تاریخچه توسعه جوشکاری لیزری

روش‌های جوشکاری برای قطعات میکرو و کوچک جوشکاری لیزری یک روش جوشکاری کارآمد و دقیق است که از پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا به عنوان منبع گرما استفاده می‌کند. این یکی از کاربردهای مهم فناوری پردازش مواد لیزری است. در دهه 1970، عمدتاً برای جوشکاری مواد دیواره نازک و جوشکاری با سرعت پایین استفاده می‌شد و فرآیند جوشکاری متعلق به نوع هدایت حرارتی بود. به طور خاص، تابش لیزر سطح قطعه کار را گرم می‌کند و گرمای روی سطح از طریق هدایت حرارتی به داخل نفوذ می‌کند. با کنترل پارامترهایی مانند عرض، انرژی، توان اوج و فرکانس تکرار پالس‌های لیزر، قطعه کار ذوب می‌شود تا یک حوضچه مذاب خاص تشکیل شود. به دلیل مزایای منحصر به فرد آن، با موفقیت در موارد زیر به کار گرفته شده است:جوشکاری دقیق قطعات ریز و کوچک.فناوری جوشکاری لیزری چین در میان سطوح پیشرفته جهان قرار دارد. این فناوری و قابلیت تشکیل اجزای پیچیده آلیاژ تیتانیوم با استفاده از لیزر را در ابعاد بیش از 12 متر مربع دارد و در نمونه اولیه و تولید محصول چندین پروژه تحقیقاتی هوانوردی داخلی به کار گرفته شده است. در اکتبر 2013، یک متخصص جوشکاری چینی جایزه بروک، بالاترین جایزه دانشگاهی در زمینه جوشکاری، را از آن خود کرد که سطح جوشکاری لیزری چین در سطح جهانی را تأیید کرد.

## تاریخچه توسعه اولین پرتو لیزر جهان در سال ۱۹۶۰ با تحریک کریستال‌های یاقوت با یک لامپ فلش تولید شد. با توجه به ظرفیت حرارتی محدود کریستال، این پرتو تنها می‌توانست پرتوهای پالسی بسیار کوتاه با فرکانس پایین تولید کند. اگرچه انرژی اوج پالس لحظه‌ای می‌توانست تا ۱۰^۶ وات برسد، اما همچنان به خروجی کم‌انرژی تعلق داشت. یک میله کریستالی ایتریم آلومینیوم گارنت (Nd:YAG) آلاییده شده با نئودیمیوم، با نئودیمیوم (Nd) به عنوان عنصر تحریک، می‌تواند یک پرتو لیزر تک طول موج پیوسته با توان ۱-۸ کیلووات تولید کند. لیزر YAG با طول موج ۱.۰۶ میکرومتر، می‌تواند از طریق یک فیبر نوری انعطاف‌پذیر به سر پردازش لیزر متصل شود که دارای چیدمان تجهیزات انعطاف‌پذیر و مناسب برای جوشکاری قطعات کار با ضخامت ۰.۵-۶ میلی‌متر است. لیزر CO₂، با استفاده از دی اکسید کربن به عنوان ماده محرک (با طول موج 10.6 میکرومتر)، می‌تواند به انرژی خروجی تا 25 کیلووات دست یابد و جوشکاری تک پاسه با نفوذ کامل صفحات با ضخامت 2 میلی‌متر را انجام دهد. این لیزر به طور گسترده در فرآوری فلزات در بخش صنعت مورد استفاده قرار گرفته است. در اواسط دهه 1980، جوشکاری لیزری، به عنوان یک فناوری جدید، توجه گسترده‌ای را در اروپا، ایالات متحده و ژاپن به خود جلب کرد. در سال 1985، ThyssenKrupp Steel AG (آلمان) و Volkswagen AG (آلمان) با همکاری یکدیگر، اولین ورق خام جوش داده شده با لیزر جهان را روی بدنه آئودی 100 با موفقیت به کار گرفتند. در دهه 