کاربرد فناوری جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت در زمینه‌های کلیدی مختلف

01 جوشکاری هیبریدی قوس لیزری صفحات ضخیم

جوشکاری صفحات ضخیم (با ضخامت ≥ 20 میلی‌متر) نقش کلیدی در ساخت تجهیزات بزرگ در زمینه‌های مهمی مانند هوافضا، ناوبری و کشتی‌سازی، حمل و نقل ریلی و غیره ایفا می‌کند. این قطعات معمولاً با ضخامت زیاد، اشکال پیچیده اتصال و محیط‌های کاری پیچیده مشخص می‌شوند. کیفیت جوشکاری تأثیر مستقیمی بر عملکرد و عمر تجهیزات دارد. به دلیل سرعت جوشکاری پایین و مشکلات جدی پاشش، روش جوشکاری سنتی با گاز محافظ با چالش‌هایی مانند راندمان پایین جوشکاری، مصرف انرژی بالا و تنش پسماند زیاد روبرو است که برآورده کردن نیازهای روزافزون تولید را دشوار می‌کند. با این حال، فناوری جوشکاری هیبریدی قوس لیزری با فناوری جوشکاری سنتی متفاوت است. این فناوری با موفقیت مزایای ... را ترکیب می‌کند.جوشکاری لیزریو جوشکاری قوسی، و دارای ویژگی‌های عمق نفوذ زیاد، سرعت جوشکاری سریع، راندمان بالا و کیفیت جوش بهتر است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. بنابراین، این فناوری توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده و در برخی از مناطق کلیدی شروع به کاربرد کرده است.

شکل 1 اصول جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس

02 تحقیق در مورد جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس صفحات ضخیم

موسسه فناوری صنعتی نروژ و دانشگاه فنی لول در سوئد، یکنواختی ساختاری اتصالات جوش داده شده کامپوزیتی تحت توان ۱۵ کیلووات برای فولاد کم آلیاژ میکروآلیاژی با استحکام بالا به ضخامت ۴۵ میلی‌متر را مورد مطالعه قرار دادند. دانشگاه اوساکا و موسسه تحقیقات متالورژی مرکزی مصر از یک لیزر فیبری ۲۰ کیلوواتی برای انجام تحقیقات در مورد فرآیند جوشکاری هیبریدی تک پاسه لیزر-قوس صفحات ضخیم (۲۵ میلی‌متر) استفاده کردند و از یک آستر کف برای حل مشکل برآمدگی کف استفاده کردند. شرکت فناوری فورس دانمارک از دو لیزر دیسکی ۱۶ کیلوواتی به صورت سری برای انجام تحقیقات در مورد جوشکاری هیبریدی صفحات فولادی به ضخامت ۴۰ میلی‌متر با توان ۳۲ کیلووات استفاده کرد، که نشان می‌دهد انتظار می‌رود جوشکاری قوسی لیزر پرقدرت در جوشکاری پایه برج نیروگاه بادی فراساحلی استفاده شود، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. شرکت جوشکاری هاربین اولین شرکت در کشور است که بر فناوری اصلی و فناوری ادغام تجهیزات جوشکاری منبع حرارتی هیبریدی قوسی الکترود ذوب لیزری جامد پرقدرت تسلط دارد. این اولین بار است که با موفقیت فناوری و تجهیزات جوشکاری هیبریدی قوسی با الکترود ذوب دو سیمه جامد لیزری پرقدرت را در تجهیزات پیشرفته در کشورم به کار می‌بریم.

