بالا اهمیت دارد، زیرا ماده پرتابشده بسیار قدرتمند میشود.
سومین کارکرد گازهای محافظ، تأثیرگذاری آنها در پراکندهسازی پلاسما، که توسط جوشکاری لیزری با توان بالا ایجاد میشود، است. بخارات فلزی پرتو لیزر را جذب کرده و به ابری از پلاسما یونیزه میشوند. گاز محافظ اطراف بخارات فلزی نیز به دلیل گرمشدن یونیزه میگردد. اگر مقدار پلاسما بیش از حد باشد، پرتو لیزر تا حدی توسط پلاسما مصرف میشود. پلاسما بهعنوان منبع انرژی ثانویهای روی سطح کار وجود دارد که منجر به کاهش عمق نفوذ جوش و گسترش بیشتر حوضچه جوش میشود. نرخ بازترکیب الکترونها با افزایش برخوردهای بین الکترونها، یونها و اتمهای خنثی افزایش مییابد و در نتیجه چگالی الکترونها در پلاسما کاهش مییابد. هرچه اتمهای خنثی سبکتر باشند، فراوانی برخوردها و نرخ بازترکیب بالاتر است؛ از سوی دیگر، تنها گاز محافظی با انرژی یونیزاسیون بالا میتواند افزایش چگالی الکترونها را ناشی از یونیزاسیون خود گاز جلوگیری کند.
اندازه ابر پلاسما بسته به گاز محافظ مورد استفاده متغیر است؛ هلیوم کوچکترین اندازه را دارد، سپس نیتروژن و در نهایت آرگون بزرگترین اندازه را دارد. ابر پلاسمای بزرگتر منجر به نفوذ جوش کمعمقتری میشود. این تفاوت عمدتاً ناشی از درجات مختلف یونیزاسیون مولکولهای گاز و همچنین تفاوتهای ناشی از انتشار بخارات فلزی که توسط چگالی متفاوت گازهای محافظ ایجاد میشود، است.
هلیوم کمترین میزان یونیزاسیون و چگالی را دارد و این امکان را فراهم میکند که بخارات فلزی صعودکننده از حوضچه فلز مذاب را بهسرعت جابهجا کند. بنابراین، استفاده از هلیوم بهعنوان گاز محافظ، پلاسما را تا حد امکان سرکوب کرده و در نتیجه نفوذ جوش و سرعت جوشکاری را افزایش میدهد؛ وزن سبک آن نیز باعث میشود بهراحتی از ناحیه جوش خارج شود و احتمال ایجاد تخلخل را کاهش دهد. با این حال، بر اساس نتایج عملی جوشکاری ما، محافظت با آرگون نیز اثربخشی قابل توجهی از خود نشان داده است.
تأثیر ابر پلاسما بر نفوذ جوش در سرعتهای پایین جوشکاری بیشترین میزان را دارد. این تأثیر با افزایش سرعت جوشکاری کاهش مییابد.
گاز محافظ با فشار مشخصی از طریق نازل خارج شده و به سطح قطعه کار میرسد. شکل هیدرو دینامیکی نازل و قطر خروجی آن از اهمیت بالایی برخوردارند. گاز محافظ باید بهاندازهای کافی بزرگ باشد تا سطح جوشکاری را پوشش دهد، اما اندازه نازل باید محدود باشد تا عدسی را بهطور مؤثر محافظت کند و از آلودگی ناشی از بخارات فلزی یا آسیب ناشی از پاشش فلز جلوگیری شود. همچنین باید دبی جریان گاز محافظ کنترل شود؛ در غیر این صورت جریان لایهای گاز محافظ به جریان آشفته تبدیل شده، هوای اتمسفری وارد حوضچه مذاب میشود و در نهایت منجر به ایجاد تخلخل میگردد.
برای بهبود اثر محافظتی، میتوان از روش اضافی دمش جانبی استفاده کرد که در آن گاز محافظ مستقیماً از طریق نازلی با قطر کوچکتر و تحت زاویهای مشخص، به داخل سوراخ سوزنی جوش عمقی تزریق میشود. گاز محافظ نهتنها ابر پلاسما روی سطح قطعه کار را سرکوب میکند، بلکه بر پلاسمای موجود درون سوراخ سوزنی و همچنین بر تشکیل خود این سوراخ نیز تأثیر میگذارد؛ این امر منجر به افزایش بیشتر عمق نفوذ و دستیابی به جوشی با نسبت عمق به عرض ایدهآل میشود. با این حال، این روش نیازمند کنترل دقیق نرخ جریان و جهت گاز است؛ در غیر این صورت، بهراحتی میتواند باعث ایجاد توربولانس شده و حوضچه مذاب را آسیب بزند و فرآیند جوشکاری را ناپایدار سازد.
