دایره المعارف کوچک: اصول و کاربردهای فرآیند جوشکاری لیزر
سطوح انرژی
ماده از اتمها تشکیل شده است و اتمها از هسته و الکترونها تشکیل شدهاند. الکترونها به دور هسته میچرخند. انرژی الکترونها در یک اتم دلخواه نیست.
مکانیک کوانتومی، که دنیای میکروسکوپی را توصیف میکند، به ما میگوید که الکترونها سطوح انرژی ثابتی را اشغال میکنند. سطوح انرژی مختلف با انرژیهای مختلف الکترون مطابقت دارند: مدارهای دورتر از هسته انرژی بالاتری دارند.
علاوه بر این، هر مدار میتواند حداکثر تعداد الکترون را در خود جای دهد. برای مثال، پایینترین مدار (نزدیکترین به هسته) میتواند تا ۲ الکترون را در خود جای دهد، در حالی که مدارهای بالاتر میتوانند تا ۸ الکترون را در خود جای دهند و به همین ترتیب ادامه مییابد.
گذار
الکترونها میتوانند با جذب یا آزادسازی انرژی از یک سطح انرژی به سطح انرژی دیگر منتقل شوند.
برای مثال، وقتی یک الکترون یک فوتون جذب میکند، ممکن است از یک سطح انرژی پایینتر به سطح انرژی بالاتر بپرد. به طور مشابه، یک الکترون در سطح انرژی بالاتر میتواند با انتشار یک فوتون به سطح پایینتری سقوط کند.
در این فرآیندها، انرژی فوتون جذب شده یا ساطع شده همیشه برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح است. از آنجایی که انرژی فوتون طول موج نور را تعیین میکند، نور جذب شده یا ساطع شده رنگ ثابتی دارد.
اصل تولید لیزر
جذب تحریکشده
جذب القایی زمانی اتفاق میافتد که اتمها در حالت کمانرژی، تابش خارجی را جذب کرده و به حالت پرانرژی منتقل شوند. الکترونها میتوانند با جذب فوتونها از سطوح انرژی پایین به بالا جهش کنند.
گسیل القایی
گسیل القایی به این معنی است که الکترونها در سطح انرژی بالا، تحت «تحریک» یا «القاء» یک فوتون، به سطح انرژی پایینتری منتقل میشوند و فوتونی با فرکانس مشابه فوتون فرودی گسیل میکنند.
ویژگی کلیدی گسیل القایی این است که فوتون تولید شده با فوتون اصلی یکسان است: فرکانس یکسان، جهت یکسان و کاملاً غیرقابل تشخیص. به این ترتیب، یک فوتون از طریق یک فرآیند گسیل القایی به دو فوتون یکسان تبدیل میشود. این به این معنی است که نور تقویت یا تشدید میشود - اصل اساسی تولید لیزر.
انتشار خود به خودی
گسیل خودبهخودی زمانی رخ میدهد که الکترونها در یک سطح انرژی بالا بدون تأثیر خارجی به سطح پایینتری سقوط میکنند و در طول گذار، نور (تابش الکترومغناطیسی) ساطع میکنند. انرژی فوتون برابر است با E=E2−E1، که اختلاف انرژی بین دو سطح است.
شرایط تولید لیزر
محیط تقویت لیزر
تولید لیزر به یک محیط فعال مناسب نیاز دارد که میتواند گاز، مایع، جامد یا نیمهرسانا باشد. نکته کلیدی، دستیابی به وارونگی جمعیت در محیط است که شرط لازم برای خروجی لیزر است. سطوح انرژی شبهپایدار برای وارونگی جمعیت بسیار مفید هستند.
منبع پمپاژ
برای دستیابی به وارونگی جمعیت، سیستم اتمی باید برانگیخته شود تا تعداد ذرات در سطح انرژی بالاتر افزایش یابد.
روشهای رایج عبارتند از:
- پمپاژ الکتریکی: تخلیه گاز با استفاده از الکترونهای با انرژی جنبشی بالا
- پمپاژ نوری: تابش توسط منابع نور پالسی
- پمپاژ حرارتی، پمپاژ شیمیایی و غیره
این روشها در مجموع پمپاژ نامیده میشوند. پمپاژ مداوم برای حفظ ذرات بیشتر در سطح بالایی نسبت به سطح پایینی برای خروجی پایدار لیزر مورد نیاز است.
رزوناتور
با یک محیط بهره و منبع پمپاژ مناسب، میتوان به وارونگی جمعیت دست یافت، اما شدت گسیل القایی برای استفاده عملی بسیار ضعیف است. تقویت بیشتر مورد نیاز است که توسط یک تشدیدگر نوری تأمین میشود.
