جوشکاری نقطهای یک روش اتصال پرسرعت و مقرونبهصرفه است. این روش برای اتصال قطعات صفحات نازک با اتصالات روی هم که نیازی به هوابندی ندارند، مناسب است. انواع مختلفی از جوشکاری نقطهای وجود دارد، مانند جوشکاری مقاومتی نقطهای، جوشکاری قوسی نقطهای، جوشکاری چسبی نقطهای،جوشکاری نقطهای کامپوزیتو جوشکاری نقطهای لیزری. در حال حاضر، جوشکاری نقطهای مقاومتی به طور گسترده در تولید استفاده میشود. به عنوان مثال، در صنعت خودرو، 3000 تا 4000 نقطه جوش در طول مونتاژ قطعات پنل بدنه خودرو مورد نیاز است که به 250 تا 300 ربات، همراه با سیستمهای کنترل پشتیبانی و سایر تجهیزات کمکی نیاز دارد. با این حال، جوشکاری نقطهای مقاومتی انعطافپذیری کمی دارد. با توسعه سریع اقتصادی، چرخه بهروزرسانی اشکال و ساختارهای هندسی قطعات خودرو بسیار کوتاه شده است. ارتقاء محصولات و مدلهای جدید نیاز به نوع جدیدی از فناوری جوشکاری نقطهای دارد که کارآمد و انعطافپذیر باشد. بنابراین، فناوری جوشکاری نقطهای لیزری به تدریج مورد توجه قرار گرفته و انتظار میرود که به طور گسترده در تولید صنعتی خودرو مورد استفاده قرار گیرد. در حوزه هوافضا، جوشکاری نقطهای لیزری نیز به عنوان یک فناوری جایگزین در حال آزمایش است. مدتهاست که اتصالات روی هم محصولات هوافضا عموماً از پرچکاری استفاده میکنند که شامل فرآیندهای تولیدی متعدد و حجم کار سنگین است. با افزایش کاربرد مواد جدید مانند آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای تیتانیوم و مواد کامپوزیتی، اتخاذ فناوریهای جدید جوشکاری برای جایگزینی روشهای اتصال سنتی به یک روند اصلی تبدیل شده است. این امر نه تنها راندمان تولید را بهبود میبخشد، بلکه وزن سازه را نیز کاهش میدهد و الزامات جدید طراحی سازه را برآورده میکند که برای محصولات هوافضا از اهمیت بالایی برخوردار است. دقت و انعطافپذیری بالای جوشکاری نقطهای لیزری، مزایای قابل توجهی را در تولید عملی، به ویژه در صنعت هوانوردی، به آن میدهد، جایی که میتواند جایگزین فرآیندهای سنتی مانند جوشکاری نقطهای مقاومتی و پرچکاری شود.
I. تعریف و ویژگیهای جوشکاری نقطهای لیزری
تعریف
جوشکاری نقطهای لیزری به فرآیند ذوب و اتصال قطعات کار با استفاده از یک پالس لیزر (t > 1ms) یا مجموعهای از پالسهای لیزر در همان موقعیت اشاره دارد.
جوشکاری نقطهای لیزری اساساً شبیه به سایر فرآیندهای جوشکاری لیزری است؛ تنها تفاوت این است که در طول جوشکاری نقطهای، هیچ جابجایی نسبی بین پرتو لیزر و قطعه کار وجود ندارد. جوشکاری نقطهای لیزری به دو نوع تقسیم میشود: جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری سوراخ کلید. در جوشکاری نقطهای هدایت حرارتی، لیزر فقط میتواند فلز را بدون تبخیر ذوب کند. این روش برای جوشکاری فلزات با ضخامت کمتر از 0.5 میلیمتر، مانند جوشکاری نقطهای لیزر Nd:YAG قطعات الکترونیکی، مناسبتر است. در جوشکاری نقطهای لیزری سوراخ کلید، لیزر میتواند مستقیماً از طریق سوراخ کلید وارد داخل ماده شود و میزان استفاده از انرژی لیزر را افزایش داده و به عمق نفوذ بیشتری دست یابد. جوشکاری نقطهای مقاومتی سنتی، قطعات کار را ذوب میکند تا با استفاده از گرمای مقاومتی تولید شده توسط جریان الکتریکی، نقاط جوش تشکیل دهند، در حالی که منبع حرارتی جوشکاری نقطهای لیزری از تابش لیزر ناشی میشود که منجر به شکلهای مختلف نقطه جوش میشود.
