کارآموزی جوشکاری لیزری در صنایع خودرو سازی

فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی گروهی از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها حرارت مورد نیاز برای انجام جوشکاری به کمک تابش یک پرتو حاوی انرژی بر روی موضع اتصال تامین می شود این پرتوها ممکن است مانند پرتو الکترونی حاوی ذرات پر انرژی باشند و یا این که یک تشعشع الکترومغناطیسی باشند در این روشها نیاز به تماس نزدیک قطعه با منبع حرارت (که می تواند قوس
دسته بندی گزارش کارآموزی و کارورزی
فرمت فایل doc
حجم فایل 4837 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل 142

کارآموزی جوشکاری لیزری در صنایع خودرو سازی

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

پیشگفتار

فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی گروهی از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها حرارت مورد نیاز برای انجام جوشکاری به کمک تابش یک پرتو حاوی انرژی بر روی موضع اتصال تامین می شود. این پرتوها ممکن است مانند پرتو الکترونی حاوی ذرات پر انرژی باشند و یا این که یک تشعشع الکترومغناطیسی باشند. در این روشها نیاز به تماس نزدیک قطعه با منبع حرارت (که می تواند قوس، پلاسما یا شعله باشد) نیست و با تمرکز پرتو بر روی هر نقطه می توان حوضچه جوش را در آن نقطه به وجود آورد. فرآیندهای جوشکاری با پرتو الکترونی، جوشکاری با پرتو لیزر و جوشکاری با ریز موج ها مهمترین فرآیندهای جوشکاری هستند که در این گروه جای می گیرند.

در این پایان نامه سعی شده است که به طور خاص در مورد شاخه جوشکاری لیزری که بخشی از فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی می باشد، بحث شود. همچنین در ادامه این بحث به تحلیل المان های جوش پرداخته شده است.

در پایان از استاد گرامی جناب آقای مهندس فتحی که استاد راهنمای اینجانب در انجام این پروژه بوده اند، کمال تشکر را دارم.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول لیزر………………………………………………………………………………(25-11)

1-1 مقدمه 12

1-2 تاریخچه لیزر 13

1-3 همدوسی لیزر 15

1-4 تولید اشعه لیزر 17

1-5 اصول فرایند جوشکاری با لیزر 21

1-6 موارد کاربرد جوش لیزر 23

فصل دوم تقسیم لیزرها……………………………………………………………… (36-26)

2-1 لیزر حالت جامد 27

2-2 لیزرهای گازی 32

2-3 دیود لیزرها 36

فصل سوم متغیر های فرایند جوشکاری با لیزر…………………………… .(44-37)

3-1 توان پرتو لیزر 38

3-2 قطر پرتو لیزر 39

3-3 قابلیت جذب پرتو 41

3-4 سرعت عبور پرتو 43

3-5 گاز محافظ 44

فصل چهارم انتخاب لیزرجهت جوشکاری………………………………….. (51-45)

4-1 عوامل موثر در انتخاب لیزر مناسب 46

4-2 جوشکاری فولادها 49

4-3 جوشکاری آ لومینیم و آلیاژهای آن 50

4-4 جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن 51

فصل پنجم لیزرهای توان پایین…………………………………………………. (55-52)

5-1 عوامل موثر در انتخاب لیزرهای توان پایین 53

5-2 نکات مهم دراستفاده از لیزرهای توان پایین 54

فصل ششم جوشكاری ورق ST14 مورد استفاده در ساخت

بدنه خودرو با استفاده از لیزر Nd:YAG پالسی……………………………… (66-56)

6-1 چکیده 57

6-2 چیدمان آزمایش 57

6-3 بررسی نتایج آزمایش 59

فصل هفتم بررسی بیناب نشری پر پلاسما در جوشكاری ورق

فلز st14 بوسیله لیزر Nd:YAG پالسی……………………………………..(77-67)

7-1 چکیده . 68

7-2 مقدمه 68

7-3 مواد و وسایل و روش های آزمایش 69

7-4 نتایج و بحث 71

فصل هشتم مزایا و محدودیت جوشکاری لیزری در مقایسه با

سایر روشها………………………………………………………………………………..(82-78)

8-1 مزایای فرایند جوشکاری با اشعه لیزر 79

8-2 معایب فرایند جوشکاری با اشعه لیزر 81

8-3 مسائل ایمنی استفاده از لیزر 82

فصل نهم تحلیل المان محدود……………………………………………………..(99-83)

