جوشکاری پرتو لیزر و جوشکاری قوسی مدتهاست که برای تولید صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند و طیف گستردهای از کاربردها را در زمینه فناوری اتصال مواد فراهم میکنند. هر یک از این فرآیندها، همانطور که توسط فرآیندهای فیزیکی انتقال انرژی به قطعه کار و جریانهای انرژی قابل دستیابی توصیف میشود، حوزههای کاربردی خاص خود را دارند. انرژی از منبع پرتو لیزر به وسیله تابش همدوس مادون قرمز پرانرژی، با استفاده از کابل فیبر نوری، به ماده برای پردازش منتقل میشود. قوس، گرمای مورد نیاز برای جوشکاری را به وسیله جریان الکتریکی بالایی که از طریق ستون قوس به قطعه کار جریان مییابد، منتقل میکند. تابش لیزر منجر به یک منطقه تحت تأثیر حرارت بسیار باریک با نسبت زیادی از عمق جوش به عرض درز (اثر جوش عمیق) میشود. توانایی پل زدن شکاف فرآیند جوشکاری لیزر به دلیل قطر کانونی کوچک آن بسیار کم است، اما از سوی دیگر میتواند به سرعتهای جوشکاری بسیار بالایی برسد. فرآیند جوشکاری قوسی چگالی انرژی بسیار کمتری دارد، اما باعث ایجاد نقطه کانونی بزرگتری روی سطح قطعه کار میشود و با سرعت پردازش کندتر مشخص میشود. با ادغام هر دوی این فرآیندها، میتوان به همافزاییهای مفیدی دست یافت. در نهایت، این امر دستیابی به مزایای کیفی و مهندسی تولید و همچنین بهبود بهرهوری هزینه را ممکن میسازد. این فرآیند کاربردهای جالب و از نظر اقتصادی جذابی را ارائه میدهد، چه در صنعت خودرو، به ویژه به این دلیل که تلرانسهای بالاتری در قطعات جوش داده شده مجاز است، نرخ اتصال بالاتر امکانپذیر است و میتوان به پارامترهای مکانیکی/فنی بسیار خوبی دست یافت.
۱. مقدمه:
از دهه ۱۹۷۰ میلادی، چگونگی ترکیب نور لیزر و قوس الکتریکی در یک فرآیند جوشکاری ترکیبی شناخته شده بود، اما تا مدتها پس از آن، هیچ کار توسعهای دیگری انجام نشد. اخیراً، محققان دوباره توجه خود را به این موضوع معطوف کردهاند و تلاش کردهاند تا مزایای قوس الکتریکی را با مزایای لیزر، در یک فرآیند جوشکاری ترکیبی، ترکیب کنند. در حالی که در روزهای اولیه، منابع لیزر هنوز باید مناسب بودن خود را برای استفاده صنعتی اثبات میکردند، امروزه آنها تجهیزات تکنولوژیکی استاندارد در بسیاری از شرکتهای تولیدی هستند.
ترکیب جوشکاری لیزر با یک فرآیند جوشکاری دیگر به عنوان "فرآیند جوشکاری هیبریدی" شناخته میشود. این بدان معناست که پرتو لیزر و قوس به طور همزمان در یک منطقه جوشکاری عمل میکنند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند و از یکدیگر پشتیبانی میکنند.
۲. لیزر:
جوشکاری لیزری نه تنها به توان بالای لیزر، بلکه به پرتوی با کیفیت بالا نیز نیاز دارد تا بتوان به "اثر جوش عمیق" مطلوب دست یافت. کیفیت بالاتر پرتو حاصل میتواند برای دستیابی به قطر کانونی کوچکتر یا فاصله کانونی بزرگتر مورد استفاده قرار گیرد.
برای پروژههای توسعهای که در حال حاضر در حال انجام هستند، از یک لیزر حالت جامد با پمپ لامپی و توان پرتو لیزر ۴ کیلووات استفاده میشود. نور لیزر از طریق یک فیبر شیشهای ۶۰۰ میکرومتری منتقل میشود.
نور لیزر از طریق یک فیبر شیشهای که ابتدا و انتهای آن با آب خنک میشود، منتقل میشود. پرتو لیزر توسط یک ماژول متمرکزکننده با فاصله کانونی ۲۰۰ میلیمتر بر روی قطعه کار تابانده میشود.
