شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
جوشکاری با لیزر

جوش کاری و ماشین کاری توسط لیزر

عنوان مقاله : جوش کاری و ماشین کاری توسط لیزر
تهیه کننده : نسیم گلی
دانشگاه فناوری های نوین قوچان

جوش کاری و ماشین کاری توسط لیزر

تاریخچه و مقدمه:
تاریخچه کشف لیزر به سالهای ۱۹۶۰ برمی‌گردد. اولین بار تولید لیزر از گاز ۲CO در سال ۱۹۶۱ با طول موج ۱۰/۶mm توسط جوان، بِنِت و هیرت (Javan, Bennett, Hereto ) صورت گرفت و در سال ۱۹۶۴ لیزر با طول موج ۱/۰۶mm از Nd:YA ۶ تولید شد.
از سال ۱۹۶۲ به بعد گزارشهای متعددی در زمینه کاربردهای متالورژیکی لیزر که شامل جوشکاری نیز می‌باشد، موجود است. تا سال ۱۹۷۰ از لیزرهای با توان بالا و پیوسته در جوشکاری استفاده نشد و از لیزرهای پالسی استفاده شد. مشخصه اصلی در جوشکاری لیزری و اشعه الکترونی توسط Ready در سال ۱۹۷۱ وجود حالت جوشکاری نفوذی یا (سوراخ کلیدی) در تابش لیزر گزارش شده‌است. در واقع ایجاد سوراخ کلید در فلزات، در شدّ‌تهای بالای لیزر (MW/cm3 ) است و در نتیجه Keyhole نیاز به یک زمان کافی برای ایجاد شدن دارد و نمی‌تواند به آسانی در جوشکاری لیزری پالسی Overlap ایجاد شود. از سالهای ۷۲ـ۱۹۷۱ به بعد استفاده از لیزرهای CO2 پیوسته این مسیر را تغییر داد. جوشهایی با نفوذ کامل در مقیاسهای بزرگ فولاد زنگ نزن مانند جوشهای اشعه الکترون در حالت سوراخ کلیدی ایجاد شدند. این تحقیقات در کشورهای ژاپن، آلمان و انگلستان انجام شدند. پیشرفتهای بعدی در جوشکاری لیزری ۲CO بر بهینه‌سازی بیشتر، منابع لیزر، افزایش کیفیت باریکه لیزر و فهم اندر کنش طراحی اتصال، سرعت جوشکاری، تمرکز اشعه و اثرات پلاسما در جوش‌پذیری متمرکز شد. مطالعات در این زمینه تا توانهای KW 15ـ۱۲ ادامه یافته‌است. جوشکاری با Nd: YA ۶ به علّت کم بودن طول موج آن (۱/۰۶mm ) و کاهش باز تابش از مواد فلزی استفاده بیشتری نسبت به ۲CO می‌تواند داشته باشد. در سالهای آینده استفاده از لیزرهای دیودی (Diode ) پیشرفت لازم را دارد.
لیزر یک نام اختصاری به معنی تقویت نور با انتشار برانگیخته تابش است . فرآیند به برخورد یک اشعه نور تکرنگ همفاز جهت دار و شدید به قطعه کاری که ماده به وسیله تبخیر از آن خارج میشود بستگی دارد .
جوشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود .به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .
جوشکاری با لیزر بطور گسترده ای در صنایع اتومبیل سازی فضایی ، الکترونیک و صنایع سنگین برای اتصال فلزات مختلف بکار گرفته می شود. در صنایع اتومبیل سازی لیزرهای قدرت بالا جهت جوشکاری قسمت های زیادی از قبیل بدنه ، اگزوز و … استفاده می شود گزارش شده در حدود ۷۰ میلیون درز جوش در سال ۲۰۰۰ بطور کلی در سال ۲۰۰۰ بطور مناسب جوشکاری شده که این آمار در سال ۲۰۰۱ به ۹۵ میلیون می رسد.
بطور کلی با مسائلی چون آخال، سوراخهای سطحی لایه بی شکل با ترکهای زیرین و ترک انجمادی که در اثر جوش با لیزر پدید می آید اغلب مواجه هستیم. صنایعی که از لیزر استفاده می کنند همیشه به دنبال روش های اقتصادی برای بهبود کیفیت جوش و کاستن از سختی در آماده سازی قطعات بوده اند یک تکنیک جوش که با ترکیب دو لیزر قوی که به “جوشکاری با دو پرتو” معروف است. در سالهای اخیر مورد تحقیق قرار گرفته استو آزمایشات ابتدایی نشان داد که پرتوی دوتایی دارای چندین مزیت نسبت به حالت تک پرتو میباشد. در مورد آزمایشات جوش با پرتو الکترول “EB” که بوسیله شخصی بنام arataetal انجام شد که در آن نیز از دو پرتو الکترون برای جوشکاری استفاده می شد ، ثابت شد که اگر یک پرتو دنبال پرتو اول وارد حوضچه مذاب شود می تواند سرعت جوشکاری را تا ۵۰% افزایش دهد در فرآیند پرتوهای دوتایی ، می تواند دو پرتو در دو طرف قطعه قرار گیرد یا اینکه تست سر هم باشد.
شخصی به نام (منراد با ناس) از یک آیینه خم پذیر جهت منشعب کردن یک پرتو لیزر به دو پرتو استفاده کرد که جهت افزایش بیشتر تلرانس تنظیم از حالت دو طرفه استفاده کرده نتایج یم آزمایش نشان دار جهت جوشکاری درزها با fit upتارانس ها عبور پیدا کرده استفاده از حالت دو طرفه مناسب تر است. برای یک لیزر تک پرتو محاسبات ساده نشان می دهد که فاصله بین دو صفحه جهت جوشکاری برای صفحات نزدیک به هم برابر ۱۰ در صد ضمانت ورق و برای جوش قطعاتی که خم خورده باشند به ۲۵% می رسد استفاده از پرتو لیزر دو طرفه در بهبود fitup تلرانس جوش در درزها مناسب است.
بر طبق گزارشات پرتوهای لیزر دوتایی که پشت سر هم قرار گرفته اند نسبت به لیزرهای تک پرتو دارای مزایای بیشتری از قبیل کیفیت می باشد. یکی از مزایای جوشکاری با دو پرتو شامل کاهش سرعت سرد شدن در بیش از فولادهای پر در کن می باشد گفته شده است که زمان سرد کردن بین ۸۰۰ تا ۵۰۰ درجه می تواند از ۸/۳ به بیش از هفت افزایش یابد که این کار با افزایش فاصله بین دو پرتو (فاصله ورودی)که شامل دو پرتو ۵ کیلو وات بوده انجام گردیده یک آزمایش بر روی ۴۱۴۰ AISI که بوسیله (lix &kannaty) انجام گردیده یک لیزر بر روی سطح متمرکز شده و عمل جوشکاری را انجام می دهد و دیگری بصورت یک باند در فاصله ۱۰ میلیمتری از اولی حرکت می کندکه نسبت به حالت تک پرتویی باعث سرعت سرد شدن کمتری شده در نتیجه کاهش سختی و تشکیل درصد حجمی کمتری مارتنزیت را منجر می شود.
همچنین گزارش شده است لیزرهای دو تایی باعث کم شدن ها و همچنین جلوگیری از ترک خوردگی جوشکاری در آلیاژهای آلومینیوم می شوند. هنگامی که قسمت عمدۀ لیزر اول بر روی سطح متمرکز شده و لیزر دوم بصورت غیر متمرکز فاصله ۲ میلیمتری بالای قطعه کار قرار دارد مقدار آخال می تواند بصورت زیادی کاهش یابد.

جوشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود.به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .

نور لیزر:
تشکیل شده از یک هسته اشعه تک فرکانس موازی همفاز ودارای انرژی متمرکز در سطح مقطع کوچک.
اصول تولید نور لیزر :
بر مبنای تئوری اینشتین (تحریک اتم توسط انرژی خارجی)بنا نهاده شده است.
الکترونهای مدار خارجی هر اتم بر اثر دریافت انرژی به مدارهای بالاتر می پرند در این حالت اتم را تحریک شده می گویند.اتم تحریک شده بلافاصله توسط الکترونش انرژی دریافتی خود به مدار قبلی بر می گردد در صورتی که اتم در حالت تحریک شده مجددا تحریک شود برگشت الکترون به مدار پایین سریع شده و دو موج کاملا مشابه همزمان با بازگشت الکترون به سطح قبلی انرژی خود از اتم خارج می شود این عمل را نشر تحریک گویند.
بدین صورت که امواج مشابه همدیگر را تقویت کرده و تقویت این امواج توسط نشر تحریک شده اصول عملکرد لیزر است .
ساختمان وفرایند سیستم لیزر:
محیط لیزری: ماده ای که به عنوان تقویت کننده نور عمل می کند
دمنده:یک چشمه انرژی خارجی است
تشدید گر:یک دسته آینه به منظور تولید پرتو لیزری از لوله نوری استفاده می شود که سطح داخلی آن کاملا آینه ای بوده و دو طرف آزاد این لوله توسط دو سطح آینه ای دیگر مسدود شده که یکی از این سطوح ۱۰۰درصدآینه ای ودیگری ۹۰ درصد آینه ای بوده و یک منبع انرژی به منظور تولید انرژی لازم برای تحریک اتمها در داخل لوله نصب شده که معمولا انرژی نورانی تولید نموده امواج انرژی در برخورد با ماده لوله که معمولا گاز یا جامد است باعث تحریک اتمهای این جسم شده و این امواج در برخورد با جدارهای لوله مرتبا منعکس شده و امواج منعکس شده اتم را مجددا تحریک می کنند .بطوریکه وقت اکثر اتمها(از نصف بیشتر)به حالت نشر تحریک شده (فوتون)در آینه قرار می گیرند و پرتوی لیزری قابلیت عبور از سطح آینه ۹۰ درصد را پیدا می کند و آنچه خارج می شود به نام لیزر می نامیم .