یک تشدیدگر نوری از دو آینه با بازتابندگی بالا تشکیل شده است که به طور موازی در دو انتهای لیزر قرار گرفتهاند:
- یک آینه بازتاب کامل
- یک آینه بازتاب جزئی و یک آینه عبور جزئی
آینه بازتاب کلی، تمام نور تابیده شده را در امتداد مسیر اصلی خود منعکس میکند. آینه بازتاب جزئی، فوتونهای پایینتر از یک آستانه انرژی خاص را به داخل محیط بازتاب میدهد، در حالی که فوتونهای بالاتر از آستانه انرژی، به صورت نور لیزر تقویتشده به بیرون منتقل میشوند.
نور در تشدیدگر به جلو و عقب نوسان میکند و یک واکنش زنجیرهای از گسیل القایی را آغاز میکند که مانند بهمن تقویت میشود تا خروجی لیزر با شدت بالا تولید کند.
لامپ پمپ چیست؟
لامپ زنون یک لامپ تخلیه گاز بیاثر است که معمولاً به شکل لوله مستقیم میباشد. این لامپ عموماً از الکترودها، یک لوله کوارتز و گاز زنون (Xe) پر شده تشکیل شده است.
الکترودها از فلزی با نقطه ذوب بالا، راندمان بالای انتشار الکترون و کندوپاش کم ساخته شدهاند. لوله لامپ از شیشه کوارتز با استحکام بالا، مقاوم در برابر دمای بالا و عبوردهی بالا، پر شده با گاز زنون ساخته شده است.
میله لیزر Nd:YAG چیست؟
Nd:YAG (گارنت ایتریوم آلومینیوم آلاییده با نئودیمیوم) رایجترین ماده لیزر جامد مورد استفاده است.
YAG یک کریستال مکعبی با سختی بالا، کیفیت نوری عالی و رسانایی حرارتی بالا است. یونهای سه ظرفیتی نئودیمیم جایگزین برخی از یونهای سه ظرفیتی ایتریم در شبکه کریستالی میشوند، از این رو به آن گارنت آلومینیوم ایتریم آلاییده با نئودیمیم میگویند.
ویژگیهای لیزر
انسجام خوب
نور از منابع معمولی از نظر جهت، فاز و زمانبندی نامنظم است و حتی با یک لنز هم نمیتوان آن را در یک نقطه متمرکز کرد.
نور لیزر بسیار منسجم است: فرکانس خالصی دارد، در یک جهت و با فاز کامل منتشر میشود و میتواند با انرژی بسیار متمرکز در یک نقطه کوچک متمرکز شود.
جهت گیری عالی
لیزر نسبت به هر منبع نور دیگری، جهتگیری بسیار بهتری دارد و تقریباً مانند یک پرتو موازی رفتار میکند. حتی وقتی به سمت ماه (حدود ۳۸۴۰۰۰ کیلومتر دورتر) نشانه گرفته میشود، قطر نقطه تابشی آن تنها حدود ۲ کیلومتر است.
تک رنگ بودن خوب
نور لیزر حاصل از گسیل القایی، محدوده فرکانسی بسیار باریکی دارد. به عبارت ساده، لیزر تکرنگی بسیار خوبی دارد - "رنگ" آن بسیار خالص است. تکرنگی برای کاربردهای پردازش لیزری بسیار مهم است.
روشنایی بالا
جوشکاری لیزری از جهتگیری عالی و چگالی توان بالای پرتوهای لیزر استفاده میکند. لیزر از طریق یک سیستم نوری در یک ناحیه کوچک متمرکز میشود و در مدت زمان بسیار کوتاهی یک منبع حرارتی بسیار متمرکز تشکیل میدهد که ماده را ذوب کرده و نقاط جوش و درزهای پایدار ایجاد میکند.
مزایای جوشکاری لیزر
در مقایسه با سایر روشهای جوشکاری، جوشکاری لیزر مزایای زیر را ارائه میدهد:
- تمرکز انرژی بالا، راندمان جوشکاری بالا، دقت بالا و نسبت عمق به عرض زیاد جوشها.
- گرمای ورودی کم، ناحیه متاثر از حرارت کوچک، تنش پسماند و تغییر شکل حداقل.
- جوشکاری غیر تماسی، انتقال فیبر نوری انعطافپذیر، دسترسی خوب و اتوماسیون بالا.
- طراحی اتصالات انعطافپذیر، صرفهجویی در مواد اولیه.
- انرژی دقیقاً قابل کنترل، نتایج جوشکاری پایدار و ظاهر جوش عالی.
فرآیندهای جوشکاری لیزری برای مواد فلزی
فولاد ضد زنگ
- با پالسهای موج مربعی معمولی میتوان به نتایج خوبی دست یافت.
- اتصالات را طوری طراحی کنید که نقاط جوش از مواد غیرفلزی دور نگه داشته شوند.