۳. فرآیند ترکیبی لیزری:
برای جوشکاری قطعات فلزی، پرتو لیزر Nd:YAG با شدتهای بالای 106 وات بر سانتیمتر مربع متمرکز میشود. هنگامی که پرتو لیزر به سطح ماده برخورد میکند، این نقطه را تا دمای تبخیر گرم میکند و به دلیل بخار فلز خروجی، یک حفره بخار در فلز جوش تشکیل میشود. ویژگی متمایز درز جوش، نسبت عمق به عرض بالای آن است. چگالی جریان انرژی قوس آزاد سوز کمی بالاتر از 104 وات بر سانتیمتر مربع است. شکل 1 اصل اساسی جوشکاری هیبریدی را نشان میدهد. پرتو لیزر
همانطور که در اینجا نشان داده شده است، علاوه بر گرمای قوس، گرما را به فلز جوش در قسمت بالای درز نیز میرساند. برخلاف یک پیکربندی متوالی که در آن دو فرآیند جوش جداگانه به ترتیب عمل میکنند، جوشکاری هیبریدی را میتوان به عنوان ترکیبی از هر دو فرآیند جوش که به طور همزمان در یک منطقه فرآیند عمل میکنند، در نظر گرفت. بسته به اینکه از کدام فرآیند قوس یا لیزر استفاده شود و پارامترهای فرآیند، فرآیندها به میزان و به روشهای مختلف بر یکدیگر تأثیر میگذارند [1، 2].
به لطف ترکیب فرآیند لیزر و فرآیند قوس، عمق نفوذ جوش و سرعت جوشکاری نیز افزایش مییابد (در مقایسه با هر یک از فرآیندهای مورد استفاده به تنهایی). بخار فلزی که از حفره بخار خارج میشود، بر پلاسمای قوس تأثیر میگذارد. جذب تابش لیزر Nd:YAG در پلاسمای فرآیند ناچیز است. بسته به اینکه چه نسبتی از دو ورودی توان انتخاب شود، ویژگی فرآیند کلی ممکن است به میزان بیشتر یا کمتری توسط لیزر یا قوس تعیین شود [3،4].
شکل 1: نمایش شماتیک: جوشکاری لیزری هیبریدی
جذب تابش لیزر به طور قابل توجهی تحت تأثیر دمای سطح قطعه کار قرار دارد. قبل از شروع فرآیند جوشکاری لیزر، ابتدا باید بر بازتاب اولیه، به ویژه روی سطوح آلومینیومی، غلبه شود. این امر را میتوان با شروع جوشکاری با یک برنامه شروع ویژه محقق کرد. پس از رسیدن به دمای تبخیر، حفره بخار تشکیل میشود و در نتیجه تقریباً تمام انرژی تابش میتواند به قطعه کار وارد شود. بنابراین انرژی مورد نیاز برای این کار توسط جذب وابسته به دما و میزان انرژی از دست رفته تعیین میشود.
از طریق رسانش به بقیه قطعه کار. در جوشکاری لیزر هیبرید، تبخیر نه تنها از سطح قطعه کار، بلکه از سیم پرکننده نیز رخ میدهد، به این معنی که بخار فلزی بیشتری در دسترس است که به نوبه خود ورود تابش لیزر را تسهیل میکند. این امر همچنین از افت فرآیند جلوگیری میکند [5، 6، 7، 8، 9].
۴. کاربرد خودرو:
با استفاده از فناوری شاسی فضایی، کاهش وزن ۴۳ درصدی در مقایسه با بدنه فولادی خودرو امکانپذیر است.
شکل ۲: طرح مفهومی شاسی فضایی آئودی A2
شاسی فضایی آئودی A2 از 30 متر جوش لیزری (نوارهای زرد در شکل 2) و 20 متر جوش MIG تشکیل شده است. علاوه بر این، از 1700 پرچ نیز استفاده شده است.
شکل ۳: مقایسه پروفیلها و تکنیکهای اتصال در آئودی-A2
شکل ۴ یک اتصال جوش داده شده LaserHybrid از جنس ریخته گری ALMg3 با جنس ورق AlMgSi را نشان میدهد. سیم پرکننده AlSi5 و گاز محافظ مورد استفاده آرگون است. با افزایش توان لیزر، نفوذ عمیقتر امکانپذیر است. ترکیب پرتو لیزر با قوس به این روش، حوضچه جوش بزرگتری نسبت به فرآیند جوشکاری پرتو لیزر به تنهایی ایجاد میکند. این امر جوشکاری قطعات با شکافهای وسیعتر را امکانپذیر میسازد.