9-1 تعیین المان و خواص مواد 84

9-2 مدل سازی هندسی 84

9-3 مش زنی ( ساختن مدل اجزا محدود) 86

9-4 اعمال شرایط مرزی و نیروها 88

9-5 تنظیمات حل و گرفتن نتایج مورد نیاز 89

نتیجه گیری و پیشنهادات……………………………………………………………(102-100)

پ

فهرست شکل ها

شکل صفحه

1 – نور همدوس و ناهمدوس 15

2 – اجزای اصلی لیزر ساده 19

3 – تابش تحریک شده فوتونها که با یک اتم تحریک شده برخورد

می کند و منجر به آزادی فوتون قبل از تابش خود به خودی می شود 20

4 – بازتاب فوتونها توسط آینه ها به منظور افزایش طول مسیر برای تابش

تحریک شده و در نتیجه افزایش توان پرتو لیزر 20

5 – مقطع مدهای اصلی پرتوی لیزری 21

6- یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک که با اشعه لیزرجوش

کاری میشود. . 25

7- وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتومها تولید شد با رفت و برگشت

بین آینه ها متمرکز می شود. 28

8- طرح شماتیک لیزر Nd:YAG 32

9- طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان محوری 34

10- طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان متقاطع 35

11- تصویر چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده در جوشکاری لیزری 58

12- تغییرات عمق نفوذ جوش بر حسب پهنای پالس لیزر 60

13- عمق نفوذ جوش در پهنای پالس لیزر 61

14- تصویر همپوشانی پالسهای لیزر 64

15- نتایج آزمایشهای تنش – کرنش 65

16- تصویر نمونه ای قطعه ای که تحت آزمایش تنش-کرنش قرار گرفته است. 66

17- تصویری از چیدمان استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری 71

18- نمونه ای از بیناب نشری پر پلاسمای ناشی از جوش لیزری 72

19- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات پهنای پالس 74

20- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات گاز محافظ 74

21- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات شارش گاز 76

22-مدل سازی هندسی 85

23-مش زنی 86

24- اعمال شرایط مرزی و نیروها 89

25- حالت های مختلف کرنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها 90

26- حالت های مختلف تنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها 95

پ

فهرست جداول

جدول صفحه

1- تاثیر توان پرتو برعمق نفوذ با سرعتهای مختلف جوشکاری در فولاد 304 39

2- ترکیب شیمیایی نمونه ورق فلز ST14 59

3- شرایط و مقادیر پارامترهای آزمایش 60

4- عناصر تشکیل دهنده ST14 بر حسب درصد وزنی 69

5-شرایط کاری استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری 70

6- مشخصات خطوط تابشی انتخابی برای محاسبه دمای الکترون اتم آهن خنثی 73

1-1 : مقدمه

لیزر یک دسته اشعه موازی شده و پیوسته از جنس نور می باشد که تمام این اشعه دارای طول موج واحدی می باشد. البته این اشعه با اشعه نوری ناپیوسته ای که از خورشید تشعشع می کند بسیار متفاوت است. نور خورشید دارای طول موج های بسیار متفاوت و متنوع می باشد که در تمام جهات منتشر می شود. نور با طول موج های متفاوت می تواند روی یک نقطه مادی متمرکز شود و انرژی خود را به صورت انرژی حرارتی آزاد کند. اشعه لیزر یک اشعه به شدت موازی شده و کوهرنت می باشد که هر چه موازی تر و پیوسته تر باشد در نقطه کوچک تری می تواند متمرکز شود و انرژی حرارتی بیشتری را نیز تولید می کند.

این ویژگی اشعه لیزر باعث تقویت ایده استفاده از آن در جوشکاری به عنوان یک منبع منحصر به فرد انرژی شد. جوشکاری با اشعه لیزر یکی از جدیدترین تکنیک های جوشکاری است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. این فرآیند برای ساخت و تولید برخی قطعات صنعتی شرایطی را فراهم آورده است که تا قبل از آن، ساخت این قطعات غیر ممکن و یا بسیار مشکل بوده است. این فرآیند یک فرآیند جوشکاری ذوبی می باشد هر چند از نظر نوع تجهیزات و نوع فرآیند با فرآیند های جوشکاری ذوبی معمولی بسیار متفاوت است. با یک سری تغییرات و تجهیزات اضافی، می توان از لیزر برای برشکاری نیز با دقت و سرعت بسیار بالا استفاده نمود.