- برای استحکام و ظاهر مناسب، سطح جوشکاری و ضخامت قطعه کار را به اندازه کافی در نظر بگیرید.
- از تمیزی قطعه کار و خشک بودن محیط در حین جوشکاری اطمینان حاصل کنید.
آلیاژهای آلومینیوم
- بازتاب بالا نیاز به توان اوج لیزر بالایی دارد.
- مستعد ترک خوردن در حین جوشکاری نقطهای پالسی و کاهش استحکام است.
- ترکیب مواد ممکن است باعث پاشش شود؛ از مواد اولیه با کیفیت بالا استفاده کنید.
- نتایج بهتر با اندازه نقطه بزرگ و پهنای پالس طولانی.
مس و آلیاژهای مس
- بازتابپذیری بالاتر از آلومینیوم؛ به توان اوج لیزر حتی بالاتری نیاز دارد.
- سر لیزر باید با زاویه کج شود.
- جوشکاری آلیاژهای مس (برنج، کوپرونیکل و غیره) به دلیل عناصر آلیاژی دشوارتر است؛ انتخاب دقیق پارامترها لازم است.
عیوب رایج در جوشکاری لیزری و راهکارهای آن
پارامترهای نادرست یا عملکرد نامناسب اغلب باعث ایجاد نقص در جوشکاری میشوند، از جمله:
- پاشش سطحی
- تخلخل داخلی جوش
- ترکهای جوشکاری
- تغییر شکل جوشکاری
پاشش جوش
پاشش عمدتاً ناشی از چگالی توان لیزر بیش از حد بالا است: قطعه کار در مدت زمان کوتاهی انرژی زیادی جذب میکند که منجر به تبخیر شدید ماده و واکنش شدید حوضچه مذاب میشود.
پاشش به ظاهر، دقت مونتاژ و استحکام جوش آسیب میرساند.
علل
- توان اوج لیزر بیش از حد بالا.
- شکل موج جوشکاری نامناسب، به خصوص برای مواد با بازتاب بالا.
- جداسازی مواد منجر به جذب انرژی بالای موضعی میشود.
- آلودگی یا ناخالصیهای غیرفلزی روی سطح قطعه کار.
- مواد با نقطه ذوب پایین بین یا زیر قطعات کار، که در حین جوشکاری گاز تولید میکنند.
- ساختارهای توخالی بسته که باعث انبساط گاز و پاشش میشوند.
راهکارها
- بهینهسازی پارامترها: کاهش توان اوج یا استفاده از شکل موجهای اسپایک.
- از مواد اولیه مرغوب و با کیفیت بالا استفاده کنید.
- تمیزکاری قبل از جوشکاری را تقویت کنید تا روغن و ناخالصیها از بین بروند.
- بهینه سازی طراحی سازه جوشکاری
تخلخل داخلی
تخلخل شایعترین نقص در جوشکاری لیزر است. چرخه حرارتی سریع و طول عمر کوتاه حوضچه مذاب از خروج گاز جلوگیری کرده و منافذی را تشکیل میدهد.
انواع رایج: منافذ هیدروژن، منافذ مونوکسید کربن و منافذ ناشی از فروپاشی سوراخ کلید.
ترکهای جوشکاری
ترکها به شدت استحکام جوش و عمر مفید آن را کاهش میدهند. گرم و سرد شدن سریع جوش لیزری، خطر ترک خوردن را افزایش میدهد.
بیشتر ترکهای جوشکاری لیزری، ترکهای داغ هستند که در آلیاژهای آلومینیوم و فولادهای پرکربن/پرآلیاژ رایج میباشند.
پیشگیری
- برای مواد شکننده، برای کاهش ترک خوردگی، شکل موجهای پیشگرمایش و سرمایش آهسته را اضافه کنید.
- بهینه سازی طراحی اتصال برای کاهش تنش جوشکاری.
- موادی را انتخاب کنید که تحت عملکرد معادل، تمایل کمتری به ترک خوردن داشته باشند.
تغییر شکل جوشکاری
تغییر شکل اغلب در ورقهای نازک، قطعات کار با مساحت زیاد یا جوشکاری چند نقطهای رخ میدهد و بر مونتاژ و عملکرد تأثیر میگذارد. این امر ناشی از ورودی ناهموار گرما و انبساط/انقباض حرارتی ناهماهنگ است.
راهکارها
- بهینهسازی پارامترها برای کاهش ورودی گرما: افزایش توان اوج و در عین حال کاهش پهنای پالس.
- سرعت جوشکاری و فرکانس پالس را کاهش دهید تا گرما در واحد زمان کاهش یابد.
- بهینه سازی توالی جوشکاری برای اطمینان از گرمایش یکنواخت.
زمان ارسال: ۲۵ فوریه ۲۰۲۶