شکل ۴: اتصال روی هم افتاده با فاصله ۰.۵ میلیمتر
در صنعت خودرو، کاربردهای زیادی برای جوشکاری همپوشانی بدون آمادهسازی اتصال وجود دارد. در حال حاضر، فرآیند پیشرفته برای این کار جوشکاری، فرآیند جوشکاری لیزر با سیم پرکننده سرد است که به دلیل ترک خوردگی داغ آلیاژ AA 6xxx انجام میشود. هنگامی که اتصال با سیم پرکننده جوش داده میشود، مقدار زیادی از انرژی لیزر برای ذوب کردن سیم پرکننده هدر میرود.
شکل بعدی تفاوتهای بین جوشکاری لیزری و جوشکاری لیزری را روی یک اتصال همپوشانی با سرعت جوشکاری ۲.۴ متر بر دقیقه نشان میدهد. در مورد جوشکاری لیزری، امکان پر کردن جوش وجود ندارد و بریدگی زیرین ایجاد میشود. همچنین، نفوذ بسیار کمی به ماده پایه وجود دارد. عرض جوش بسیار کم است و بنابراین انتظار میرود استحکام کششی کمی داشته باشد. در مورد جوشکاری لیزری،
مواد اضافی به داخل حوضچه جوش منتقل میشوند. بریدگی زیرین با سیم حاصل از فرآیند MIG پر میشود و اکنون بخشی از انرژی لیزر ذخیره میشود. این انرژی لیزر ذخیره شده میتواند برای افزایش نفوذ به ماده پایه استفاده شود و عرض جوش بزرگتر از ضخامت ماده است، که از شبیهسازی عددی مورد نیاز است.
شکل 5. مقایسه بین جوشکاری لیزر هیبرید و لیزر بدون سیم پرکننده
با روش جوشکاری LaserHybrid میتوان مواد آلومینیوم، فولاد و فولاد ضد زنگ را تا ضخامت ۴ میلیمتر جوشکاری کرد. اگر ضخامت خیلی زیاد باشد، نفوذ کامل امکانپذیر نیست. برای اتصال مواد با روکش روی، استفاده از فرآیند لحیمکاری لیزری نیز ترجیح داده میشود.
کاربردهای بیشتر در خودرو شامل سیستم انتقال قدرت، محورها و بدنه خودرو است که فرآیند جوشکاری هیبریدی لیزری میتواند در آنها مناسب باشد.
سر جوشکاری:
سر جوشکاری باید ابعاد هندسی کوچکی داشته باشد تا دسترسی خوبی به اجزایی که قرار است جوشکاری شوند، به ویژه در قسمت بدنه خودرو، فراهم شود. علاوه بر این، باید طوری طراحی شود که هم امکان اتصال جداشدنی مناسب به سر ربات و هم قابلیت تنظیم متغیرهای فرآیند مانند فاصله کانونی و فواصل توقف مشعل در تمام مختصات دکارتی را فراهم کند. شکل 5 سر جوشکاری را در حین انجام فرآیند نشان میدهد. پاششهایی که در طول فرآیند جوشکاری رخ میدهد منجر به افزایش کثیفی شیشه محافظ میشود. شیشه کوارتز از دو طرف با ماده ضد انعکاس پوشانده شده است و برای محافظت از سیستم نوری لیزر در برابر آسیب در نظر گرفته شده است.
بسته به میزان کثیفی، پاشش جمع شده روی شیشه میتواند باعث شود که قدرت لیزر که در واقع بر قطعه کار تأثیر میگذارد تا 90٪ کاهش یابد. کثیفی بیشتر معمولاً منجر به تخریب شیشه محافظ میشود، زیرا بخش بزرگی از انرژی تابشی توسط خود شیشه جذب میشود و باعث ایجاد تنشهای حرارتی در شیشه میشود. با استفاده از این سر جوشکاری و تجهیزات جوشکاری، میتوان از آن برای جوشکاری LaserHybrid، جوشکاری لیزری، جوشکاری MSG و ... استفاده کرد.لحیم کاری با سیم داغ لیزری.