اولین دستگاه های جوش لیزر که ساخته شدند به ندرت مورد استفاده قرار می گرفتند و تنها در جاهایی از آنها استفاده می شد که چاره ای جز استفاده از آن نداشتند. علت این امر مشکل بودن استفاده از دستگاه، بالا بودن هزینه، عدم وجود امکانات ایمنی و عدم دسترسی به اپراتور ماهر و کارآمد بود. اما به مرور زمان علم و تکنولوژی لیزر پیشرفت کرد و دستگاه های بسیار پیشرفته ای ساخته شدند و دامنه استفاده از لیزر به طور چشم گیری افزایش یافت.

1-2: تاریخچه لیزر

کلمه لیزر مخفف عبارت Light Amplification Stimulated by Emission of Radiation به معنی تقویت نور تحریک شده با انتشار پرتوافکنی می باشد و بر روش تولید این نور دلالت دارد. مفهوم این لغت در زبان انگلیسی گسترش یافته و از لیزر به عنوان اسم و به معنی دستگاهی که لیزر تولید می کند استفاده می شود پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.
اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (3NH) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه ‌هادی مطرح گردید.

سیر تحولی و رشد

اختراع لیزر به سال 1958 با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال 1960 دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر ، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی ، مه ، ابرهای کم ارتفاع ، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا ، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند. بعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال 1964 اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی ، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.

1-3: همدوسی لیزر

. لیزرها یک رشته متمرکز شده و همدوس (امواجی با طول موج یکسان و هم فاز) از نور تولید می کنند. این نور با نور خورشید که در تمام جهات انتشار می یابد متفاوت است (شکل 1).

شکل 1: نور همدوس و غیر همدوس : a ) نورهای رندم خوورشید ناهمدوس هستندچون

نمی توانندتقارن دمایی و فضایی یابند b ) امواج نوری همدوس از یک لیزر

این امواج نوری چگالی توانی بسیار بالاتری نسبت به امواج نوری خورشید دارند و می توانند در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شوند.

همدوسی زمانی فوتونهای نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر به معنی هماهنگی بین فوتونهای تشکیل دهنده نور لیزر از لحاظ راستای انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسی زمانی که در نور لیزر وجود دارد، قدرت تأثیر گذاری فوتونهای آن در نقطه هدف بسیار بالاتر از نورهای معمولی است؛ زیرا طبق اصل برهمنهی امواج ، به دلیل همفاز بودن این فوتونها ، میدانهای الکتریکی‌شان مستقیما باهم جمع شده و میدانی قوی را بوجود می‌آورند.

همدوسی مکانی لیزر

همچنین به لحاظ همدوسی مکانی نور لیزر ، نور خروجی بصورت باریکه‌ای جهتمند از آن خارج شده و می‌تواند تا مسافتهای طولانی‌تری بدون افت چشمگیر توانش طی کند و نیز بوسیله کانونی کردن آن در نقطه کوچکی می‌توان به شدتهای بسیار بالایی دست یافت. نور لیزر نوری تقریبا تکرنگ است. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آن وابسته است، بنابراین نور فوتونهای لیزر در محدوده کوچک فرکانسی گسیل می‌شوند، در حالیکه منابع نور معمولی گستره فرکانسی بسیار بالایی را دارند.معیار تکرنگی یا خلوص نور لیزر ، پهنای فرکانسی آن است که طبق تعریف ، فاصله دو فرکانسی است که منحنی توزیع فرکانسی نورهای گسیلی در نصف ماکزیمم آن دارند. این فاصله در لیزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولی یا منابع نور گازی است. این به معنای آن است که اکثر انرژی تابشی لیزرها حول فرکانس مرکزی آن می‌باشد. در منابع معمولی ، برعکس لیزرها منحنی توزیع فرکانسی بسیار وسیع است و پهنای فرکانسی آن نیز نتیجتا بسیار زیاد است. بنابراین اگر بخواهیم که نور این منابع را با استفاده از مثلا فیلتر و یا یک تجزیه‌گر بصورت تقریبا تکرنگ در بیاوریم، از شدت آن به‌ مقدار زیادی کاسته خواهد شد.