1990، تولیدکنندگان بزرگ خودرو در اروپا، آمریکای شمالی و ژاپن شروع به استفاده گسترده از فناوری ورق خام جوش داده شده با لیزر در ساخت بدنه خودرو کردند. تجربه عملی از آزمایشگاه‌ها و تولیدکنندگان خودرو ثابت کرده است که ورق‌های خام جوش داده شده با لیزر را می‌توان با موفقیت در تولید بدنه خودرو به کار برد. جوشکاری سفارشی لیزری از انرژی لیزر برای اتصال و جوش خودکار چندین فولاد، فولاد ضد زنگ، آلیاژهای آلومینیوم و غیره با مواد، ضخامت‌ها و پوشش‌های مختلف در یک صفحه، پروفیل یا ساندویچ پنل یکپارچه استفاده می‌کند. این امر الزامات عملکرد مواد مختلف اجزا را برآورده می‌کند و به تجهیزات سبک با سبک‌ترین وزن، ساختار بهینه و بهترین عملکرد دست می‌یابد. در کشورهای توسعه‌یافته مانند اروپا و ایالات متحده،جوشکاری سفارشی لیزرینه تنها در صنعت تولید تجهیزات حمل و نقل استفاده می‌شود، بلکه به طور گسترده در زمینه‌هایی مانند ساخت و ساز، پل‌ها، تولید جوشکاری صفحات لوازم خانگی و جوشکاری صفحات فولادی در خطوط نورد (اتصال صفحات در نورد پیوسته) نیز کاربرد دارد. شرکت‌های جوشکاری لیزری مشهور جهان شامل Soudonic (سوئیس)، ArcelorMittal Group (فرانسه)، ThyssenKrupp TWB (آلمان)، Servo-Robot (کانادا) و Precitec (آلمان) هستند. کاربرد فناوری ورق‌های خام جوش داده شده با لیزر در چین به تازگی آغاز شده است. در 25 اکتبر 2002، اولین خط تولید تجاری حرفه‌ای ورق‌های خام جوش داده شده با لیزر در چین رسماً به بهره‌برداری رسید. این خط تولید توسط Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding از ThyssenKrupp TWB (آلمان) معرفی شد. بعداً، Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd.، FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. و سایر شرکت‌ها به ترتیب به تولید رسیدند. در سال 2003، کشورهای خارجی متوجه جوشکاری با سیم پرکننده لیزر CO₂ دو پرتویی شدند وجوشکاری سیم پرکننده با لیزر YAGبرای ساختار پنل دیوار پایینی آلیاژ آلومینیوم A318. این فناوری جایگزین ساختار پرچ سنتی شد و وزن بدنه هواپیما را 20٪ کاهش داد و 20٪ در هزینه صرفه‌جویی کرد. گونگ شوئیلی معتقد بود که فناوری جوشکاری لیزری نقش مهمی در تحول و ارتقاء صنعت تولید هوانوردی سنتی چین ایفا خواهد کرد. او بلافاصله برای تعدادی از پروژه‌های پیش‌تحقیق مرتبط درخواست داد، یک تیم تحقیقاتی سازماندهی کرد و رهبری معرفی فناوری "جوشکاری لیزری دو پرتو" را در پروژه‌های تحقیقاتی در چین بر عهده گرفت. از همان ابتدا، او قصد داشت این فناوری را در ساخت هواپیما به کار گیرد. تیم متخصص چینی فناوری اولیه را به یک موسسه طراحی هواپیما گزارش داد و مزایا و امکان‌سنجی جوشکاری لیزری دو پرتو را تبلیغ کرد. پس از تأییدها و ارزیابی‌های متعدد، موسسه طراحی تصمیم گرفت این فناوری را در ساخت پنل‌های دیواری آجدار برای یک هواپیمای خاص به