جوشکاری لیزری- پرتو پردازش مواد3
لیزر برش ایران سبز
کلینیک تخصصی پوست، مو، زیبایی و لیزر ماه شیراز

جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی

مرجع : بازدید : 225
مطالب » مقالات علمی » مقالات علمی لیزر صنعتی » پنجشنبه 28 دی 1396 در 39 : 20
جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی  دو نوع اساسی جوشکاری در مد چاله کلیدی، جوشکاری لیزری و باریکه الکترونی هستند. نوع سوم که در حال مطالعه است جوشکاری با باریکه یونی می باشد. منبع انرژی برای جوشکاری الکترونی (Electron beam welding) الکترونها و برای جوشکاری لیزری (laser beam welding) فوتونها هستند. دانسیته انرژی در هر یک از این جوشکاری ها در محدوده 1013-1010  وا ...
جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی

جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی

جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی

 دو نوع اساسی جوشکاری در مد چاله کلیدی، جوشکاری لیزری و باریکه الکترونی هستند. نوع سوم که در حال مطالعه است جوشکاری با باریکه یونی می باشد. منبع انرژی برای جوشکاری الکترونی (Electron beam welding) الکترونها و برای جوشکاری لیزری (laser beam welding) فوتونها هستند. دانسیته انرژی در هر یک از این جوشکاری ها در محدوده 1013-1010  وات بر متر مربع در مقابل، دانسیته قوس الکتریکی در محدوده  5*106 – 5*108  وات بر متر مربع است. خصوصیات بارز جوش لیزری و جوش با باریکه الکترونی عبارتست از : نفوذ بالا، تولید یک منطقه مذاب عمیق و باریک با دیواره های موازی و حداقل منطقه تحت تأثیر گرما.

 

جدول مزیتها و معایب جوشکاری لیزری و جوشکاری باریکه الکترونی

جوش لیزری

جوش الکنرونی

  1. نفوذ عمیق در بسیاری از مواد بجز در فلزاتی که انعکاس سطحی بالایی در طول موج لیزر دارند.
  2. شکل جوش بسیار باریک
  3. دانسیته انرژی بالا
  4. در هوا، در خلاء و در مجاورت گازهای محافظ قابل انجام
  5. نیاز به جفت کردن دقیق قطعات تحت جوش
  6.  تجهیزات گران قیمت
  7.  بازده الکتریکی پایین 12%
  8. عدم تولید اشعه X
  1. نفوذ عمیق در تمام موارد
  2. شکل جوش بسیار باریک
  3. دانسیته انرژی بالا
  4. نیاز به تولید خلاء برای شتاب گرفتن الکترونها
  5. نیاز به جفت کردن دقیق قطعات تحت جوش
  6. تجهیزات گران قیمت
  7. بازده الکتریکی بالا 99%
  8. تولید اشعه X

 

 جوش با استفاده از باریکه الکترونی Electron – Beam Welding) : EBW)         

در این روش قطعات مورد نظر برای جوش را در محفظه ایی قرار داده و هوای آن را تخلیه می کنند. در این عمل جوشکاری بوسیله بمباران الکترون هایی که از روی سطح کاتدی در همان محفظه قرار گرفته انجام می شود. با برخورد الکترونها به نقطه مورد نظر حرارت ایجاد می گردد که باعث ذوب فلز در منطقه برخورد میشود.

 جوش با استفاده از باریکه لیزری Laser – Beam Weldin) : LBW)         

مطالعات بنیادی در ارتباط با جوش لیزری از سال 1962 آغاز شد. در سال 1971 اولین بار انجام جوش لیزری عمیق توسط یک لیزر CO2 گزارش شد. در این روش انرژی لیزر روی سطح متمرکز شده، پرتوی لیزر متمرکز شده می ­تواند تولید حرارت کرده و فلز را ذوب کند فرآیند جوش لیزری به دو شکل می تواند انجام شود.

الف- لیزر توان پایین: جوشکاری رسانشی  ( conduction welding)  در توان های پایین لیزر صورت می ­گیرد. در این نوع جوشکاری لیزری توان تابشی روی سطح، باید به اندازه­ای باشد که، بتواند نقطه تحت تابش را به دمای ذوب برساند. در اینجا انتقال دما از طریق رسانش، ماده را ذوب کرده و جوش امکان پذیر می ­شود. توان آستانه در این حالت وابسته به ضریب دیفیوز گرمایی ماده A، رسانش گرمایی k، ضریب جذب ماده A، دمای ذوب ماده، دمای اولیه ماده  است. یک رابطه برای این توان آستانه بصورت زیر معرفی شده است:

 

                                                                     

ب- لیزر توان بالا: چنانچه شدت تابش لیزر به اندازه ای باشد که بتواند لایه ایی از ماده مذاب تولید شده را بخار کند، به­ این ترتیب یک چاله در درون حوضچه مذاب به ­وجود آمده که به آن چاله کلیدی (key hole) می گویند. از طریق مکانیزم­ هایی شبیه برمشترولانگ معکوس، پرتوی لیزر را جذب کرده و انرژی لیزر را به دام می اندازد. در این حالت منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) کاهش می ­یابد.

تعریف (heat affected zone): منطقه ایی که دمای ماکزیمم آن در حین جوشکاری از دمای ذوب کمتر است ولی آنقدر بالا است که باعث تغییر ساختاری ماده فلز مبنا شود این ناحیه حوضجه مذاب را در برمی­ گیرد.

 - لیزرهای مورد استفاده در جوش لیزری : جوش لیزری فلزات در صنعت، به لیزرهایی با عملکرد آسان، قیمت پایین و کیفیت بالا نیاز دارد. برای اینکه جوش اتفاق بیفتد باید سیستم لیزری یک شدت تابش را در محل تابش تولید کند. لیزرهای مهم جوشکاری صنعتی عبارتند از لیزر CO2 و لیزر Nd:Yag. برای بعضی از کاربردهای محدود نیز از لیزرهای ruby استفاده می ­شود. لیزرهای CO نیز در مرحله ارزیابی برای امکان بکارگیری در جوش لیزری هستند.

الف- لیزر  Nd:Yag

لیزر صنعتی Nd:Yag ، دارای توان خروجی تا 3 کیلو وات است.  اما پیشرفت در تکنولوژی لیزر، توان خروجی  4 کیلو وات را نیز برای این نوع لیزر امکان پذیر ساخته است. این لیزر در سه مد مختلف می تواند عمل کند که عبارت است از :

1- خروجی پیوسته   

2- خروجی پالسی 

 3- حالت Q سوئیچ

برای جوش لیزری در حالت پیوسته باید متوسط توان لیزر بالای 1 کیلو وات باشد چرا که در غیر این صورت چاله کلیدی تشکیل نمی­ شود.  در حالت پالسی لیزر معمولاً طول مدت زمان پالس بین 20-1 میلی ثانیه است و فرکانس پالس (نرخ تکرار پالس در ثانیه) بین 500-1 هرتز می باشد. حالت Q سوئیچ برای جوش لیزری بکار نمی ­رود، چرا که طول پالس کوتاه بوده و فرصت ذوب شدن و اتصال به ماده فلز را نمی ­دهد فقط تشکیل یک پلاسما با طول عمر بسیار کوتاه می کند.

ب- لیزر CO2

این لیزر دارای توان خروجی تا 50 کیلو وات است، که درصنعت برای جوشکاری لیزری پیوسته بسیار مناسب است. بدین منظور در این لیزر از بازة توان خروجی بین 10- 5 کیلو وات استفاده می ­شود. 

از جمله برتری های لیزر جوش Nd:Yag بر لیزر جوش  CO2 می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- افزایش کوپل شدن بازتاب فلز (بازتاب از سطح در طول موج لیزر Nd:Yag کمتر از طول موج COاست.)

2- افزایش بازده عملکرد، در مقایسه با یک لیزر CO2 با همان توان

3- مناسب جهت انتقال پرتوی لیزر به سطح کار با فیبر نوری

و از مزایای لیزر جوش CO2 بر لیزر جوش Nd:Yag می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- بازده بالای تبدیل توان الکتریکی به اپتیکی

2- هرینه تمام شده پایین

3- قابل دستیابی به توانهای بالا تا 50 کیلو وات 

  پارامترهای موثر در جوش لیزری

توان لیزر: اگر در جوشکاری لیزری از دانسیته توان پایین استفاده شود، جوشکاری در مد رسانشی انجام خواهد گرفت، که عمق نفوذ کمی را مطابق شکل2-1 تولید می­ کند و اگر شدت تابش لیزر بالا باشد باعث پاشیده شدن مذاب حوضچه به اطراف خط جوش شده و شکل جوش لیزری را  غیر قابل قبول می­ کند.

 

 

 

شکل2-1 عمق نفوذ لیزر در توانهای مختلف تابشی

 

سرعت جوشکاری: اگر سرعت جوشکاری لیزری پایین باشد، حوضچة مذاب تولید شده، بزرگ بوده و کنترل مذاب به سختی قابل انجام است. چنانچه سرعت جوشکاری لیزری بالا باشد، زمان ورود گرما پایین بوده و عمق نفوذ کم است. بخاطر تغییر دمایی شدید استحاله فازی مارتنزیتی به وجود می ­آید که باعث تردی و شکنندگی فلز جوشکاری شده می ­شود. در  شکل 1-3 تاثیر سرعت جوشکاری لیزر بر عمق نفوذ نشان داده شده است. در واقع سرعت جوش و عمق نفوذ یک رابطه عکس با یکدیگر دارند یعنی d=c/v که c یک عدد ثابت است و هر چقدر سرعت جوش لیزر بالا رود عمق نفوذ پایین می آید پس سرعت جوش از عوامل موثر در کیفیت جوش می باشد.

     

 

شکل 1-3 تاثیر سرعت جوشکاری بر عمق نفوذ

  

نقطه تمرکز لیزر: اگر نقطه تمرکز باریکه لیزر روی سطح باشد، پهنای­ جوش کوچکتری نسببه زمانی که پایین تر یا بالای سطح باشد تولید می­ کند.

عرض پالس:ا گر عرض پالس لیزر کوتاه باشد، باعث پاشیده شدن مذاب حوضچه به اطراف، کاهش حجم مذاب، و در نتیجه عدم اتصال مناسب می ­شود. عرض پالس بلند تولید حجم مذاب زیادی کرده که کنترل آن بسیار سخت شده و باعث تغییرات عناصر آلیاژی در فلز جوش  می ­شود. 

طول موج لیزر: لیزر Nd:yag بدلیل طول موج کوتاه تر، دارای بازتاب سطح کمتر، و جذب تابش کمتر توسط پلاسما است. 

علاوه بر موارد ذکر شده گاز محافظ و ترکیب های آن، مولفه های آلیاژی نمونه، پیش گرم کردن و نوع جنس فلز جوش هر کدام بر کیفیت جوش لیزری  موثر خواهند بود.

برای جوش لیزری دو فلز غیر همجنس باید نقطه ذوب دو فلز بهم نزدیک باشد و اگر نقطه ذوب یکی با نقطه تبخیر دیگری برابر باشد امکان جوشکاری لیزری ضعیف است. عناصر آلیاژی فرار موجود در فلز، که دمای تبخیر پایین تری نسبت به سایر عناصرآلیاژی دارند، امکان پایین آمدن شدید غلظت را در فلز جوش بعد از جوشکاری دارند که این باعث تفاوت ترکیبات در فلز جوش و فلز مبنا می شود.  این مسأله در هنگام تنشهای وارده بر فلز خود را بصورت عیوب جوش ظاهر می­ کند.در اینجا اثر طول موج لیزر و گازهای محافظ را بر چگونگی تغییر چگالی توان رسیده به سطح کار بررسی می­کنیم.

  چگونگی انتقال گرما به دیواره های حوضچه مذاب

بطور کلی می­توان پلاسمای تولید شده در فرآیند جوش لیزری را به دو قسمت تقسیم کرد. اول پلاسمای داخل چاله کلیدی که معروف به پلاسمای چاله ( keyhole plasma) و پلاسمایی که روی سطح و بالای چاله کلیدی قرارگرفته که به توده پلاسما (plasma plum) شناخته می­ شود. در داخل چاله کلیدی انرژی گرمایی به دو صورت به دیواره ها منتقل می­شود:

الف- در فاصله ای در حدود طول دبای پلاسما، در کناره دیواره­ها میدان الکتریکی شدیدی وجود دارد که الکترونها پس از شتاب­گیری به طرف دیواره­ها در این محدوده که حفاظ پلاسما نامیده می­شود با یونهای موجود برخورد کرده و ترکیب می­شوندو انرژی آزاد شده آنها بصورت گرما باعث گرم شدن دیواره ها می­گردد. این انرژی رسیده به دیواره ها فقط 20 تا 30 درصد توان لیزر تابیده شده است.

ب- فرآیند دیگری که سبب گرم شدن دیواره­های چالةکلیدی می­شود، جذب فرنل می­باشد که عبارت است از، جذب انرژی پرتو لیزر توسط ماده مذاب در اثر انعکاسهای مکرر پرتو در داخل چاله کلیدی. پس به این ترتیب، جذب باریکه لیزر در داخل چاله کلیدی توسط دو پدیده برمشترولانگ معکوس و جذب فرنل اتفاق می افتد.                                       

اشتراک گذاری برای دوستانتان :

مطلبهای مرتبط

چاپگر سه بعدی لیزری

چاپگر سه بعدی لیزری

درباره چاپگر سه بعدی  مبتنی بر لیزر بیشتر بدانید:        شاید امروزه نام چاپگر سه بعدی را در گوشه کنار سایت ها و اخبار تکنولوژی شنیده باشید، اما چاپگرهای سه بعدی به آن ...
روش‌های جدید جوش‌کاری لیزری

روش‌های جدید جوش‌کاری لیزری

  لیزرهای صنعتی در دنیای مدرن امروز نقش ویژه­ای دارند و از این لیزرها در صنایع بسیاری مانند خودرو سازی ، صنایع هوافضا، صنایع دفاع، صنایع برق و ... استفاده می­شود. لیزرها در مواردی مانند ...
لیزر CO2

لیزر CO2

لیزر CO2 لیزر CO2 یا لیزر دی اکسید کربن یک لیزر گاز مولکولی است که بر اساس مخلوط گاز حاوی دی اکسید کربن (CO2)، هلیوم (He)، نیتروژن (N2) و برخی از آنها هیدروژن (H2)، بخار آب یا زنون (Xe)  کار می ...
پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی با لیزر

پوشش دهی سطحی لیزری  پوشش دهی سطحی لیزری براي ايجاد لايه اي با خواص مطلوب در سطح قطعات در معرض شرايط خوردگی و سايیدگی بدون تاثیر بر خواص توده قطعه به كار مي رود. در سال هاي اخير پوشش هاي زمينه ن ...
نمایش همه
علاقه مندی ها ()