پارامترهای قابل تنظیم جوشکاری نقطهای لیزری عموماً شامل توان لیزر، زمان جوشکاری نقطهای و میزان عدم فوکوس هستند. برای جوشکاری نقطهای با استفاده از حالت پالس، پارامترها شامل شکل موج پالس، فرکانس و چرخه کاری نیز میشوند. در میان این پارامترها، توان لیزر عمدتاً بر عمق نفوذ نقطه جوش تأثیر میگذارد، در حالی که زمان جوشکاری نقطهای تأثیر بیشتری بر اندازه جانبی نقطه جوش دارد. به طور کلی، هرچه زمان عمل لیزر طولانیتر باشد، اندازه سطوح بالایی و پایینی نقطه جوش و اندازه سطح ذوب بزرگتر است. تغییرات در میزان عدم فوکوس عمدتاً بر قطر نقطه و چگالی انرژی مؤثر بر سطح قطعه کار تأثیر میگذارد و بنابراین تأثیر قابل توجهی بر شکل کلی نقطه جوش دارد.
ویژگیها
- با استفاده از لیزر به عنوان منبع گرما، جوشکاری نقطهای سرعت بالا، دقت بالا، گرمای ورودی کم و حداقل تغییر شکل قطعه کار را ارائه میدهد.
- درجه آزادی در موقعیتهای جوشکاری نقطهای تا حد زیادی بهبود یافته است، که امکان جوشکاری نقطهای در همه موقعیتها را فراهم میکند و به راحتی قابل انجام است.جوش نقطهای یک طرفهو در نتیجه آزادی طراحی محصول را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد.
- جوشکاری نقطهای لیزری الزامات کمی برای اندازه اتصالات روی هم دارد. محدودیتهای کمی در پارامترهایی مانند مقدار روی هم قرار گرفتن اتصالات و فاصله بین نقاط جوش وجود دارد و نیازی به در نظر گرفتن تأثیر انحراف جریان نیست.
- برای جوشکاری صفحات با ضخامت نابرابر، مواد غیرمشابه و مواد خاص (آلیاژهای آلومینیوم، ورقهای گالوانیزه)، جوشکاری نقطهای لیزری عملکرد بهتری نسبت به روشهای سنتی جوشکاری نقطهای دارد.
- به تعداد زیادی تجهیزات کمکی نیاز ندارد، میتواند به سرعت با تغییرات محصول سازگار شود و نیازهای بازار را برآورده کند.
دوم. تحلیل عیوب جوشکاری نقطهای لیزری
ترکها، منافذ و فرورفتگیها رایجترین عیوب در جوشکاری نقطهای لیزری هستند که در زیر یک به یک مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند.
۱. ترکها
ترکها به ترکهای سطحی و ترکهای طولی تقسیم میشوند. سرعت گرمایش و سرمایش در طول جوشکاری نقطهای لیزری بسیار سریع است و در نتیجه گرادیان دمایی زیادی بین ناحیه گرم شده و فلز اطراف ایجاد میشود که به راحتی منجر به تشکیل ترک میشود. وقوع ترکها ارتباط نزدیکی با جنس ماده دارد. به عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم در طول جوشکاری نقطهای لیزری تمایل بسیار بیشتری به ترک خوردن نسبت به فولاد ضد زنگ دارند. یک روش مؤثر برای جلوگیری از تشکیل ترک، بهینهسازی شکل موج پالس برای کنترل سرعت سرمایش فرآیند انجماد فلز و کاهش تنش داخلی است.
۲. منافذ پوست
نقصهای متخلخل (منافذ) در جوشهای نقطهای لیزری را میتوان به منافذ کوچک و منافذ بزرگ تقسیم کرد. منافذ کوچک عمدتاً به دلیل کاهش حلالیت هیدروژن در فلز مایع در حین انجماد فلز و همچنین تبخیر سریع فلز در سوراخ کلید و آشفتگی حوضچه مذاب ایجاد میشوند. منافذ بزرگ عمدتاً به دلیل سرعت خنک شدن بیش از حد سریع در حین جوشکاری نقطهای لیزری هستند که زمان کافی برای پر شدن مجدد فلز اطراف سوراخ کلید باقی نمیگذارد. به طور کلی، منافذ کوچک در جوشکاری نقطهای با پالس بلند مستعد تشکیل هستند، در حالی که منافذ بزرگ احتمالاً در جوشکاری نقطهای با پالس کوتاه ایجاد میشوند.
دو محل وجود دارد که احتمال ایجاد منافذ در جوشکاری نقطهای لیزری در آنها بیشتر است: یکی نزدیک ناحیه ذوب در وسط نقطه جوش و دیگری در ریشه جوش. تصاویر ذوب گرفته شده توسط اشعه ایکس نشان میدهد که منافذ نزدیک ناحیه ذوب عمدتاً در اثر گلویی شدن هنگام بسته شدن سوراخ کلید ایجاد میشوند. برای منافذ ریشه جوش، آنها عمدتاً در اثر فروپاشی سوراخ کلید به دلیل ناپدید شدن سریع لیزر پس از تشکیل سوراخ کلید تشکیل میشوند.