جوشکاری با لیزر

فرآیند جوشکاری لیزر
جوشکاری لیزری تعادلی بین گرمایش و سرمایش در یک حجم مشخص از یک یا دو ماده جامد است که منجر به تشکیل ماده مذاب و انجماد آن می‌شود.در جوشکاری لیزری پرتو لیزر در نقطهٔ کوچکی متمرکز می‌شود و باشدتی که در آن نقطه ایجاد می‌کند باعث ذوب و حتی بخار کردن فلز می‌شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند، آینه‌های خنک شونده توسط آب بجای عدسی‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
مشخصه جوشکاری لیزری ایجاد ناحیه مذاب مایع بوسیله جذب شدّ‌ت اشعه‌است که این اجازه رشد و گسترش حوضچه مذاب به درون ناحیه فصل مشترک جامد را داده و در نتیجه یک اتصال پیوسته میان اجزایی که متصل خواهند شد ایجاد می‌شود.
اتصالات ناموفق زمانیکه ناحیه مذاب خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد و یا اگر تبخیر ماده پیش از حد باشد، اتفاق می‌افتد. کیفیت جوش متناسب با تبخیر عناصر آلیاژی، گرادیان حرارتی اعمالی که منجر به ترک انجماد می‌شود تحلیل می‌شود.
عدم تعادل در حجم و مقیاس ناحیه جوش منجر به ایجاد تخلخل می‌شود. دستیابی به تعادل بین گرمای ورودی و خروجی به جذب ثابت تابش لیزر و توزیع یکنواخت گرما در قطعه کاری بستگی دارد. مسیر تابش لیزر به درون قطعه معمولاً بوسیله تجمع گازهای داغ در نقطه تمرکز لیزر مختل می‌شود.
در شرایط خاص این گاز داغ به یک ابرپلاسما تبدیل می‌شود که شدیداً بر باریکه لیزر اثر گذاشته و آنرا جذب و پخش می‌کند. اولین مراحل تحقیق در جوشکاری لیزری، مشخص کردن پارامترهای مؤثر بر تعادل بین گرمایش و سرمایش و منطقه جوش و مذاب و جامد و تکرارپذیری جوش لیزری و توسعه روشهای کنترل این پارامترها است ویژگی منحصر بفرد لیزر نسبت به سایر روشها بالا نرفتن حرارت قطعه کار( حداکثر ۶۰ درجه سانتیگراد) در حین عملیات جوشکاری یا برش می باشد. در این روش از پرتوی لیزر برای جوشکاری استفاده می‌شود. در جوشکاری لیزری دانسیته انرژی فراهم‌شده، بسیار بیش‌تر از جوشکاری با دیگر فرایندها است.
از لیزرهای مختلفی مانند «لیزر گاز کربنیکی» یا لیزر یاقوت برای جوشکاری می‌توان استفاده کرد. دقت می شود که انرژی پرتو، آن‌قدر زیاد نباشد که باعث تبخیر فلز شود.
در نتیجه جوشکاری یعنی گرم کردن ماده در محل اتصال و در نهایت جوش خوردن پس از سرد شدن.
در این فرآیند باید حرارت چنان کنترل شود که منطقه حرارت دیده تبخیر نشود که این مساله بیشتر در محلهایی که دارای نقاط ذوب مختلف است بیشتر نشان می دهد.

جوشکاری با لیزر

فیزیک فرآیند جوشکاری با لیزر:

شعاع لیزر با شدت ۱۰۰۰۰ وات بر متر مربع به سطح فلز می تابد که بیشتر نور تابیده شده بازتاب می شود و فقط کمی از لیزر جذب لایه های مرزی فلز می شود که با گذشت زمان کافی به کالبد جسم نفوذ پیدا می کند.
هر چی فلز گرمتر شود مقاومت آن ودر نتیجه میزان جذب انرژی بالاتر می رود.
ناحبه ذوب تا حدودی به صورت نیمکره در می آید به علت جابجایی مذاب وپارامترهای دیگر پهنای جوش یکی دو برابر عمق آن هر چی فلز گرمتر شود مقاومت آن ودر نتیجه میزان جذب انرژی بالاتر می رود.

انواع جوشکاری لیزری:
۱ـ جوشکاری هدایتی: در شکل هدایتی جوشکاری، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می‌گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی نسبتاً کم انرژی تر است که معمولاً جوشکاری‌های کم عمق تر با آنها انجام می‌شود.
۲ـ جوشکاری نفوذی یا سوراخ کلیدی: جوشکاری با لیزرهای پر انرژی معمولاً در پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد در این قسمت است که ذوب و تبخیر فلز اتفاق می‌افتد.
تفاوت اساسی در این دو حالت آن است که در حالت اوّل سطح ناحیه جوش شکسته نمی‌شود و در حالت جوشکاری نفوذی سطح ناحیه جوش باز می‌شود تا باریکه لیزر به درون ناحیه مذاب نفوذ کند.
همچنین حالت جوشکاری هدایتی نگرانی کمتری بخاطر عدم نفوذ لیزر به درون ماده ایجاد می‌کند در نتیجه جوشکاری هدایتی کمتر مستعد جذب گاز در هنگام جوشکاری است. در جوشکاری نفوذی بسته شدن غیرپیوسته سوراخ کلید منجر به تشکیل تخلخل در جوش می‌شود. حالتهای هدایتی و نفوذی در جوشکاری نقطه‌ای به یکدیگر تبدیل می‌شوند که این به شدّ‌ت قله توان لیزر و عرض پالس بستگی دارد.
سوراخ کلید توسط لیزر معمولاً برای فولاد در چگالی توان تقریبی اتفاق می‌افتد. در چنین حالتی جوش کم عمق و پهن است. امّا در چگالی توان‌های جوشهایی عمیق و نازک که زمان برهم کنش کمتری نیاز دارد بدست می‌آید که این اجازه جوشکاری با سرعت بیشتر را می‌دهد. از آنجا که جوشکاری لیزر یک روش با چگالی انرژی بالا است نیازبه هدایت گرما برای ایجاد نفوذ عمیق ندارد و این برخلاف روشهای معمول و مرسوم جوشکاری قوس و گاز است که از طریق هدایت گرما به نفوذ دست می‌یابند.
در حالت جوشکاری هدایتی مدارهای هم دما بصورت یکسان و با فاصله یکسان از منبع قرار دارند. عرض جوش در این حالت معمولاً بزرگتر از عمق و انرژی ورودی بیشتر از مقدار لازم برای نفوذ است. در حالت سوراخ کلید یا نفوذی منبع حرارت لیزر از سطح به داخل ضخامت ماده منتقل می‌شود و جوش عمیق و نازک بوجود می‌آید. همچنین در این حالت مقدار گرمای ورودی به حداقل می‌رسد.