شکل 6: سر جوشکاری و فرآیند آن
۵. مزایای جوشکاری هیبریدی لیزری:
مزایای زیر از ادغام قوس و پرتو لیزر حاصل میشود: مزایای جوشکاری لیزرهیبرید نسبت به جوشکاری لیزر:
• پایداری فرآیند بالاتر
• قابلیت اتصال بالاتر
• نفوذ عمیقتر
• هزینههای سرمایهگذاری کمتر
• شکلپذیری بیشتر
مزایای جوشکاری لیزری هیبریدی نسبت به جوشکاری MIG:
• سرعت جوشکاری بالاتر
• نفوذ عمیقتر در سرعتهای جوشکاری بالاتر
• ورودی حرارتی کمتر
• استحکام کششی بالاتر
• درزهای جوش باریکتر
شکل ۷: مزایای ترکیب دو فرآیند
فرآیند جوشکاری قوسی با منبع انرژی کمهزینه، قابلیت پلسازی خوب و امکان تأثیرگذاری بر سازه با افزودن فلزات پرکننده مشخص میشود. از سوی دیگر، ویژگیهای متمایز فرآیند پرتو لیزر، عمق جوشکاری زیاد، سرعت جوشکاری بالا، بار حرارتی کم و درزهای جوش باریکی است که به دست میآورد. بالاتر از یک چگالی پرتو خاص، پرتو لیزر یک "اثر جوش عمیق" در مواد فلزی ایجاد میکند که امکان جوشکاری قطعات با ضخامت دیواره بیشتر را فراهم میکند - مشروط بر اینکه توان لیزر به اندازه کافی بالا باشد. بنابراین جوشکاری هیبریدی لیزری باعث سرعت جوشکاری بالاتر، تثبیت فرآیند به دلیل تعامل بین قوس و پرتو لیزر، افزایش راندمان حرارتی و تحمل بیشتر قطعه کار میشود. از آنجا که حوضچه جوش کوچکتر از فرآیند MIG است، ورودی حرارتی کمتری وجود دارد و بنابراین منطقه تحت تأثیر حرارت کوچکتری وجود دارد. این به معنای جوش کمتر است.
اعوجاج، که میزان کارهای صافکاری بعدی پس از جوشکاری را که باید انجام شود، کاهش میدهد.
در جایی که دو حوضچه جوش جداگانه وجود دارد، ورودی حرارتی بعدی از قوس به این معنی است که پرتو لیزر - ناحیه جوش داده شده - به خصوص در مورد فولاد - تحت عملیات تمپرینگ پس از جوشکاری قرار میگیرد و مقادیر سختی را به طور یکنواختتر در سراسر درز پخش میکند. شکل 6 مزایای فرآیند ترکیبی (یعنی ترکیبی) را خلاصه میکند.
حال با توجه به مزایای اقتصادی جوشکاری هیبریدی نسبت به جوشکاری لیزری، میتوان موارد زیر را بیان کرد: درز جوش شامل بخشی از جوش لیزری و بخشی از جوش MIG است. فرآیند هیبریدی امکان کاهش توان پرتو لیزر را فراهم میکند، به این معنی که مصرف انرژی منبع لیزر میتواند تا حد زیادی کاهش یابد، زیرا دستگاه پرتو لیزر تنها 3٪ راندمان دارد. به عبارت دیگر: کاهش 1 کیلووات در توان پرتو لیزر که بر قطعه کار تأثیر میگذارد، منجر به کاهش تقریباً 35 کیلوولت آمپر در توان مصرفی از شبکه برق میشود.
یک دستگاه پرتو لیزر برای هر ۱ کیلووات حدود ۰.۱ یورو هزینه دارد.توان پرتو لیزربرای مثال، در حالتی که استفاده از فرآیند ترکیبی امکان استفاده از دستگاه پرتو لیزر ۲ کیلوواتی به جای دستگاهی با توان پرتو ۴ کیلوواتی را فراهم میکند، این امر منجر به صرفهجویی ۰.۲ میلیون یورو در هزینههای سرمایهگذاری میشود. با این حال، باید به خاطر داشت که برای فرآیند ترکیبی، به یک دستگاه MIG با هزینهای حدود ۲۰،۰۰۰ یورو نیاز خواهد بود.
به لطف سرعت جوشکاری بالاتر، هم زمان ساخت و هم هزینههای جوشکاری میتواند کاهش یابد.