شکل 2. نمودار چیدمان نصب لیزر

با توجه به وضعیت تحقیقات فعلی در مورد جوشکاری هیبریدی لیزری-قوسی صفحات ضخیم در داخل و خارج از کشور، می‌توان دریافت که ترکیب روش جوشکاری هیبریدی لیزری-قوسی و شیار باریک می‌تواند به جوشکاری صفحات ضخیم دست یابد. هنگامی که توان لیزر به بیش از 10000 وات افزایش می‌یابد، تحت تابش لیزر پرانرژی، رفتار تبخیر ماده، فرآیند برهمکنش بین لیزر و پلاسما، وضعیت پایدار جریان حوضچه مذاب، مکانیسم انتقال حرارت و رفتار متالورژیکی جوش به درجات مختلفی تغییر خواهد کرد. با افزایش توان به بیش از 10000 وات، افزایش چگالی توان، درجه تبخیر در ناحیه نزدیک سوراخ کوچک را تشدید می‌کند و نیروی پس‌زنی مستقیماً بر پایداری سوراخ کوچک و جریان حوضچه مذاب تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر فرآیند جوشکاری تأثیر می‌گذارد. این تغییرات تأثیر غیرقابل اغماض بر اجرای لیزر و فرآیندهای جوشکاری کامپوزیت آن دارند. این پدیده‌های مشخصه در فرآیند جوشکاری به طور مستقیم یا غیرمستقیم تا حدی منعکس کننده پایداری فرآیند جوشکاری هستند و حتی می‌توانند کیفیت جوش را تعیین کنند. اثر جفت شدن دو منبع حرارتی لیزر و قوس می‌تواند باعث شود که هر دو منبع حرارتی به طور کامل به ویژگی‌های خود بپردازند و اثرات جوشکاری بهتری نسبت به جوشکاری تک لیزر و جوشکاری قوسی به دست آورند. در مقایسه با روش جوشکاری خودجوش لیزری، این روش جوشکاری مزایای سازگاری قوی شکاف و ضخامت قابل جوشکاری زیاد را دارد. در مقایسه با روش جوشکاری پر کردن سیم لیزری با شکاف باریک برای صفحات ضخیم، مزایای راندمان ذوب بالای سیم و اثر همجوشی شیاری خوب را دارد. علاوه بر این، جذب لیزر به قوس، پایداری قوس را افزایش می‌دهد و جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس را سریع‌تر از جوشکاری قوسی سنتی می‌کند.جوشکاری با سیم پرکننده لیزری، با راندمان جوشکاری نسبتاً بالا.

03 کاربرد جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت

فناوری جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس با توان بالا به طور گسترده در صنعت کشتی‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کارخانه کشتی‌سازی مایر در آلمان یک خط تولید جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس با توان ۱۲ کیلووات برای جوشکاری صفحات تخت و تقویت‌کننده‌های بدنه ایجاد کرده است تا بتواند جوش‌های فیله به طول ۲۰ متر را به صورت یکجا تشکیل دهد و درجه تغییر شکل را تا دو سوم کاهش دهد. شرکت جنرال الکتریک یک سیستم جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس فیبری با حداکثر توان خروجی ۲۰ کیلووات برای جوشکاری ناو هواپیمابر USS Saratoga توسعه داده است که منجر به صرفه‌جویی ۸۰۰ تن فلز جوش و کاهش ۸۰ درصدی نیروی کار شده است، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است. کشتی CSSC 725 از یک سیستم جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس با توان بالای ۲۰ کیلووات با لیزر فیبری استفاده می‌کند که می‌تواند تغییر شکل جوش را تا ۶۰ درصد کاهش داده و راندمان جوشکاری را تا ۳۰۰ درصد افزایش دهد. کارخانه کشتی‌سازی شانگهای وایگائوکیائو از یک سیستم جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس با توان بالای ۱۶ کیلووات با لیزر فیبری استفاده می‌کند. خط تولید، فناوری فرآیند جدیدی از جوشکاری هیبریدی لیزری + جوشکاری MAG را برای دستیابی به جوشکاری تک‌طرفه تک‌گذر و شکل‌دهی دوطرفه صفحات فولادی با ضخامت 4 تا 25 میلی‌متر اتخاذ می‌کند. فناوری جوشکاری هیبریدی قوسی-لیزری پرقدرت به طور گسترده در خودروهای زرهی استفاده می‌شود. ویژگی‌های جوشکاری آن عبارتند از: جوشکاری سازه‌های فلزی پیچیده با ضخامت زیاد، هزینه کم و تولید با راندمان بالا.

شکل ۳. ناو هواپیمابر USS Sara Toga

فناوری جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت در ابتدا در برخی از زمینه‌های صنعتی به کار گرفته شده است و به ابزاری مهم برای تولید کارآمد سازه‌های بزرگ با ضخامت دیواره متوسط ​​و بزرگ تبدیل خواهد شد. در حال حاضر، تحقیقات کمی در مورد مکانیسم جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت وجود دارد که باید بیشتر تقویت شود، مانند برهمکنش بین فوتوپلاسما و قوس و برهمکنش بین قوس و حوضچه مذاب. هنوز مشکلات حل نشده زیادی در فرآیند جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت وجود دارد، مانند پنجره فرآیند باریک، خواص مکانیکی ناهموار ساختار جوش و کنترل کیفیت پیچیده جوشکاری. با افزایش تدریجی توان خروجی لیزرهای صنعتی، فناوری جوشکاری هیبریدی لیزر-قوس پرقدرت به سرعت توسعه خواهد یافت و انواع فناوری‌های جدید جوشکاری هیبریدی لیزر همچنان پدیدار خواهند شد. بومی‌سازی، مقیاس بزرگ و هوشمندسازی، روندهای مهمی در توسعه تجهیزات جوشکاری لیزری پرقدرت در آینده خواهند بود.