موارد کاربرد:
-ترمیم سطوح ترک خورده
-جلوگیری از نشتی
-جبران سائیدگی قطر شفت ها
-پرکردن شیارهای نا خواسته در ماشینکاری
– تعمیر و بازسازی مته ها و تجهیزات حفاری
-تعمیر و بازسازی پره های توربین نیروگاه گازی و بخار حتی در ناحیه ریشه
-ترمیم و بازسازی مبدل های حرارتی
ترمیم و بازسازی قطعات انواع پمپها –
-ترمیم و بازسازی قطعات روتور و استاتور
-قابل استفاده در صنایع نفت گاز پتروشیمی – پالایشگاه ها- نیروگاه ها- صنایع خودرو – صنایع پزشکی – صنایع غذایی و قالبسازی.

جوشکاری توسط پرتو لیزر در صنعت بشکل روزافزونی در حال گسترش است از میکرو الکترونیک تا کشتی سازی . تولید انبوه خودکار در این بین از بیشترین توسعه برخوردار گشته‌اند که این پیشرفتها را می‌توان مرهون عوامل زیر دانست:
۱-حرارت ورودی محدود
۲-منطقه حرارت پذیرفته کوچک
۳-میزان ناصافی اندک
۴-سرعت بالای جوشکاری
این خصوصیات جوشکاری لیزری را گزینه منتخب بسیاری از قسمت‌های صنعتی کرده که از جوشکاری مقاومتی در گذشته استفاده می‌کردند.
کاربرد های لیزردر ترمیم قطعات دقیق صنعتی:
-ترمیم ترک
-افزایش قطر شفت ها
-جبران سائیدگی سطوح
-جوش قطعات غیر همجنس

دو روش عمده برای جوشکاری لیزر وجود دارد:
یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جوش پیوسته شکل بگیرد و دیگری که
مرسوم تر است جوش دادن باچند سری پرتاب اشعه است
در جوشکاری لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می گیرد و به خاطر کوتاه بودن این زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ لازم ندارد.
طراحی اتصال در جوشکاری لیزر :
بهترین طرح اتصال برای این نوع جوشکاری طرح اتصال لب به لب میباشد.
مزایای جوشکاری لیز:
-عدم فرسایش الکترود و آلودگی
-در هوای آزاد می توان انجام داد
-امکان جوشکاری فلزاتی با دمای ذوب بالا
-امکان جوشکاری فلزات غیر هم جنس
-امکان جوشکاری فلزاتی با اشکال هندسی پیچیده
-شعاع لیزر تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار نمی گیرد
-اعوجاج ناشی از اثرات حرارتی بسیار کم است.
-حوضچه مذاب می تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود.
-محدوده بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غیر همجنس و … را میتوان به یکدیگر جوش داد.
-در این روش میتوان مکان های غیر قابل دسترسی را جوشکاری نمود.
-از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمی شود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست
-اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلایی برای عملکرد ندارد.
– جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیز تر است .

محدودیت ها و معایب جوشکاری لیزر
سیستم های جوشکاری لیزرنسبت به سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( ۲۵ تا ۲۵۰ میلیمتر در دقیقه ) . همچنین این نوع جوشکاری دررای محدودیت عمق نیز می باشد.

موارد استفاده اشعه لیزر
از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاری استفاده می شود . این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال ها کاربرد دارد . از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود . به طور کلی این روش جوشکاری برای استفاده های دقیق و حساس استفاده میشود . از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژآن برای جوش دادن درزهای بلند استفاده نمود.

