جوشکاری لیزری چیست؟ معرفی تکنولوژی جوش لیزری صنعتی

یکی از پیشرفته‌ ترین روش‌ها برای متصل کردن قطعات فلزی، استفاده از جوشکاری لیزری است. جوشکاری لیزری در صنایع مختلف استفاده می‌شود، چون دقت بالایی دارد، سرعت اجرای آن زیاد است و کیفیت جوش خیلی بالا است. همین عوامل باعث شده که جوشکاری لیزری در صنایع مختلف جایگاه ویژه‌ای برای خود اختصاص دهد.

در روش جوشکاری لیزری، پرتو لیزر با انرژی بالا برای ذوب کردن فلزی که در محل اتصال وجود دارد استفاده می‌شود. این پرتو می‌تواند حرارت زیادی ایجاد کند که در نهایت باعث ذوب سریع فلز شده و یک جوش یکپارچه و قوی در محل به وجود ‌آورد.

تعریف جوش لیزری

فناوری جوش لیزری شکل جدید و نوینی از جوشکاری ذوبی است. با کمک این روش و با ایجاد گرما از طریق تابش اشعه لیزر، می‌توان فرایند جوشکاری را انجام داد. در نتیجه فرایند جوشکاری لیزری در محل اتصال دو ماده حوضچه مذابی شکل می‌گیرد که باعث متصل شدن آن دو به همدیگر می شود.

برای جوشکاری لیزری ابتدا اشعه لیزر به سطح کار قطعه مد نظر تابانده می‌شود. این کار باعث ایجاد حرارت در سطح کار شده و حوضچه مذابی را تشکیل می‌دهد. می‌توان پارامترهای مختلف جوشکاری را متناسب با نوع ماده تنظیم کرد.

اصول فیزیکی لیزر در جوشکاری لیزری

دستگاه جوش لیزری پرتوهای لیزر را به صورت نورهای موازی و باریک ساطع می‌کند. این پرتوها طول موج مشخصی دارند و دارای یک سری ویژگی‌های منحصر به فردی هستند. به همین خاطر از دستگاه جوش لیزری در زمینه‌های مختلف چون پزشکی، هوافضا و غیره استفاده می‌کنند.

اساس کار لیزر

برای اینکه بتوانید با اصول فیزیکی لیزر بهتر آشنا شوید، در ابتدا شما را با مفهوم نشر برانگیخته می‌خواهیم آشنا کنیم.

نشر برانگیخته

وقتی یک فوتون به یک اتم برانگیخته برخورد کند، باعث می‌شود که اتم تحریک شده و با همان ویژگی فوتونی را گسیل کند. در واقع فوتون اول باعث می‌شود اتم دوم هم بتواند فوتون مشابهی تولید کند.

اجزای اصلی یک لیزر حال نوبت به این می‌رسد که اجزای اصلی لیزر را به شما معرفی کنیم تا با ساختار آن آشنایی بیشتری داشته باشید.

ماده فعال

این ماده می‌تواند از نوع گاز، جامد و یا مایع باشد که وظیفه آن تولید نور است.

محفظه اپتیکی یا تشدید کننده

محفظه اپتیکی یا تشدید کننده شامل دو نوع آینه است که یکی از آنها به صورت نیمه بازتابنده و دیگری به صورت کاملاً بازتابان است. نوری که تولید شده در داخل این محفظه به طور مداوم بین دو آینه در حال رفت و بازگشت است که این حالت باعث تقویت آن می‌شود.

منبع انرژی یا پمپ

انرژی لازم برای برانگیخته شدن اتم‌های ماده فعال از طریق منبع انرژی یا پمپ حاصل می‌شود.

مراحل تولید نور لیزر

تولید نور لیزر یک سری مراحلی دارد که در ادامه می‌خواهیم توضیحاتی مختصر راجع به آنها بدهیم.

پمپاژ

در ابتدا از منبع انرژی، الکترون‌های ماده فعال شده و به تراز انرژی بالاتری برانگیخته می‌شوند.

نشر برانگیخته

یک فوتون از انرژی خود به خود گسیل شده و باعث می‌شود که سایر الکترون‌ها برانگیخته شده و فوتون‌های مشابهی را گسیل کنند.

تقویت نور

الکترون هایی که گسیل شدند، به طور مداوم بین دو آینه در حال رفت و برگشت هستند و تعداد آنها به طور تصاعدی بیشتر می‌شود.

خروج نور لیزر

نوری که تولید شده، از آینه نیمه بازتابانده خارج شده و به صورت پرتو لیزر ظاهر می‌شود.