کار گیرد و به هدف اولیه خود یعنی به کارگیری فناوری "جوشکاری لیزری دو پرتو" در ساخت هواپیما دست یابد. این شرکت فناوری‌های کلیدی مانند کنترل دقیق سیم پرکننده جوشکاری لیزری برای آلیاژهای سبک را متحول کرد، یک دستگاه جوشکاری هیبریدی سیم پرکننده لیزری دو پرتوی یکپارچه و نوآورانه توسعه داد، اولین پلتفرم جوشکاری سیم پرکننده لیزری دو پرتوی پرقدرت چین را راه‌اندازی کرد، جوشکاری همزمان دو پرتوی و دو طرفه اتصالات T شکل را در سازه‌های بزرگ با دیواره نازک محقق ساخت و برای اولین بار با موفقیت آن را در ساخت جوشکاری قطعات ساختاری کلیدی پنل‌های دیواری آجدار هوانوردی به کار برد و نقش مهمی در توسعه هواپیماهای جدید چین ایفا کرد. در سال ۲۰۰۳، اولین مجموعه کامل تجهیزات جوشکاری نواری آنلاین در مقیاس بزرگ داخلی که توسط HG Laser ارائه شده بود، از مرحله پذیرش آفلاین عبور کرد. این تجهیزات برش لیزری، جوشکاری و عملیات حرارتی را با هم ادغام می‌کنند و HG Laser را به یکی از چهارمین شرکت‌های جهان تبدیل می‌کنند که قادر به تولید چنین تجهیزاتی هستند. در سال ۲۰۰۴، پروژه «برش لیزری پرقدرت، جوشکاری و فناوری و تجهیزات پردازش ترکیبی برش-جوشکاری» توسط HG Laser Farley Laserlab برنده جایزه دوم پیشرفت ملی علوم و فناوری شد و آن را به تنها شرکت لیزری در چین با قابلیت تحقیق و توسعه این فناوری و تجهیزات تبدیل کرد. با توسعه سریع صنعت لیزر صنعتی، بازار الزامات بالاتری را برای فناوری پردازش لیزری مطرح کرده است. فناوری لیزر به تدریج از کاربرد تکی به کاربردهای متنوع تغییر یافته است. از نظر پردازش لیزری، دیگر محدود به برش یا جوشکاری تکی نیست. تقاضای بازار برای تجهیزات پردازش لیزری یکپارچه که برش و جوشکاری را ترکیب می‌کند، در حال افزایش است و بنابراین تجهیزات برش و جوشکاری لیزری یکپارچه پدیدار شده‌اند. HG Laser Farley Laserlab دستگاه برش و جوشکاری یکپارچه Walc9030 را با فرمت فوق‌العاده بزرگ ۹×۳ متر توسعه داد که در حال حاضر بزرگترین تجهیزات برش و جوشکاری لیزری یکپارچه در جهان است. Walc9030 یک تجهیزات برش و جوشکاری با فرمت بزرگ است که ...عملکردهای برش لیزری و جوشکاری لیزریاین دستگاه مجهز به یک سر برش حرفه‌ای و یک سر جوشکاری است و دو سر پردازش، یک پرتو را به اشتراک می‌گذارند. فناوری کنترل عددی تضمین می‌کند که آنها با یکدیگر تداخل نداشته باشند. این دستگاه می‌تواند دو فرآیندی را که نیاز به برش و جوشکاری همزمان دارند، انجام دهد. می‌تواند آزادانه بین برش اول و سپس جوشکاری، یا جوشکاری اول و سپس برش، سوئیچ کند و هر دو عملکرد برش لیزری و جوشکاری را با یک دستگاه و بدون نیاز به تجهیزات اضافی انجام دهد. این امر باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های تجهیزات برای تولیدکنندگان نرم‌افزار می‌شود، راندمان پردازش و برد پردازش را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، به