فاصله کانونی لنز
در حین جوشکاری، لیزر معمولاً فوکوس میشود که معمولاً از عدسیهایی با طول کانونی ۶۳ تا ۲۵۴ میلیمتر (۲٫۵ ”~10”اندازه نقطه متمرکزشده مستقیماً متناسب با طول کانونی است؛ یعنی هرچه طول کانونی کوتاهتر باشد، اندازه نقطه کوچکتر خواهد بود. با این حال، طول کانونی همچنین بر عمق کانونی تأثیر میگذارد، بهطوریکه عمق کانونی بهصورت متناسب با طول کانونی افزایش مییابد. بنابراین، کوتاهتر بودن طول کانونی میتواند چگالی توان را افزایش دهد، اما بهدلیل عمق کانونی کم، فاصله بین لنز و قطعه کار باید با دقت بسیار بالایی حفظ شود و عمق نفوذ نیز محدود میگردد. بهدلیل تأثیر پاشیدگی (اسپاتر) و حالت لیزر که در حین جوشکاری ایجاد میشوند، کوتاهترین طول کانونی واقعی که معمولاً در جوشکاری استفاده میشود، اغلب ۱۲۶ میلیمتر (۵ اینچ) است. ”هنگامی که اتصال بزرگ باشد یا زمانی که لازم باشد اندازه جوش با افزایش اندازه نقطه افزایش یابد، میتوان از لنزی با طول کانونی ۲۵۴ میلیمتر (۱۰ اینچ) استفاده کرد. ”در این حالت، برای دستیابی به اثر کلیدی (کیهول) نفوذ عمیق، توان خروجی لیزر بالاتری (چگالی توان) مورد نیاز است.
هنگامی که توان لیزر از ۲ کیلووات بیشتر شود، بهویژه برای ۱۰٫۶ μ پرتوهای لیزر CO2 با طول موج ۱۰/۶ میکرومتر، به دلیل استفاده از مواد نوری خاص در سیستم اپتیکی، اغلب از روش کانونیسازی بازتابی برای جلوگیری از آسیب نوری به عدسی کانونیساز استفاده میکنند. آینههای مسی صیقلی معمولاً بهعنوان بازتابدهنده به کار میروند. به دلیل خواص سردکنندگی مؤثرشان، اغلب برای کانونیسازی پرتوهای لیزر با توان بالا توصیه میشوند.
موقعیت فوکوس
در حین جوشکاری، موقعیت کانون بسیار حیاتی است تا چگالی توان کافی حفظ شود. تغییرات در موقعیت نسبی کانون نسبت به سطح قطعهکار، مستقیماً بر عرض و عمق جوش تأثیر میگذارد. شکل ۲-۶ اثر موقعیت کانون را بر عمق نفوذ و عرض جوش فولاد ۱۰۱۸ نشان میدهد.
در اکثر کاربردهای جوشکاری با لیزر، کانون معمولاً در حدود یکچهارم فاصله از سطح قطعهکار به سمت داخل (زیر سطح) قرار میگیرد تا عمق نفوذ مطلوب حاصل شود.
موقعیت پرتو لیزر
هنگام جوشکاری مواد مختلف با لیزر، موقعیت پرتو لیزر کنترلکننده کیفیت نهایی جوش است، بهویژه در اتصالات سر-به-سر که نسبت به اتصالات رویهمقرارگرفته حساسیت بیشتری دارد. برای مثال، هنگام جوشکاری چرخدندهای از فولاد سختشده به طبلی از فولاد کمکربن، کنترل صحیح موقعیت پرتو لیزر منجر به ایجاد جوشی میشود که عمدتاً از اجزای کمکربن تشکیل شده و مقاومت بهتری در برابر ترکخوردگی دارد. در برخی کاربردها، هندسه قطعهای که باید جوش داده شود، نیازمند انحراف پرتو لیزر با زاویهای خاص است. وقتی زاویه انحراف بین محور پرتو و صفحه اتصال در محدوده ۱۰۰ درجه باشد، جذب انرژی لیزر توسط قطعه کار تحت تأثیر قرار نمیگیرد.
کنترل افزایش و کاهش توان لیزر در نقاط شروع و پایان جوشکاری
در جوشکاری نفوذی لیزری، صرفنظر از عمق جوش، پدیده حفرهسوزنی همواره وجود دارد. هنگامی که فرآیند جوشکاری پایان مییابد و کلید برق خاموش میشود، در انتهای جوش حفرهای ایجاد میگردد. علاوه بر این، هنگامی که لایه جوش لیزری روی جوش اصلی قرار میگیرد، جذب بیش از حد پرتو لیزر ممکن است رخ دهد که منجر به گرمشدن بیش از حد یا تخلخل در قطعه جوششده میشود.