1-4: تولید اشعه لیزر :

برای درک بهتر لوله ای را در نظر بگیرید که گازی داخل آن قرار دارد و این گاز دارای اتمهای آزاد می باشد. هر اتم این گاز دارای چندین سطح انرژی است که حداقل یکی از این سطوح انرژی یک سطح نیمه پایدار است. با تابانیدن نور سفید به این گاز تعداد بسیاری از الکترون ها جهش می کنند و تعدادی از اتمها به صورت برانگیخته در خواهند آمد. به محض این که الکترون ها به لایه قبلی بر می گردند، تعدادی از آنها در حین برگشت در این سطوح نیمه پایدار انرژی به دام می افتند. اگر نور تابیده شده به اندازه کافی شدید باشد احتمال این که یک معکوس جمعیت (Population inverse) ایجاد شود افزایش می یابد یعنی تعداد اتم های نیمه پایدار از تعداد اتم های پایدار بیشتر می شود.

اگر در یکی از این اتم های نیمه پایدار، الکترون از سطح نیمه پایدار به سطح اولیه خود باز گردد، یک فوتون آزاد خواهد شد. وقتی این فوتون از داخل اتم مجاور که آن هم در حالت نیمه پایدار است عبور می کند، با توجه به اصل تشدید، آن اتم را تحریک کرده و باعث می شود اتم مزبور نیز فوتونی با همان سرعت و فاز و جهت فوتون اولیه تشعشع کند. این دو فوتون یک موج اولیه را می سازند که با عبور از داخل اتم های دیگر آنها را نیز تحریک کرده و بدین ترتیب شدت اشعه به مرور افزایش می یابد. چون ممکن است این موج توسط یک اتم پایدار جذب شود و خود اتم به حالت برانگیخته جهش کند، ایجاد حالت معکوس جمعیت ضروری و واجب است. اگر شرایطی برای گاز مهیا شود یک تشعشع پیوسته با شدت بسیار بالا ایجاد خواهد شد. همه لیزرها (دستگاه های تولید کننده پرتوهای لیزر)، تقویت کننده هایی هستند که با تحریک کردن یک محیط فعال که بین دو آینه که یکی از آنها اندکی شفاف است کار می کنند. محیط فعال، مجموعه ای از اتم ها، ملکول ها و یا یون هایی که مخصوصا انتخاب گردیده اند و می توانند به حالت جامد، مایع یا گاز باشند که وقتی تحریک می شوند، پرتوهایی از جنس نور منتشر می کنند (فوتون ها). تحریک مایعات و جامدات به کمک نور یک لامپ فلاش حاصل می شود و گازها به کمک تخلیه الکتریکی تحریک می شوند.

برای تولید اشعه لیزر ضروری است که اشعه های خارج شده در اثر تحریک به کمک طراحی و تعبیه یک اتاقک تشدید کننده کاملا به صورت موازی درآیند. اگر در دو طرف یک لوله حاوی گاز دو آینه با قابلیت انعکاس بسیار بالا قرار گیرند، اولین موج خروجی که به آینه برخورد می کند تمام فوتون های آن به صورت موازی برگشت می کنند و دوباره از داخل گاز عبور داده می شوند و اتم های بیشتری را تحریک می کنند. بنابراین یک سیستم خود نوسان کننده به وجود خواهد آمد که می تواند بدین صورت اشعه لیزر تولید کند. بنابراین می توان گفت که هر دستگاه لیزر شامل سه قسمت اساسی است:

– ماده لیزر: منظور ماده ای است که در اثر تحریک و تشعشع، اشعه لیزر تولید

می کند.

– قسمت تولید و حفظ معکوس جمعیت (شامل فلاش لامپها، لامپهای قوسی و — سیستم موازی کننده اشعه

شکل 2 اجزای اصلی یک لیزر ساده را نشان می دهد. محیط فعال از هر چه تشکیل شده باشد شامل میلیون ها اتم، ملکول و یا یون می باشد که وقتی تحریک شوند جذب انرژی می کنند و بعد از یک مدت زمان بسیار کوتاه، انرژی خود را به صورت فوتون آزاد کرده و به وضعیت قبلی خود باز می گردند. این ذرات به همین شکل باقی می مانند تا وقتی که دوباره تحریک شوند. فوتون های آزاد شده، بسته به محور اپتیکی دستگاه لیزر در تمام جهات حرکت می کنند. اگر یک فوتون به اتم پر انرژی دیگری برخورد کند باعث آزاد شدن زودتر از موعد فوتون از آن اتم شده و هر دو فوتون به صورت هم فاز تا برخورد بعدی حرکت می کنند و به این ترتیب جریانی از فوتون ها با چگالی فزاینده ایجاد می شود (شکل 3). فوتون هایی که موازی با محور اپتیکی حرکت نمی کنند، به سرعت از سیستم حذف شده و بقیه، در مسیری که به طور قابل ملاحظه ای از طریق بازگشت اپتیکی توسط آینه ها گسترش می یابند حرکت می کنند تا این که از درون آینه ای که به طور جزیی شفاف است خارج شوند (شکل 4). این عمل نه تنها باعث تولید فوتون های بیشتری برای به دست آوردن توان لازم محسوب می شود، بلکه یک پرتو نوری همدوس با تمرکز بالا که نقطه مهم لیزر نیز محسوب می شود، به وجود می آورد.