انواع لیزرهای جوشکاری لیزری

در جوشکاری لیزری، نوع لیزری که در این فرایند به کار رفته می‌تواند در کیفیت، سرعت و هزینه نهایی کار تاثیر مستقیمی داشته باشد. هر نوع لیزر یک سری مشخصات منحصر به فردی دارد و در صنایع خاصی از آن استفاده می‌کنند. در ادامه می‌خواهیم انواع اصلی لیزرهایی که در جوشکاری استفاده می‌شوند را معرفی کنیم تا با آنها بیشتر آشنا شوید:

لیزر دی اکسید کربن (CO2)

یک نوع از لیزرهای جوشکاری که استفاده از آن بسیار متداول است، لیزر دی اکسید کربن است. این نوع لیزر بنا به ویژگی‌های خاصی که دارد، در برخی صنایع کاربرد دارد.

ویژگی

لیزر دی اکسید کربن طول موج بالایی دارد و در کنار آن توان این لیزر بسیار بالا است. به همین خاطر می‌تواند در فلزات قابلیت نفوذ عمیقی داشته باشد. برای استفاده از لیزر دی اکسید کربن به سیستم‌های اپتیکی بزرگی نیاز است.

کاربرد

از لیزر دی اکسید کربن در صنایعی مثل: برش فلزات، حرارت دادن و ذوب کردن مواد و جوشکاری ورق‌های ضخیم استفاده می‌شود.

مزایا

لیزر دی اکسید کربن به دلیل ویژگی‌های خاصی که دارد، برای جوشکاری فلزاتی با ضخامت بالا و یا مواد غیر فلزی استفاده می‌شود.

معایب

این لیزر به سیستم‌های خنک کننده بزرگی نیاز دارد و تمرکز پرتو آنها نسبتاً دشوار است. از طرفی هزینه نگهداری این لیزرها بالاست، بنابراین برای برخی صنایع بزرگ این لیزرها کاربرد دارد.

لیزر فیبر (Fiber Laser)

نوع دیگری از لیزری که در صنایع مختلف از آن استفاده می‌کنند، لیزر فیبری است. این نوع لیزر معمولاً طول موج کوتاهی دارد و کیفیت پرتو آن بسیار بالا است. لیزر فیبری توان بالایی دارد ،اندازه‌های آنها کوچک بوده و قابلیت هدایت آنها هم آسان‌تر است.

کاربرد

لیزر فیبری برای جوشکاری‌هایی که به دقت و سرعت بالایی احتیاج دارند، خیلی مناسب است. آن دسته از فلزاتی که ضخامت کم و متوسط دارند، با کمک لیزر فیبری جوشکاری می‌شوند. از لیزر فیبری برای حکاکی و برش هم می‌توان استفاده کرد.

مزایا

لیزر فیبری راندمان بالایی دارد و در هر نوع محیط صنعتی می‌توان از آن استفاده کرد. هزینه نگهداری این لیزرها خیلی کم است و انعطاف پذیری آنها بالاتر است.

معایب

به آلودگی‌های محیطی حساس هستند و هزینه اولیه بالایی دارند.

لیزر دیودی (Diode Laser)

لیزرهای دیودی طول موج کوتاهی دارند، اندازه آنها خیلی کوچک است و برای تهیه کردن این نوع لیزرها هزینه‌های کمتری پرداخت می‌کنید. توان لیزر دیودی، پایین تا متوسط است.

کاربرد

لیزر دیودی در لحیم کاری و جوشکاری قطعاتی که کوچک و ظریف هستند، خیلی کاربرد دارد. این لیزر فرایند جوشکاری را با قدرت و ظرافت بالایی انجام می‌دهد.

مزایا

لیزر دیودی میزان مصرف انرژی کمتری دارد، هزینه تهیه آنها خیلی کم است و فرایند جوشکاری را با سرعت خوبی انجام می‌دهد.

معایب

این نوع از لیزرها نسبت به لیزرهای دیگر توان کمتری دارند و برای جوشکاری قطعات ضخیم تر، از این لیزرها استفاده می‌شود.

لیزر Nd:YAG

این لیزرها طول موج متوسطی دارند، اما توان آنها بالا است. لیزرهای Nd:YAG معمولاً قابلیت کار در حالت پارسی و یا پیوسته را دارند.

کاربرد

معمولاً این لیزرها برای جوشکاری‌های دقیق، برش یا حفاری و عملیات حرارتی کاربرد خیلی زیادی دارند.

مزایا

این لیزرها کیفیت پرتو بالایی دارند و در تنظیم پارامترها، قابلیت انعطاف پذیری آنها بسیار بیشتر است.

معایب

برای تهیه لیزر Nd:YAG، باید هزینه‌های بالایی پرداخت کنید. همچنین در حین استفاده از آنها به سیستم‌های خنک کننده پیچیده‌ای نیاز دارید.