برای جلوگیری از این پدیدهها، نقاط شروع و پایان توان میتوانند بهگونهای برنامهریزی شوند که زمانهای شروع و پایان توان قابل تنظیم باشند. یعنی توان اولیه بهصورت الکترونیکی در مدت زمان کوتاهی از صفر به مقدار تعیینشده افزایش مییابد و زمان جوشکاری نیز تنظیم میشود. در نهایت، در انتهای جوشکاری، توان بهتدریج از مقدار تعیینشده تا صفر کاهش مییابد.
۳. ویژگیها، مزایا و معایب جوشکاری نفوذی لیزری
ویژگیهای جوشکاری نفوذی لیزری
۱) نسبت ارتفاع به عرض بالا. ۱) **جوش عمیق و باریک:** از آنجا که فلز مذاب در اطراف حفره استوانهای بخار با دمای بالا تشکیل میشود و به سمت قطعه کار امتداد مییابد، جوش حاصل عمیق و باریک میگردد.
۲) **حداقل ورودی حرارت:** به دلیل دمای بسیار بالای موجود در حفره، فرآیند ذوب بسیار سریع انجام میشود و در نتیجه ورودی حرارت به قطعه کار بسیار کم بوده و تغییر شکل حرارتی و منطقه تحت تأثیر حرارت را به حداقل میرساند.
۳) **چگالی بالا:** حفره پر از بخار با دمای بالا، همزدن حوضچه جوش و خروج گازها را تسهیل میکند و منجر به ایجاد جوشی بدون تخلخل و با نفوذ کامل میگردد. نرخ سردشدن بالا پس از جوشکاری نیز ساختار ریزدانه جوش را بیشتر ریزکرده و بهبود میبخشد.
۴) **جوشکاری قوی:** منبع حرارت شدید و جذب کامل اجزای غیرفلزی، محتوای ناخالصیها را کاهش داده و اندازه و توزیع ذرات ناخالص موجود در حوضچه جوش را تغییر میدهد. فرآیند جوشکاری نیازی به الکترود یا سیم پرکننده ندارد؛ بنابراین آلودگی در ناحیه مذاب کاهش مییابد و استحکام و شکلپذیری جوش حداقل برابر با فلز پایه و حتی در برخی موارد از آن بیشتر است.
۵) **کنترل دقیق:** از آنجا که نقطه فوکوس بسیار کوچک است، میتوان محل جوش را با دقت تعیین کرد. خروجی لیزر فاقد «اینرسی» است و امکان توقف و شروع مجدد سریع در سرعتهای بالا را فراهم میکند. فناوری حرکت پرتو توسط سیانسی (CNC) امکان جوشکاری قطعات پیچیده را فراهم میسازد. ۶) فرآیند جوشکاری بدون تماس فیزیکی در محیط جو. از آنجا که انرژی از پرتو فوتونی تأمین میشود، هیچ تماس فیزیکی با قطعه کار ایجاد نمیشود؛ بنابراین هیچ نیروی خارجیای به قطعه کار وارد نمیشود. علاوه بر این، میدان مغناطیسی و هوای اطراف هیچ تأثیری بر پرتو لیزر ندارند.
مزایای جوشکاری نفوذی عمیق با لیزر
۱) به دلیل چگالی توان بسیار بالاتر لیزرهای متمرکز نسبت به روشهای معمولی، سرعت جوشکاری سریع است، منطقه تحت تأثیر حرارت و تغییر شکل کوچک هستند و امکان جوشکاری مواد سختجوش مثل تیتانیوم فراهم میشود.
۲) از آنجا که پرتو بهراحتی قابل انتقال و کنترل است و نیازی به تعویض مکرر مشعلها و نازلهای جوشکاری نیست و همچنین برخلاف جوشکاری پرتو الکترونی، نیازی به خلأ کردن نیست، زمان ایستکاری بهطور قابلتوجهی کاهش مییابد که منجر به افزایش ضریب بار و بازده تولید میشود.
۳) به دلیل اثر پاککنندگی و نرخ سردشدن بالا، جوشکاری حاصل استحکام، شکلپذیری و عملکرد کلی بالایی دارد.
۴) به دلیل ورودی حرارتی متوسط پایین، دقت پردازش بالا است و هزینههای پردازش مجدد کاهش مییابد؛ علاوه بر این، هزینههای عملیاتی جوشکاری لیزری نیز پایینتر است و در نتیجه هزینههای پردازش قطعه کاهش مییابد.
۵) شدت پرتو و موقعیتیابی دقیق آن بهطور مؤثری قابل کنترل هستند که این امر انجام عملیات خودکار را آسان میسازد.
معایب جوشکاری عمیق لیزری
۱) عمق جوشکاری محدود است.
۲) نیاز به مونتاژ قطعه کار با دقت بالا.
۳) سرمایهگذاری اولیه بالا در سیستمهای لیزری.