شکل 2 : اجزای اصلی یک لیزر ساده

شکل-3

شکل-4

چگالی توان، در امتداد قطری پرتو خروجی لیزر یکنواخت نیست و به ماده فعال لیزر، ابعاد داخلی آن، طرح بازگشت اپتیکی و سیستم تحریک به کار رفته بستگی دارد. برش های عرضی یک پرتو لیزر که نشان دهنده توزیع توان است مد عرضی الکترومغناطیس (Transverse Electromagnetic Mode – TEM) نامیده می شود. انواع مختلفی از TEM می تواند تولید شود که هر یک توسط یک عدد مشخص می شود. به طور کلی هر چه این عدد بزرگتر باشد، متمرکز کردن لیزر بر روی یک نقطه کوچک برای به دست آوردن چگالی توان بالا مشکل تر است و چون این مورد در چوش لیزر حایز اهمیت فراوان است معمولا از و ترکیباتی از آنها استفاده می شود. شکل 5 مقطع های اصلی پرتوی لیزر را نشان می شدهد. بعضی دستگاه های لیزر انواع مختلفی از این ها را می توانند پدید آورند که به آنها دستگاه هایی با عملیات چند مده (Multi-mode operation ) اطلاق می شود.

شکل-5: مقطع مدهای اصلی پرتوی لیزری

1-5: اصول فرآیند جوشکاری با اشعه لیزر

جوشکاری با فرآیند لیزر فرآیندی است که در آن به کمک حرارت به دست از آمده از برخورد اشعه نوری به یک سطح، یک منطقه مذاب و یک به هم آمیختگی از مواد ایجاد می شود که پس از انجماد، یک اتصال بین مواد ایجاد می کند. این اشعه به شدت کوهرنت و متمرکز شده و به سمت سطح قطعه شلیک می شود. هنگامی که اشعه لیزر روی نقطه مورد نظر متمرکز می شود، فلز را ذوب کرده و به سرعت یک منطقه جوش کوچک و باریک با راندمان اتصال بسیار بالا ایجاد می کند در حالی که کمترین خسارت را نیز بر قطعه وارد می کند. برای این که ذوب موضعی باشد و به اطراف پراکنده نشود کنترل دقیق اشعه ضروری است.

دو نوع فرآیند جوشکاری با لیزر صنعتی وجود دارد: با هدایت محدود (Limited Conduction) و با نفوذ عمیق. این دو تکنیک به فلز پر کننده نیازی ندارند و از ماده اصلی به عنوان فلز پر کننده استفاده می کنند. در فرآیند جوشکاری لیزر با هدایت محدود، فلز در سطح خود، پرتو لیزر را جذب می کند. قسمت زیرین سطح کاملا توسط هدایت حرارتی گرم می شود و در معرض تابش مستقیم اشعه لیزر قرار نمی گیرد. فرآیند جوشکاری لیزر با هدایت محدود از لیزرهای با توان متوسط (کمتر از 1kw) بهره می برد.

فرآیند جوشکاری لیزر با نفوذ عمیق، که کاربرد عمده جوشکاری لیزر با این روش است به لیزر با انرژی بالا نیاز دارد. این روش اصولا یک تکنیک جوشکاری ذوبی سوراخ کلیدی است که از چگالی توان بسیار بالا (که با متمرکز کردن پرتو لیزر بر روی یک نقطه خیلی کوچک به دست می آید) استفاده می کند. برای انجام یک جوش لیزر سوراخ کلیدی، پرتو بر روی سطح قطعه ای که باید جوش بخورد متمرکز می شود. پس از برخورد پرتو به سطح قطعه، مقدار زیادی از آن به دلیل خاصیت بازتاب دهندگی فلز، انعکاس می یابد، اما همان میزان جذب شده سطح ماده را گرم می کند و موجب می شود که بخار یونیزه شده فلزی با خاصیت جذب انرژی پدید آید. این امر باعث می شود بیشتر انرژی بازتاب یافته دوباره جذب شود.