عوامل مؤثر در انتخاب نوع لیزر

• نوع ضخامت قطعه کار در انتخاب نوع لیزر خیلی اهمیت دارد. اگر شما می‌خواهید جوشکاری را بر روی قطعاتی با ضخامت بالا انجام دهید، بهترین نوع لیزرهایی که می‌توانید استفاده کنید، لیزر دی اکسید کربن و یا Nd:YAG است.
• هر فلزی یک سری ویژگی‌های حرارتی و نوری خاصی دارد و بر اساس این ویژگی ها، باید لیزر مناسبی انتخاب شود.
• اگر می‌خواهید فرایند جوشکاری با لیزر شما کیفیت بالایی داشته باشد، بهتر است که به سراغ لیزرهای فیبر و یا Nd:YAG بروید، چون کیفیت جوش این لیزرها خیلی عالی است.
• در برخی صنایع، سرعت جوشکاری خیلی مهم است و بر اساس همین موضوع می‌توان نوع مناسبی از لیزر را انتخاب کرد. به عنوان مثال، لیزرهای فیبر و دیودی معمولاً سرعت جوشکاری بیشتری دارند.
• یکی از مهمترین عواملی که در انتخاب نوع لیزرها مد نظر گرفته می‌شود، هزینه ای است که برای تهیه کردن لیزرها و نگهداری آنها پرداخت می شود. لیزرهای دیودی هزینه کمتری دارند، اما لیزرهای فیبر و Nd:YAG هزینه بیشتری می‌طلبند.

مزایای جوشکاری لیزری

امروزه جوشکاری لیزری به دلیل مزیت‌های خیلی زیادی که دارد، توانسته جایگزین بسیار مناسب برای جوشکاری‌های سنتی شود. اما مهم‌ترین مزیت‌هایی که باعث شده نظر صنعتگران را به سمت خود جذب کند چیست؟ در ادامه به چند مورد از مزیت‌های جوشکاری لیزری اشاره کرده‌ایم:

• پرتو لیزر دقت کنترلی بسیار بالایی دارد، به همین خاطر در برخی صنایعی که نیاز به جوشکاری‌های دقیق و یکنواختی دارند، استفاده کردن از جوشکاری لیزری واجب و ضروری است.
• جوشکاری لیزری سرعت کار بسیار بالایی دارد که این موضوع باعث کمتر شدن زمان تولید محصولات هم خواهد شد. کاهش زمان کاری می‌تواند برای صنعتگران صرفه اقتصادی بیشتری داشته باشد.
• جوش‌هایی که به وسیله لیزر انجام می‌شوند، هم استحکام بیشتری دارند، هم ظاهر آنها بهتر است و هم میزان تخلخل کمتری دارند. تمامی این عوامل باعث بیشتر شدن کیفیت جوشکاری‌ها می‌شود.
• جوش‌هایی که به وسیله لیزر روی سطح زده می‌شود، معمولاً باریک هستند و در نتیجه میزان پهنای جوش کمتر بوده و ظاهر کار بهتر است.
• شما با جوش‌های لیزری می‌توانید انواع مختلفی از فلزات مثل فولاد‌های کربنی، مس، کوتانیوم، آلومینیوم و یا فولادهای ضد زنگ را جوشکاری کنید.

کاربردهای جوش لیزری

جوش‌های لیزری در صنایع مختلفی استفاده می‌شود. این فناوری به دلیل قابلیت‌های بسیار عالی که دارد، در صنایع زیر استفاده می‌شود:

عوامل موثر بر کیفیت جوشکاری لیزری

عوامل متعددی هستند که بر کیفیت جوش لیزری تاثیرگذار می‌باشند. شما قبل از آنکه بخواهید برای واحد صنعتی خود جوش لیزری تهیه کنید، باید از این موارد اطلاع داشته باشید:

• توان لیزر عامل بسیار مهمی است که در سرعت جوشکاری و عمق نفوذ لیزر تاثیر بالایی دارد.
• فوکوس لیزر و اندازه نقطه فوکوس تاثیر زیادی در دقت و کیفیت آن می‌گذارد.
• سرعت حرکت لیزر یک عامل بسیار مهم و تاثیرگذار در عرض جوش و میزان ذوب شدن مواد است.
• در برخی موارد برای بهتر شدن کیفیت جوش از گاز محافظ استفاده می‌کنند.

نتیجه گیری

جوشکاری لیزری از پیشرفته‌ترین نوع فناوری‌هایی است که به خاطر داشتن ویژگی‌های عالی توانسته در صنایع مختلف به طور گسترده‌ای استفاده شود.

جوشکاری لیزری معمولاً سرعت بالایی دارد، دقت آن خیلی زیاد است و کیفیت جوش انجام شده بسیار بالا است. در نتیجه شما می‌توانید بهترین‌ها نوع جوشکاری را داشته باشید.

صنایع مختلفی هستند که از جوشکاری لیزری استفاده می‌کنند و روز به روز متقاضیان این فناوری بیشتر می‌شود.