جوشکاری فلزی توسط لیزر:
جوشکاری توسط پرتو لیزر در تولیدات صنعتی بشکل روزافزونی در حال گسترش است و دامنه استفاده آن از میکرو الکترونیک تا کشتی سازی گسترده شده است. تولید انبوه خودکار در این بین از بیشترین توسعه برخوردار گشته اند که این پیشرفتها را می توان مرهون عوامل زیر دانست
حرارت ورودی محدود منطقه حرارت پذیرفته کوچک میزان ناصافی اندک سرعت بالای جوشکاری این خصوصیات جوشکاری لیزری را گزینه منتخب بسیاری از قسمتهای صنعتی کرده که از جوشکاری مقاومتی در گذشته استفاده میکردند. با توجه به خصوصیات منحصر به فرد این روش می توان بکارگیری گستردهٔ آنرا در زمینه کاربردهای مختلف انتظار داشت
فرآیندهای ترکیبی که از ترکیب لیزر و قوس MIG استفاده می کنند برای قرار گرفتن بر سطحی که بایستی جوشکاری در آن انجام شود طراحی شده اند. علاوه بر این تجهیزات ویژهٔ بکار گرفته شده بشکل قابل توجهی ابزارهای مورد نیاز برای آماده سازی لبهٔ مورد نظر برای جوشکاری را کاهش می دهند. آلیاژهایی که برای سیمهای پر کننده در قسمت درز گیری بکار میروند باعث یکدست شدن فیزیکی آن ناحیه میشوند. علاوه بر این فرآیندهای ترکیبی بکار گرفته شده قادر اند سرعت انجام کار را بشکل قابل توجهی افزایش دهند. همچنین در نفوذ عمقی و درزگیری کلی هم موثرند. پیشرفتهای بی نظیر اخیر در زمینه دیودهای لیزری موقعیت جدیدی را برای حل مشکلات همیشگی صنعتی فراهم کرده است. البته باید در نظر داشت که این فرآیندها برای همگون شدن با قسمتهای مورد نظر بایستی بشکلی اختصاصی تغییر یابند.
لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند ۲ ۱۰kw در حال حاضر در جوشکاری بدنهٔ اتومبیلها، قسمتهای حمل و نقل، مبادله کننده های حرارتی و پر کردن حفره ها مورد استفاده قرار میگیرند. سالها لیزرهای یاقوتی کمتر از۵۰۰w برای جوش بخشهای کوچک مورد استفاده قرار می گرفتند. برای مثال قسمتهای کوچک و ظریف ابزارهای پزشکی، بسته های الکترونیکی و حتی تیغ های اصلاح صورت. لیزرهای یاقوتی چند کیلوواتی از گذراندن پرتو از فیبرهای نوری استفاده میکردند. اینکار بسادگی توسط روبوت ها انجام می شد و دامنه وسیعی از کاربردهای سه بعدی مثل برش لیزری و جوش بدنه اتومبیلها را ممکن میکرد
پرتو لیزر در نقطه کوچکی متمرکز می شود و باشدتی که در آن نقطه ایجاد می کند باعث ذوب و حتی بخار کردن فلز می شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند، آینه های خنک شونده توسط آب بجای عدسی ها مورد استفاده قرار می گرفتند. جوشکاری بطور کلی به دو شکل انجام می شود. در شکل هدایتی جوشکاری، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی نسبتا کم انرژی تر است که معمولا جوشکاری های کم عمق تر با آنها انجام می شود. جوشکاری با لیزرهای پر انرژی معمولا در پر کردن حفره ها مورد استفاده قرار میگیرد. در این قسمت است که ذوب و تبخیر فلز اتفاق می افتد.

انواع لیزر:
لیزرهای حالت جامد
لیزرهای مایع
لیزرهای گازی
لیزرهای نیمه رسانا
لیزرهای الکترون آزاد
لیزر حالت جامد

کاربرد:
مته کاری – برشکاری – جوشکاری

ویژگی:
معمولابصورت پالسی از لوله نوری خارج شده
بالاترین انرژی لیزری را داراست

طرز کار لیزر جامد:
معمولا جسم جامد مورد استفاده کریستالهای اکسید آلومینیوم می باشدکه ۰٫۰۵% ناخالصی کروم دارد.برای تحریک این نوع لیزر از منابع نورانی استفاده می شود.
منبع نورانی برای تحریک یک فلاش لامپ است که شبیه فلاش دوربین عکاسی عمل می کندکه با نور شدید خود کریستالهای اکسید آلومینیوم را تحریک کرده و یونهای فعال ناخالص کروم جایگزین اتمهای ALدر شبکه می شود که تعداد بیش از نیمی از یونها باید در تراز بالاتر تحریک شوند واین تحریک بصورت پالسی است که راحت تر و هزینه کمتری دارد.وقتی اتمهای کروم تحریک شده به حالت اول خود بر می گردند از خود گرما و انرژی نورانی (فوتون)منتشر می کنند فوتونهای تولید شده با دیگر اتمها برخورد کرده و باعث تولید فوتونهای دیگر با طول موج های مشخص می شوند.این فوتونها به سمت جلو و عقب توسط آینه ها منعکس می شوند.در نتیجه تعداد فوتونها افزایش یافته و انرژی بیشتری تولید می شود تا اینکه از آینه جزئی عبور کرده و تفنگ لیزری را تولید می کند این نور از عدسی همگرا گذشته و روی یک نقطه متمرکز می شود.

لیزرهای گازی:
کاربرد:
اندازه گیری-مته کاری-جوشکاری-عملیات حرارتی-فرایندهای علمی و…
ویژگی:
چگالی کم( درنتیجه برای دستیابی به توان زیاد باید از لیزرهای گازی بزرگ استفاده کرد)
همگنی بیشتر نسبت به جامدات
سرمایش راحت تر نسبت به جامدات
تحریک راحت تر اتها در تخلیه گازی

طرز کار لیزر گازی:
ولتاژی چند کیلو واتی به دو سر لوله ای که حاوی گاز با فشار کم است اعمال شده موجب تخلیه گاز می گردد. در این تخلیه الکترونها و یونهای زیادی بوجود آمده که الکترونها توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و در برخورد با یونها و اتمهای خنثی آنها را تحریک خواهند کرد . بقیه مراحل مانند طرز کار عموم لیزرها میباشد.