در چگالی توان بالا در حد ، تبخیر سریع فلز، یک سوراخ کلید (یک لوله استوانه ای با قطر کم) پدید می آورد. با عمیق شدن این سوراخ نور متناوبا درون آن پخش می شود و باعث افزایش جذب انرژی لیزر توسط ماده می شود. فشار بخار درون سوراخ از فرو ریختن دیواره آن که متشکل از فلز مذاب است جلوگیری می کند. در جوش ضربانی در هنگام تکمیل شدن ضربان، فلز مذاب به مرکز سوراخ کلید ریخته و منجمد می شود و به این ترتیب یک جوش با عیب بریدگی لبه جوش به وجود می آید. علت بروز این عیب تبخیر اولیه ماده به هنگام شکل گیری سوراخ کلید است. در جوش با جریان پیوسته با پیشروی منبع حرارت، فلز مذاب در قسمت پشتی سوراخ فرو ریخته و منجمد می شود و این عمل منجر به تشکیل برآمدگی هایی روی سطح ناحیه جوش با شکل V می شود که نوک این V متوجه نقطه شروع جوشکاری است. سطح جوش بسیار تمیز است و در مقایسه با تکنیک های معمول جوش قوسی، ظاهر زیبایی دارد.

سوراخ کلید در فولاد در چگالی توانی حدود به وجود می آید. در این سطح توان، ناحیه جوش تمایل دارد که عمیق و پهن باشد. در این حالت شبیه جوش های سوراخ کلیدی پلاسما نیاز به یک پرتو بلند با زمان طولانی تداخل با قطعه برای تشکیل سوراخ کلید می باشد (مرز بین جوشکاری با هدایت محدود و جوشکاری با نفوذ عمیق). در مقابل، در چگالی توان هایی در حد ، جوش ها عمیق و باریک بوده و به زمان کوتاهی برای تداخل نیاز دارند و همین امر باعث کوتاه شده زمان جوشکاری می شود. در چگالی توان هایی که بزرگتر از می باشند، شرایط برشکاری و سوراخ کاری فراهم می گردد.

1-6: موارد کاربرد جوشکاری با لیزر

در ابتدا متخصصان بر این باور بودند که لیزر قابلیت نفوذ در تمام مواد را دارد تا این که به کمک روش های مخرب و غیر مخرب، تعیین خواص مکانیکی و همچنین بررسی ساختار میکروسکوپی جوش های مختلف، مشخص شد که بعضی از مواد قابلیت پذیرش جوشکاری با لیزر را به خوبی دارا هستند در حالی که بعضی از مواد نیز به دلایل مخلتف قابلیت کمتری دارند. به طور کلی فلزات و آلیاژهایی که قابلیت جوشکاری به کمک این فرآیند را دارا هستند عبارتند از : سرب، مس، فلزات نجیب، آلومینیم، تیتانیم و آلیاژهای این فلزات، فلزات دیرگداز نظیر مولیبدن، فولادهای گرم کار کم کربن و کربنی، فولادهای استحکام بالای کم آلیاژی، فولاد های زنگ نزن و آلیاژهای نسوز پایه نیکل و پایه آهن.

از این فرآیند در صنایع اتومبیل سازی (که مورد بحث ما می باشد)، هواپیماسازی و صنایع فضایی و همچنین صنایع الکترونیک در سطح بسیار وسیعی استفاده می شود. تعدادی از قطعات که با این روش جوشکاری می شوند عبارتند از :

– بدنه اتومبیل های سواری و دیفرانسیل و کوپلینگ های اتومبیل

– شیرهای هیدرولیکی

– تفنگ الکترونی تلویزیون

– تیغه های گیوتین و تیغ اره ها

– مبدل های حرارتی و لوله از جنس فولاد زنگ نزن

– همزن دستگاه های مخلوط کننده که در صنایع غذایی کاربرد دارند.

– انتقال دهنده های الکترونی-اپتیکی نظیر انتقال دهنده های پیام در کشتی ها

شاید در ابتدا چنین تصور شود که از جوشکاری لیزر فقط در مواردی استفاده می شود که قطعات کوچک و ظریف هستند اما از این فرآیند در جوشکاری قطعات بسیار حجیم و بزرگ که یک جوش با کیفیت و دقت بسیار بالا مورد نیاز است نیز استفاده می شود. به عنوان مثال در شکل 6 یک یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک نشان داده شده است که با اشعه لیزر جوشکاری می شود.

این یاتاقان از جنس فولاد زنگ نزن 321 می باشد که ضخامت، قطر و ارتفاع دارند.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *