مکانیزم جوش لیزری

مکانیزم جوش لیزری

۱.۱ لیزر به عنوان منبع گرمایش

  جوشکاری لیزری مستلزم آن است که لیزر دمای ماده مورد جوش را افزایش دهد. لیزر باید توسط مواد جذب شود تا باعث افزایش دما شود. در واقع، لیزر بر روی مواد متمرکز می شود، مشابه روشی که خورشید می تواند توسط یک ذره بین متمرکز شود. تفاوت این است که چگالی توان لیزر چندین مرتبه بالاتر است، حدود 106 وات بر سانتی متر مکعب (وات بر سانتی متر مربع).

 شکل۱ مکانیسم جذب لیزر در قطعه و گرمایش بعدی قطعه را نشان می دهد. فوتون‌های نور لیزر، بسته‌های انرژی نوری که لیزر را می‌سازند، به مواد برخورد می‌کنند و به طور جزئی یا کامل جذب می‌شوند. انرژی فوتون در شبکه مواد جذب می شود و باعث ایجاد فوتون یا امواج گرمایی در شبکه می شود. جذب مکرر فوتون ها در نهایت منجر به گسستن و ذوب شبکه می شود.

شکل۲ یک  شماتیک مبتنی بر زمان از جذب لیزر برای جوشکاری را نشان می دهد. حتی برای فلزاتی که به خوبی جذب می شوند، مانند فولاد، لیزر در ابتدا منعکس می شود. درصد کمی از لیزر جذب می شود و سطح فلز را گرم می کند. افزایش دمای سطح باعث افزایش جذب نیروی لیزر می شود. این یک اثر گلوله برفی ایجاد می کند که در آن مواد به سرعت توسط لیزر گرم می شوند و منجر به ذوب شدن و تشکیل جوش می شود.

۲.۱ حالت های جوشکاری لیزری

لیزر یک فرآیند با چگالی توان بالا است که یک قابلیت جوشکاری منحصر به فرد را برای به حداکثر رساندن نفوذ با حداقل حرارت ورودی ارائه می دهد. جوش زمانی ایجاد می شود که نور شدید لیزر به سرعت مواد را گرم می کند – معمولاً در کسری از میلی ثانیه. بر اساس چگالی توان موجود در اندازه نقطه فوکوس، سه نوع جوش وجود دارد: حالت هدایت، حالت سوراخ کلید انتقال، و حالت نفوذ/ سوراخ کلید.

حالت هدایت – جوشکاری حالت هدایت در چگالی انرژی کم، معمولاً حدود 0.5 مگاوات بر سانتی‌متر مربع انجام می‌شود و یک قطعه جوش کم عمق و پهن را تشکیل می‌دهد. گرمای ایجاد جوش در ماده با هدایت از سطح رخ می دهد. معمولاً این می تواند برای کاربردهایی استفاده شود که نیاز به جوش زیبایی دارند یا زمانی که ذرات نگران کننده هستند، مانند برنامه های خاص آب بندی باتری.

حالت انتقال – حالت انتقال در چگالی توان متوسط، در حدود 1 مگاوات بر سانتی‌متر مربع رخ می‌دهد و به دلیل ایجاد چیزی که به عنوان “سوراخ کلید” شناخته می‌شود، نفوذ بیشتری نسبت به حالت هدایت دارد. سوراخ کلید ستونی از فلز تبخیر شده است که به داخل ماده امتداد می یابد. قطر آن بسیار کوچکتر از عرض جوش است و در برابر نیروهای مواد مذاب اطراف توسط فشار بخار مقاوم است. عمق سوراخ کلید در مواد توسط چگالی توان و زمان کنترل می شود. از آنجایی که چگالی نوری سوراخ کلید کم است، به عنوان مجرای برای رساندن انرژی لیزر به مواد عمل می کند.

همانطور که در شکل  بالا نشان داده شده است، اگر بتوان جوشکاری رسانایی را به عنوان یک منبع نقطه ای در نظر گرفت که از سطح گرم می شود، سوراخ کلید را می توان به عنوان یک منبع خطی در نظر گرفت که از داخل فلز گرم می شود و منبع جوشکاری کارآمدتری را فراهم می کند. در حالت انتقال، زمان یا چگالی توان برای ایجاد اما نه گسترش سوراخ کلید به عمق قطعه کافی است. بنابراین، جوش‌ها نفوذ کم عمقی با نسبت ابعاد جوش معمولی (عمق/عرض) در حدود 1 نشان می‌دهند. این حالت جوش تقریباً به طور انحصاری توسط لیزرهای پالسی Nd:YAG و فیبر برای بسیاری از کاربردهای جوشکاری نقطه‌ای و با ورودی حرارت کم استفاده می‌شود.

حالت سوراخ کلید یا نفوذ – افزایش چگالی توان بیش از 1.5 مگاوات بر سانتی‌متر مربع، جوش را به حالت سوراخ کلید تغییر می‌دهد که با جوش‌های باریک عمیق با نسبت ابعادی بیشتر از 1.5 مشخص می‌شود. شکل زیر نشان می دهد که چگونه عمق نفوذ وقتی که چگالی توان بیش از 1 مگاوات بر سانتی متر مربع است به سرعت افزایش می یابد و حالت جوش را از رسانایی به جوشکاری سوراخ کلید/نفوذ تغییر می دهد.

جوشکاری در حالت نفوذی یا سوراخ کلیدی با جوش های باریک مشخص می شود. این تحویل مستقیم نیروی لیزر به مواد، عمق جوش را به حداکثر می‌رساند و گرما را به مواد به حداقل می‌رساند و ناحیه تحت تأثیر حرارت و اعوجاج بخشی را کاهش می‌دهد.

در این حالت سوراخ کلید، جوش را می توان با سرعت های بسیار بالا – بیش از 20 اینچ در ثانیه با نفوذ کوچک معمولاً زیر 0.02 اینچ (0.5 میلی متر) – یا با سرعت پایین تر، با نفوذ عمیق تا 0.5 اینچ تکمیل کرد. 12 میلی متر).

برای مشاهده دستگاه مرتبط با این مقاله اینجا کلیک کنید.