۶. لحیمکاری لیزری هاتوایر:
یکی دیگر از روشهای ممکن برای ترکیب پرتو لیزر با سیم پرکننده، فرآیند LaserHotwire است [10]. در این روش، سیم پرکننده با همان منبع تغذیه پیشگرم میشود که میتواند برای ... استفاده شود.فرآیند جوشکاری هیبریدی لیزریسیم پرکننده جریانی از ۱۰۰ آمپر تا ۲۲۰ آمپر را تحمل میکند. سرعت تغذیه سیم به سطح مقطع مهره لحیمکاری سخت و سرعت لحیمکاری سخت بستگی دارد. لحیمکاری سخت، به دلیل مقدار فلز پرکننده، ماده قالبگیریای را ارائه میدهد که میتوان آن را راحتتر از درزهای جوش مشابه پرداخت کرد. از طریق لحیمکاری سخت قطعات ورق، کار تعمیر را میتوان به روشی آسانتر از اتصالات جوش داده شده انجام داد. یکی از مزایای لحیمکاری سخت با لیزر هاتوایر، مقاومت خوب در برابر خوردگی ناحیه لحیمکاری شده است.
به عنوان فلزات پرکننده، از آلیاژهای ارزان قیمت پایه مس مانند SG-CuSi3 استفاده میشود و آرگون به عنوان گاز محافظ عمل میکند.
شکل ۸: نمایش شماتیکلحیم کاری با سیم داغ لیزری:
شکل بعدی سطح مقطع یک ماده لحیمکاری شده با لیزر سیم داغ را نشان میدهد. ماده روکش شده با روی با سرعت 3 متر بر دقیقه لحیمکاری میشود و سیم پرکننده دارای بار جریان 205 آمپر است. ورودی گرما بسیار کم است، بنابراین اعوجاج کمی در نتیجه فرآیند لحیمکاری ایجاد میشود.
۷. خلاصه:
جوشکاری هیبریدی لیزری یک فناوری کاملاً جدید است که برای زمینههای کاربردی گستردهای در صنایع فلزکاری، بهویژه در مواردی که دستیابی به تلرانسهای قطعه مورد نیاز برای جوشکاری امکان پذیر یا از نظر مالی مقرون به صرفه نیست، همافزایی ارائه میدهد.جوشکاری با پرتو لیزرطیف بسیار وسیعتر کاربرد و قابلیت بالای فرآیند ترکیبی منجر به افزایش رقابتپذیری از نظر کاهش هزینههای سرمایهگذاری، زمان ساخت کوتاهتر، هزینههای تولید پایینتر و بهرهوری بالاتر میشود.
فرآیند LaserHybrid همچنین رویکرد جدیدی را برای جوشکاری آلومینیوم ارائه میدهد. با این حال، یک فرآیند پایدار که بتواند در عمل مورد استفاده قرار گیرد، به لطف توانهای خروجی بالاتر موجود در لیزرهای حالت جامد، اخیراً نسبتاً امکانپذیر شده است. مطالعات متعددی اصول فرآیندهای جوشکاری لیزری-قوسی-هیبریدی را بررسی کردهاند. منظور ما از "فرآیند جوشکاری هیبریدی"، ترکیب جوشکاری پرتو لیزر و فرآیند جوشکاری قوسی، تنها با یک منطقه فرآیند واحد (پلاسما و مذاب) است. مطالعات تحقیقاتی پایه نشان دادهاند که فرآیندی امکانپذیر است که در آن - با ترکیب دو فرآیند - میتوان به همافزایی دست یافت و معایب هر فرآیند جداگانه را جبران کرد، که منجر به افزایش امکان جوشکاری، قابلیت جوشکاری و قابلیت اطمینان جوشکاری برای بسیاری از مواد و سازههای مختلف میشود. به طور خاص، این امر برای آلیاژهای آلومینیوم نشان داده شده است. با انتخاب پارامترهای فرآیند مطلوب، میتوان به طور انتخابی بر خواص جوش مانند هندسه و ساختار ساختاری تأثیر گذاشت. فرآیند جوشکاری قوسی با افزودن فلز پرکننده، قابلیت اتصال را افزایش میدهد. همچنین عرض درز جوش را تعیین میکند و بنابراین میزان آمادهسازی قطعه کار مورد نیاز را کاهش میدهد. علاوه بر این، تعاملاتی که بین فرآیندها رخ میدهد منجر به افزایش قابل توجه راندمان فرآیند میشود. این فرآیند ترکیبی همچنین به هزینههای سرمایهگذاری بسیار کمتری نسبت به فرآیند جوشکاری لیزری نیاز دارد.
فرآیند لحیمکاری با سیم داغ لیزری میتواند به ویژه برای مواد پوشش داده شده با روی برای دستیابی به مقاومت خوب در برابر خوردگی استفاده شود.
زمان ارسال: ۱۸ آوریل ۲۰۲۵
