جوشکاری لیزری با موج پیوسته CW laser welding

جوشکاری لیزری با موج پیوسته

۱.مقدمه

همانطور که در بخش عملکرد دستگاه لیزر اشاره شد، عملکرد موج پیوسته (CW) به این معنی است که لیزر روشن است و تا زمانی که خاموش شود روشن باقی می ماند. حداکثر توان خروجی از لیزر CW برابر با توان متوسط آن است. بنابراین، یک لیزر 1 کیلو وات CW تنها می تواند حداکثر توان 1 کیلووات را تولید کند. این در تضاد با لیزر پالسی است که می تواند توانی چند برابر میانگین آن تولید کند.

لیزر CW برای سرعت و نفوذ استفاده می شود، برخلاف لیزر پالسی مورد بحث در بخش پارامتر های لیزرپالسی، که در درجه اول برای کاربردهای ظریف استفاده می شود. لیزرهای حالت CW می توانند فیبر یا دیود باشند و می توانند در حالت سوراخ کلید/نفوذ یا هدایت، همانطور که در بخش مکانیزم جوش لیزری توضیح داده شد، استفاده شوند.

۲.جوشکاری سوراخ کلید/نفوذی

همانطور که در بخش مکانیزم جوش لیزری اشاره کردیم ، اگر چگالی توان لیزر به بالای 106 وات بر متر مکعب (W/cm2) افزایش یابد، لیزر ماده را فراتر از نقطه تبخیر آن گرم می‌کند و منجر به ایجاد یک عنصر تبخیر شده به نام “سوراخ کلید” می‌شود. به داخل قطعه کار نفوذ می کند. سوراخ کلید دو شرایط کلیدی پردازش را فراهم می کند. اولین مورد این است که تقریباً 100 درصد جذب نیروی لیزر (بدون توجه به جذب فلز جامد) را امکان پذیر می کند. دوم این است که سوراخ کلید مانند یک مجرا عمل می کند، شبیه به یک لوله نور، و انرژی لیزر را به طور موثر به مواد می رساند.

راندمان بالای حالت سوراخ کلید در ایجاد عمق می تواند در سراسر محدوده عمق جوش استفاده شود. به عنوان مثال می توان به جوشکاری با سرعت بالا زبانه های نازک باتری، یا جوش های بسیار عمیق تر برای بسیاری از اجزای قطار قدرت خودرو، مانند گیربکس ها و مبدل های گشتاور اشاره کرد.

شکل زیر نگاه دقیق تری به فرآیند از جمله ستون جوشکاری، جریان سیال فلز مذاب و پایداری سوراخ کلید ارائه می دهد. همچنین عناصر فرآیند جوشکاری سوراخ کلید/نفوذ را نشان می دهد، از جمله فلش هایی در حوضچه مذاب که جریان سیال را نشان می دهد و در سوراخ کلید فشار بخار را نشان می دهد.

جوشکاری سوراخ کلید تعادل بین نیروهای سیال حوضچه مذاب و فشار بخار سوراخ کلید است. شایان ذکر است که این یک وضعیت بسیار پویا است و شکل سوراخ کلید به سرعت در حال تغییر است. جوشکاری قابل اعتماد زمانی حاصل می شود که تعادل پایدار باشد، البته با واریانس های موضعی.

۳.پارامترهای لیزر موج پیوسته

با لیزرهای CW، سه پارامتر لیزر مورد توجه عبارتند از: اندازه نقطه نوری، کیفیت پرتو و قدرت. اولین و آخرین مورد آشناترین آنها هستند، اما انتخاب کیفیت پرتوی خاص با وضوح، به جای صرفاً گاوسی یا صفحه تخت، یک مفهوم جدیدتر است.

۱.۳اندازه نقطه نوری

لیزرهای CW توان اوج بالای لیزر پالسی را ندارند، بنابراین اندازه نقطه نوری برای اطمینان از چگالی توان کافی برای جوشکاری کوچکتر است. در بیشتر کاربردهای جوشکاری از اندازه نقطه نوری در حدود 0.003-0.015 اینچ (0.05-0.3 میلی متر) استفاده می شود. هنگامی که به اندازه های نقطه واقعا کوچک نیاز است، ممکن است از لیزر تک حالته استفاده شود که می تواند اندازه نقطه نوری حدود 0.001 اینچ (0.025 میلی متر) را ارائه دهد.

۲.۳ کیفیت پرتو قابل انتخاب

کیفیت پرتو، که عدد M2 نیز نامیده می‌شود، به این اشاره دارد که لیزر چقدر می‌تواند فوکوس شود و توزیع مقطع چگالی توان را از طریق پرتو مشخص می‌کند. به بیان ساده، مقدار M2 مقایسه لیزر با لیزر کامل با حالت گاوسی خالص است.

لیزر تک حالته و لیزر چند حالته که در بخش 1.4.2.3 تعریف شده‌اند، در دو انتهای طیف M2 قرار دارند. لیزر “کامل” دارای مقدار M2 1، لیزر تک حالته دارای M2 1.1-1.3، و لیزرهای چند حالته دارای مقدار M2 بزرگتر از 2 هستند.

ممکن است کسی این سوال را بپرسد: “آیا یک تیر عالی تر همیشه بهتر نخواهد بود؟” پاسخ “نه!” در جوشکاری لیزر افزایش نفوذ و سرعت ارتباط مستقیمی با کیفیت بهتر پرتو دارد. با این حال، پایداری جوش و تطبیق تحمل قسمت یا موقعیت به نفع کیفیت تیر کمتر است. بنابراین، برای هر فرآیند تولید معین، کاربران باید تعادلی بین عملکرد جوش، کیفیت جوش و اندازه پنجره فرآیند پیدا کنند. لازم به ذکر است که همیشه گزینه کاهش کیفیت پرتو برای مطابقت با کاربرد وجود دارد، اما پس از خروج لیزر از ژنراتور لیزر، افزایش کیفیت غیرممکن است.

تمام جوش‌ها در فولاد ضد زنگ با ضخامت 0.06 اینچ نشان داده شده‌اند – (الف) نشان‌دهنده یک لیزر فیبری تک حالته 500 وات با مقدار M2 1.2 در 300 اینچ در دقیقه (IPM) با اندازه نقطه 30 میکرون است. (ب) یک لیزر چند حالته 700 وات با مقدار M2 15 در 100 IPM با اندازه نقطه 150 میکرون را نشان می دهد. و (ج) یک لیزر فیبر چند حالته 1 کیلوواتی با مقدار M2 15 در 80 IPM با اندازه نقطه 250 میکرون را نشان می دهد. شکی نیست که نفوذ و سرعت لیزر تک حالته چشمگیر است.

با این حال، این به هندسه های جوشکاری لبه ای قطعاتی که به اتصال بیش از مقاومت مکانیکی نیاز دارند محدود می شود. از دیدگاه اقتصادی، استفاده از لیزر با توان کمتر همیشه هدف است، زیرا هزینه سرمایه کمتر، بازگشت سرمایه (ROI) بیشتری را فراهم می کند.

برای جوشکاری میکرو نقطه ای کوچک، قطر جوش مورد نیاز معمولاً کمتر از 100 میکرون (0.004 اینچ) است و کیفیت پرتو بالا ضروری است. در بسیاری از موارد، این کاربردها به یک نقطه متمرکز در حدود 30 میکرون (0.0012 اینچ) نیاز دارند، که از کیفیت پرتو پایین‌تر جلوگیری می‌کند.

۳.۳قدرت لیزر

توان یکی از پارامترهای لیزر اولیه برای لیزرهای CW است. این بخش یک راهنمای کلی در مورد تأثیر افزایش قدرت بر ابعاد جوش همراه با قدرت در مقابل سرعت ارائه می دهد. داده‌ها فقط برای مرجع ارائه شده‌اند و با استفاده از تنظیمات نوری رایج و مقادیر کیفیت پرتو برای این نوع جوش‌ها انتخاب شده‌اند.

۴.نمونه هایی از جوشکاری لیزری CW

۵. جوشکاری هدایتی

جوش رسانایی همانطور که در بخش مکانیزم جوش لیزری توضیح داده شد در چگالی توان بسیار کمتری نسبت به جوشکاری سوراخ کلید رخ می دهد. برخلاف ماهیت دینامیکی جوشکاری سوراخ کلید، جوش رسانایی یک گزینه جوشکاری بسیار پایدار ارائه می دهد. جوش رسانایی اغلب به دلیل نیاز به کیفیت های زیبایی شناختی یا اجتناب از ذرات تولید شده توسط جوشکاری سوراخ کلید انجام می شود.

هنگامی که بر روی فولاد ضد زنگ استفاده می شود، جوش رسانایی حاصل ظاهری بسیار صاف و بسیار زیبا دارد که می تواند روی سطح قسمت خارجی استفاده شود. در آب بندی درز جوش باتری، برخی از سازندگان از جوش رسانایی استفاده می کنند تا اطمینان حاصل شود که هیچ ذره ای نمی تواند وارد حجم داخلی باتری شود.