لیزر های مورد استفاده در صنعت :
سوئیچی است که بوسیله آن می توان لیزر راکنترل کرد . این وسیله می تـواند یک دیافـراگم مکانیکی یا یک رنگ سفـید شـدنی یا دسـتگاهی باشـد که برمبنای مـختـلف الـکـتریکـی – اپتیـکی استـوار باشـد که اغلب ازسوئیچ صوتی اپتیکی استفاده می شود .
این لیزر هنگام عمل بر روی قطعه کار ایجاد امواج صوتی می کند .
به عــلـت کوچـک بـودن طول موج این نوع لیزر در مـوارد زیـر از آن اسـتفاده می شود :

۱- درمـورد فلزات شدیدا بازتـابنـده نظیر طلا و مس ازلیزرفوق استـفاده می شود .
۲- با توجه به وقوع پلاسما قابلیت نفوذ این نوع لیزر بیشتر است .
۳- امکان انتقـال شعـاع های این لیزر توسط فیبـرهای نوری وجود دارد که باعث بالا رفتن قابلیت انجام فرایند ساخت می شود .
۲- لیزر که از نوع گازی است .
تولید پرتوی لیزر در اثر تخلـیه در گاز دی اکسـید کربن مـی باشد که در اثـرتخلیـه ، یونها بوجود آمده واز برخورد یون ها و الکـترون ها فـوتون ساطع شـده ، که با تقویـت وافزایـش فوتون ها نور لیزر می تواند از آینه ۹۰ % گـذشته وتوسـط یک عدسـی هـمـگرا یا یـک آینـه همگرا متمرکز شود . پرتو تولیدی بـصورت مادون قـرمـز با طول موج ۱۰٫۶ میکرون تولید می شود . این لیزر راندمان بالایی دارد ودر برشکاری و بورینگ و سوراخکاری بسیار استفاده می شود .
دقت ابعادی ۰٫۰۲۵± تا ۰٫۱ ± وسطح پرداخت را دارد . فاصله کانـونی عدسی در صنعت ۲ تا ۵ اینـچ است و بـرای خنک کاری لوله نوری از تجهیزات هوای خنـک در دستگاه های کوچک وآب خنک در دستگاه های بزرگ استفاده می شود .

جوشکاری با لیزر

نوع دیگر جوش کاری لیزری:
دستگاه های لیزر سی ان سی را می توان به دو دسته دستگاه های لیزر فلزات و دستگاه های لیزر غیر فلزات تقسیم کرد. دستگاه های CNC لیزر فلزات می توانند عملیات مختلفی انجام دهند که یکی از آنها جوشکاری لیزر ی است. جوشکاری لیزر براساس اندازه ی ناحیه ی مؤثر از لیزر به دو دسته تقسیم می شود:
الف) جوش میکرونی با لیزر:
این روش در جوشکاری لیزر و لحیم کاری اتصالات دقیق فلزی مانند آنچه در مدارهای الکترونیکی یافت می شود انجام می شود.
از این روش که توانایی جوش فلزات غیر مشابه را دارد، می توان در ترانزیستورها، پرده های توربین و قطعات سوخت نقطه ای استفاده کرد. یکی دیگر از مزیت های این روش نبود اثرات گرمایی است، زیرا بسیاری از مدارها، نمی توانند دمای بالای لحیم کاری معمولی را تحمل کنند.
ب) جوش کاری لیزری عمیق:
در این روش، لیزر به طور پالسی (پرتو پر قدرت لیزر) مواد را سوراخ می کند، ناحیه مذابی که کنار سوراخ ایجاد شده به داخل حفره ایجاد شده رفته و مواد را به هم جوش می دهد. از کاربردهای این روش جوشکاری لیزر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• جوش کاری سیم های انتقال قدرت در اتومبیل،
• کپسول های الکترونیکی مهر و موم شده،
• جوش کاری ورق انتهایی در یک مجموعه پیستون اتومبیل در نزدیکی واشر نایلونی،
• جوش کاری سیلندرهای آتش نشانی،
• جوش کاری اگزوزهای بسته،
• جوش کاری تیغه های ماشین اصلاح (ریش تراش)،
از دیگر کاربردهای جوشکاری لیزری میتوان به جوش محصولات فلزی مانند ماشین های شستشو و مبدل های گرمایی، میله های آلومینیمی، پنجره هایی که شیشه ی دو جداره دارند و … اشاره کرد.

مفاهیم اولیه ماشین کاری با لیزر
۱-منبع انرژی همدوس : لیزر یک منبع انرژی همدوس است که پرتو آن بصورت یک لکه بسیار کوچک است .
همدوسی : موج نوری( پرتو ) بوجود آمده و موج نوری (پرتو ) بوجود آورنده لیزر همفاز هستند . یعنی تغییرات زمانی میدان الکتریکی دو موج یکسان هستند .
۲-سوراخ کلید در ماشین کاری با لیزر :
بعضـی از الکـتـرون های ماده (قطعه کار) در اثـر تبـخـیر ناگـهانی ماده آزاد شـده و بـاعث فرایـنـد یونیـزاسیـون می شود که به این ترتیب درجه حرارت بالا رفـتـه و در نـتـیجـه جـذب انـرژی تـشـدیـد شـده وبا افـزایش ناگهانی جذب ، ماده بیشتری تبخیر شده و با افزایش تبخیر ماده حفره ای در قطعه کار بوجود می آید که به سوراخ کلید معروف است .
۳- ابر پلاسما:
ایجاد سوراخ کلید با افزایش گازهای داغ در درون حفره ادامه می یابد ، در دماهای بسیاربالا بخارات ماده از سوراخ کلید فرار کرده و باعث فرو ریختن حفره در اثر نرسیدن انرژی به سطح ماده می شود ، این اشکال بنام ابرپلاسمامعروف است که جهت غلبه بر این عیب ازراه های گوناگون مانند جت گاز استفاده می شود .

بنابراین کل پروسه ماشین کاری و نحوه براده برداری با شعاع لیزر بصورت مراحل زیر است :
۱- دما روی سطح ماده به دلیل قرار گرفتن در معرض لیزر توزیع می شود .
۲-حرارت به ناحیه نفوذ می کند.
۳- ناحیه به دمای ذوب رسیده ویک چاله مذاب درموضع تابش تشکیل می شود .
۴- ناحیه به نقطه جوش و نهایتا تبخیر رسـیده اسـت و یک سـوراخ کلیـد بخـاطر تبخـیر ماده بـوجود مـی آید . بدیهـی است که نواحی و و را مـی تــوان بــا کنترل دانسیته انرژی لیزر تنظیم کرد .

ماشین کاری ظریف با لیزر:
مقـاومـت به روش های مختـلفی ساخته می شود . یـکـی از این روش ها روش فـیــلم نازک است . در این عمـل ماده هـادی ، مثـل نیکـل کـروم ، اکسید قلع و یا نیترات تانتالیم ، روی یک ورق عایق مثل اکسید آلومینیم ( آلومین ) می نشانند وآنرا بیـن دو الکترود قرار می دهند و با برداشـتن ماده از روی سطح ، مقاومت افزایش می یابد و یا توسط برش یا سوراخ کردن ، مقاومت خاصی را ایجاد می کنند .

در عملیات حرارتی به کمک لیزر دو مشکل وجود دارد:
۱٫درجه حرارت بیش از حد مورد نیاز برای فاز آستنیت
۲٫خاموش کردن این فاز (به کمک سیستم های خنک کننده سریع)
آلیاژ دهی و روکش دهی سطحی:
در این فرآیند ابتدا سطح مذاب شده و در نهایت مواد آلیاژ دهی به سطح اضافه می شود تا ترکیب شیمیایی دهد که توسط دانسیته سطحی توان و زمان فرآیند کنترل می شود. با نرخ تبرید بالا سطح قطعه ساختمان ریز و همگن بدست می آید.
توان و زمان فرآیند هم ۲الی۳برابر سختی دهی سطحی است.
ویژگیها:
۱٫تک رنگی عالی:دارای یک فرکانس و طول موج یکسان است.
۲٫موازی بودن عالی:انحراف خیلی ناچیز در حد ۰٫۰۱تا۰٫۰۰۰۱
۳٫قابلیت تمرکز شدید با چگالی قدرت زیاد
۴٫درخشان بودن
۵٫پیوسته بودن:هم فاز و هم فرکانس