دلیل ادغام برش و جوشکاری، دقت پردازش کاملاً تضمین شده است و عملکرد دستگاه کارآمد و پایدار است. علاوه بر این، بر مشکلات تغییر شکل حرارتی صفحات در حین جوشکاری سفارشی صفحات بسیار بزرگ و تحقق پایدار مسیرهای نوری پروازی بسیار طولانی غلبه کرده است. این دستگاه می‌تواند دو صفحه مسطح به طول 6 متر و عرض 1.5 متر را به طور همزمان جوش دهد و سطح جوش داده شده بدون پردازش اضافی پس از پردازش، صاف و مسطح باشد. در عین حال، می‌تواند صفحاتی با عرض ۳ متر، طول بیش از ۶ متر و ضخامت کمتر از ۲۰ میلی‌متر را در یک فرآیند شکل‌دهی و بدون موقعیت‌دهی ثانویه برش دهد. موسسه اتوماسیون شنیانگ، آکادمی علوم چین، همکاری بین‌المللی با شرکت IHI (ژاپن) انجام داد. با پیروی از استراتژی توسعه علمی و فناوری ملی «معرفی، هضم، جذب و نوآوری مجدد»، بر چندین فناوری کلیدی غلبه کرد.جوشکاری سفارشی لیزری، اولین مجموعه خطوط تولید کامل جوشکاری سفارشی لیزری چین را در سپتامبر ۲۰۰۶ توسعه داد و با موفقیت یک سیستم جوشکاری لیزری رباتیک را توسعه داد که جوشکاری لیزری منحنی‌های مسطح و فضایی را محقق می‌کرد. در اکتبر ۲۰۱۳، یک متخصص جوشکاری چینی برنده جایزه بروک، بالاترین جایزه دانشگاهی در زمینه جوشکاری، شد. موسسه جوشکاری (TWI، انگلستان) هر ساله از بیش از ۴۰۰۰ واحد عضو در بیش از ۱۲۰ کشور، کاندیداهایی را توصیه و معرفی می‌کند و در نهایت این جایزه را به پاس قدردانی از مشارکت‌های برجسته آنها در علم و فناوری جوشکاری یا اتصال و کاربردهای صنعتی آن، به یک متخصص اهدا می‌کند. این جایزه نه تنها قدردانی از گونگ شوئیلی و تیمش است، بلکه تأییدی بر نقش AVIC در ارتقای پیشرفت فناوری اتصال مواد نیز می‌باشد.

پارامترهای ساختاری

### تجهیزات کار این دستگاه از یک نوسان‌ساز نوری و یک واسطه که بین آینه‌های دو انتهای حفره نوسان‌ساز قرار گرفته است، تشکیل شده است. هنگامی که واسطه به حالت انرژی بالا تحریک می‌شود، شروع به تولید امواج نوری هم فاز می‌کند که بین آینه‌های دو انتها به جلو و عقب منعکس می‌شوند و یک اثر اتصال فوتوالکتریک را تشکیل می‌دهند. این امر امواج نوری را تقویت می‌کند و هنگامی که انرژی کافی به دست آمد، لیزر ساطع می‌شود. لیزر همچنین می‌تواند به عنوان وسیله‌ای تعریف شود که منابع انرژی اولیه مانند انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی حرارتی، انرژی نوری یا انرژی هسته‌ای را به پرتوهای تابش الکترومغناطیسی با فرکانس‌های نوری خاص (نور فرابنفش، نور مرئی یا نور مادون قرمز) تبدیل می‌کند. این تبدیل را می‌توان به راحتی در محیط‌های جامد، مایع یا گازی خاص انجام داد. هنگامی که این محیط‌ها به شکل اتم یا مولکول تحریک می‌شوند، پرتو نوری تقریباً با همان فاز و تقریباً با یک طول موج تولید می‌کنند - لیزر. به دلیل خاصیت هم‌فاز بودن و طول موج واحد، زاویه واگرایی بسیار کوچک است و می‌تواند قبل از اینکه به شدت متمرکز شود تا عملکردهایی مانند جوشکاری، برش و عملیات حرارتی را فراهم کند، در مسافت طولانی منتقل شود. ### طبقه‌بندی لیزرها عمدتاً دو نوع لیزر برای جوشکاری استفاده می‌شود، یعنی لیزرهای CO₂ و لیزرهای Nd:YAG. هم لیزرهای CO₂ و هم لیزرهای Nd:YAG نور مادون قرمز نامرئی برای چشم غیرمسلح هستند. پرتو تولید شده توسط لیزر Nd:YAG عمدتاً نور نزدیک به مادون قرمز با طول موج 1.06 میکرومتر است. رساناهای حرارتی میزان جذب نسبتاً بالایی برای نور این طول موج دارند و برای اکثر فلزات، بازتابندگی 20٪ تا 30٪ است. پرتو نزدیک به مادون قرمز را می‌توان با استفاده از لنزهای نوری استاندارد تا قطر 0.25 میلی‌متر متمرکز کرد. پرتو لیزر CO₂ نور دور به طول موج 10.6 میکرومتر است. بیشتر فلزات برای این نوع نور، بازتابندگی ۸۰٪ تا ۹۰٪ دارند، بنابراین لنزهای نوری مخصوصی برای متمرکز کردن پرتو تا قطر ۰.۷۵ تا ۱.۰ میلی‌متر مورد نیاز است. قدرت لیزرهای Nd:YAG عموماً می‌تواند به حدود ۴۰۰۰ تا ۶۰۰۰ وات برسد و حداکثر قدرت اکنون به ۱۰۰۰۰ وات رسیده است. در مقابل، قدرت لیزرهای CO₂ به راحتی می‌تواند به ۲۰۰۰۰ وات یا حتی بیشتر برسد. لیزرهای CO₂ پرقدرت، مشکل بازتابندگی بالا را از طریق اثر سوراخ کلید حل می‌کنند. هنگامی که سطح ماده تحت تابش لکه نور ذوب می‌شود، یک سوراخ کلید تشکیل می‌شود. این سوراخ کلید پر از بخار مانند یک جسم سیاه است که تقریباً تمام انرژی نور فرودی را جذب می‌کند. دمای تعادل درون سوراخ کلید به حدود ۲۵۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد و بازتابندگی در عرض چند میکروثانیه به سرعت کاهش می‌یابد. اگرچه تمرکز توسعه لیزرهای CO₂ هنوز بر توسعه و تحقیق تجهیزات متمرکز است، اما دیگر افزایش حداکثر توان خروجی مد نظر نیست، بلکه چگونگی بهبود کیفیت پرتو و عملکرد فوکوس آن مد نظر است. علاوه بر این، هنگامی که آرگون به عنوان گاز محافظ برای جوشکاری لیزر CO₂ با توان بالای 10 کیلووات استفاده می‌شود، اغلب پلاسمای قوی ایجاد می‌کند که عمق نفوذ را کاهش می‌دهد. بنابراین، هلیوم که پلاسما تولید نمی‌کند، اغلب به عنوان گاز محافظ برای جوشکاری لیزر CO₂ با توان بالا استفاده می‌شود. کاربرد ترکیبات لیزر دیودی برای تحریک کریستال‌های Nd:YAG با توان بالا، یک موضوع مهم تحقیق و توسعه است که کیفیت پرتوهای لیزر را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و پردازش لیزری کارآمدتری را شکل می‌دهد. استفاده از آرایه‌های دیودی مستقیم برای تحریک و خروجی لیزرها در ناحیه نزدیک به مادون قرمز، به توان متوسط ​​1 کیلووات و راندمان تبدیل فوتوالکتریک نزدیک به 50٪ دست یافته است. دیودها همچنین عمر مفید طولانی‌تری (10000 ساعت) دارند که به کاهش هزینه نگهداری تجهیزات لیزر کمک می‌کند. توسعه تجهیزات لیزر حالت جامد با پمپ دیودی (DPSSL) نیز در حال پیشرفت است.