ماشین‌کاری به کمک لیزر و چشم‌انداز آینده آن:
نرخ رشد ثبت شده از نرخ متوسط استفاده از ماشین‌های ابزار نشان می‌دهد که بخش لیزر آینده درخشانی خواهد داشت. این نوع ماشین‌ها در آینده انعطاف بیشتری خواهند یافت و عملکرد و قابلیت اعتماد آنها با نیازهای آینده سازگار خواهد بود. در آینده فروش ماشین‌های لیزر، وسیع‌تر از ماشین‌های ابزار خواهد بود. یک ماشین لیزر شامل یک سیستم کنترل عددی با استفاده از فرایند معمولی ماشین‌کاری و یک لیزر انعطاف‌پذیر و قابل نفوذ خواهد بود. اگرچه ماشین‌های لیزر، متعلق به دسته وسیعتری از ماشین‌های ابزار می‌باشد، که تیم‌های آن، انعطاف‌پذیرتر و جدیدتر خواهد بود. اما تمایلات فروش آنها زیاد فرق نمی‌کند. اگر ما تمایلات فروش ماشین ابزار را در جهان در ربع اخیر قرن در نظر بگیریم، می‌بینیم که حجم خرید معمولاً ثابت است. بجز رشد کوچکی که در دهه ۹۰ داشتیم، که دلیل آن بحران معروف در ابتدای سال دهه اخیر بود. در مقایسه، ماشین‌های لیزر، رشد ثابتی از ۱۰% به ۱۵% تجربه کردند. اگر چه فروش ماشین‌های لیزر کمی تحت تاثیر بحران اخیر که مربوط به ماشین ابزار بود قرار گرفت، اما تنها نرخ رشد فروش آنها کمی تغییر کرد که تحت تاثیر فروش جهانی قرار گرفت. در سال ۲۰۰۰ حجم فروش ۵ برابر مقدار سال ۱۹۸۵ بود که مقدار افزایش قابل توجهی را نشان می‌دهد. در این صورت انعطاف‌پذیری این تکنولوژی افزایش می‌یابد. اگرچه یک ماشین لیزر را می‌توان با ماشین ابزار مقایسه نمود. اما از آن به عنوان یک ربات تخصصی استفاده می‌شود. در حقیقت این روش، یک سیستم و مکانیزم با محورهای کنترل عددی است که یک ابزار برشی بدون سایش و غیرمادی را مدیریت می‌کند و علاوه بر این می‌تواند به آسانی برنامه‌ریزی شده و برای هر نوع ماشین‌کاری آماده شود. در جهانی که انعطاف‌پذیری تولید و زمان رسیدن به فروش، از جمله فاکتورهای ضروری برای موفقیت یک شرکت می‌باشند. ماشین‌های قابل انعطاف مانند لیزر از جمله وسایل غیرقابل انعطاف، مانند لیزر از جمله وسایل غیرقابل جایگزینی می‌باشد. به این ترتیب ماشین‌های لیزر، نه تنها تکنولوژی‌های سنتی را حمایت می‌کنند، بلکه به دلیل افزایش عملکرد آنها، جایگزین آنها می‌شوند. در سال ۲۰۰۰، ماشین‌های لیزر با توان بالا (بیشتر از W1500) در صنایع فولاد و آهن استفاده می‌گردید که اینها تعدادی بالغ بر ۳۵۰۰ دستگاه بودند که ۱۰% آنها در کاربردهای جوشکاری، ۹۰% بقیه در کاربردهای برشکاری به کار می‌رفت. در بخش فروش، دو نوع مختلف از ماشین‌های لیزر وجود دارد. برشکاری دوبعدی و سه‌بعدی، برش دوبعدی شامل کاربردهای برشکاری بر روی یک صفحه می‌باشد که معمولاً توسط ماشین‌هایی که با سه محور کنترل عددی تجهیز شده‌اند، این کار صورت می‌گیرد. این ماشین‌ها اگر با یک محور چرخنده (Rotary) اضافی ترکیب شوند، می‌تواند مقاطع استوانه که معمولاً زیر مجموعه مقاطع تخت هستند را ماشین‌کاری نمایند. در حقیقت محور چرخنده از دو محور کارتزین تشکیل شده است که آن را به محور سوم اختصاص می‌دهیم. برشکاری سه‌بعدی، در حقیقت برای کاربردهایی در فضای سه‌بعدی مانند اجزاء بدنه می‌‌گردد، که نیازمند استفاده از ۵ محور ماشین می‌باشند. هر محور اجازه چرخش اشعه کنترل‌شده لیزر را با توجه به شکل قطعه‌ای که ماشین‌کاری شده است را می‌دهد. این نوع ماشین‌های لیزر، ۱۰% مجموع فروش را به خود اختصاص می‌دهد. در حقیقت بیشترین حجم فروش را ماشین‌های برش دوبعدی تشکیل می‌دهند.
دسته‌بندی جالب دیگر، مربوط به ساختار این ماشین‌ها می‌باشد که ممکن است به نوع مدل‌های اپتیکی آن که دارای تکنولوژی پیشرفته است و ماشین‌های هیبرید که فقط با مدل‌های اپتیک در حال حرکت با یک محور تجهیز می‌شود ارتباط دارد که حرکت آن از میز کار ناشی می‌شود. این تکنولوژی قدیمی‌تر است و عملکرد آن کمتر است زیرا در حوزه ماشین ابزار، در صورتی که قطعه ماشین‌کاری شده ثابت باشد کیفیت ماشین‌کاری بهتر است و عملیات گذاشتن و برداشتن قطعه‌کار راحت‌تر می‌باشد. در محدوده ماشین‌های دوبعدی، تکنولوژی اپتیکی، دوسوم فروش را می‌پوشاند که یک‌سوم بقیه شامل ماشین‌های هیبریدی و ترکیبی می‌باشد که با کله‌گی لیزر و دستگاههای پانچ با همدیگر ترکیب شده‌اند. نوع دیگر دارای تنوع کمتری است و فروش آن کمتر از ۱۰% می‌باشد. در تحلیلی که توسط موسسه تحقیقات آلمان صورت گرفته است و مقادیر فروشی که توسط سازندگان ماشین‌های لیزر در سرتاسر دنیا انجام گرفته است، فروش اینگونه ماشین‌ها در حال پیشرفت می‌باشد و آنها نرخ رشد را کمتر از مقدار ثبت‌شده در ۲۰ سال اخیر نمی‌دانند. براساس این اطلاعات فروش ماشین‌هایی که با مبدل CO2 تجهیز شده‌اند و به طور ثابت در ۵ سال آینده دارای رشد خوبی خواهد بود و ماشین‌هایی که با لیزر Nd:YAG تجهیز شده‌اند انتظار می‌رود که فروش آنها افزایش یابد. همچنین کاربردهای سه‌بعدی، نرخ رشد بیشتری از دوبعدی دارند که به دلیل افزایش عملکرد آنها و سرعت برش و قدرت و توان بیشتر در مقایسه با سیستم‌های سنتی است که دارای انعطاف کمتر و قیمت بیشتری می‌باشند. در آینده ماشین‌های پیچیده‌تر، گسترش بیشتری می‌یابند و قابلیت اعتماد، انعطاف‌پذیری آنها بیشتر خواهد بود. در آینده این روش انعطاف‌پذیرتر، سریعتر و کم‌هزینه‌ترین روش تولید خواهد بود.
منابع:
www.niazerooz.com
www.laserwan.net
http://mandp.ir
www.sid.ir

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

پاسخ دهید

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

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.