۳. افتادگی
فرورفتگی یک پدیده آشکار در جوشکاری نقطهای لیزری است. فرورفتگی مرکزی روی سطح نقطه جوش و تجمع فلز در اطراف آن ناشی از نیروی پسزنی ایجاد شده توسط تبخیر فلز است که فلز مایع را به سطح نقطه جوش هل میدهد. در طول فرآیند خنکسازی، فلز انباشته شده روی سطح به سرعت جامد میشود و نمیتوان آن را به طور کامل پر کرد. علاوه بر این، از دست دادن مواد ناشی از تبخیر سریع فلز و پاشش آن یکی دیگر از عوامل مؤثر در فرورفتگی مرکزی است. زمان پالس تأثیر قابل توجهی بر فرورفتگی سطح نقطه جوش و تشکیل منافذ دارد. با بهینهسازی شکل موج پالس و زمان، میتوان نقاط جوش رضایتبخشی را به دست آورد.
۴. تأثیر میزان تمرکززدایی بر نقاط جوش
تغییرات در میزان عدم فوکوس مستقیماً قطر نقطه و چگالی انرژی را تغییر میدهد. وقتی میزان عدم فوکوس در هر دو جهت منفی و مثبت افزایش مییابد، به این معنی است که قطر نقطه افزایش و چگالی انرژی کاهش مییابد. در طول جوشکاری نقطهای لیزری، رابطه متناظر خاصی بین قطر نقطه و اندازه سوراخ کلید اولیه تشکیل شده توسط لیزر فرودی روی قطعه آزمایشی وجود دارد، در حالی که چگالی انرژی، نرخ انبساط حوضچه مذاب را تعیین میکند. وقتی مقدار مطلق میزان عدم فوکوس کوچک باشد، قطر نقطه لیزر کوچک است، چگالی توان لیزر بالا است و نرخ انبساط حوضچه مذاب نقطه جوش سریع است، اما قطر سوراخ کلید اولیه کوچک است. برعکس، وقتی میزان عدم فوکوس بزرگ باشد، قطر سوراخ کلید اولیه بزرگ است، اما نرخ انبساط حوضچه مذاب کاهش مییابد و اندازه نقطه جوش حاصل ممکن است بزرگ نباشد. بنابراین، در طول تغییر میزان عدم فوکوس، اثر جامع قطر نقطه و چگالی توان سطحی نقطه جوش، اندازه نقطه جوش را تعیین میکند.
III. کاربرد فناوری جوشکاری نقطهای لیزری
جوشکاری نقطهای لیزری دارای سرعت بالا، عمق نفوذ زیاد، حداقل تغییر شکل است و میتواند در دمای اتاق یا تحت شرایط خاص با تجهیزات جوشکاری ساده انجام شود. علاوه بر این، ظهور لیزرهای پالسی با فرکانس بالا (با فرکانس بالاتر از 40 پالس در ثانیه) کاربرد گسترده جوشکاری نقطهای لیزری را در مونتاژ و جوشکاری قطعات میکرو و کوچک در تولید انبوه خودکار امکانپذیر کرده است. هنگام جوشکاری قطعات الکترونیکی کوچک که به منطقه تحت تأثیر حرارت کوچکی نیاز دارند - مانند اتصال بین شیشه و فلز، اتصال اتصالات در مدارهای نیمههادی حساس به حرارت و اتصال بین فلزات مختلف در سیمها - جوشکاری نقطهای لیزری نسبت به فرآیندهای جوشکاری نقطهای سنتی (مثلاً جوشکاری نقطهای مقاومتی) با نقاط جوش بدون آلودگی و کیفیت جوش بالا، مزیت بیشتری دارد. شکل 6-60 نمونهای از کاربرد جوشکاری نقطهای لیزری را در تولید چراغهای جلو خودرو نشان میدهد: یک لیزر پالسی حالت جامد 500 وات، چهار نقطه جوش مشابه با فرکانس پالس بسیار بالا تولید میکند.
هنگام انجام جوشکاری نقطهای با دقت بالا روی ریزساختارها با استفاده از انرژی پالس بالا، لیزرهای پالسی Nd:YAG مزایای فنی و اقتصادی دارند. در اکثر کاربردهای جوشکاری نقطهای صنعتی، اساساً از لیزرهای حالت جامد پالسی با توان متوسط ۵۰ وات و توان پالس > ۲ کیلووات استفاده میشود. لیزر میتواند مستقیماً از طریق فیبرهای نوری یا لنزهای متمرکزکننده ترکیبی روی قطعه کار عمل کند.
جوشکاری نقطهای لیزری برای طیف وسیعی از مواد قابل استفاده است. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری نقطهای باتریهای لیتیوم، با استفاده از Nd:فناوری جوش نقطهای لیزر YAGاتصال فلزات مختلف نسبت به جوشکاری TIG و جوشکاری مقاومتی نقطهای کارآمدتر است. به طور خاص، از آنجایی که از فیبرهای نوری برای انتقال لیزر در طول تولید استفاده میشود، جابجایی سریع و انعطافپذیر بین میزهای کار مختلف راحت است.
به طور خلاصه، جوشکاری نقطهای لیزری دارای ویژگیهای زیر است:
- با افزایش توان لیزر، قطر سطح نقطه جوش به سمت بالا و پایین نوسان میکند، در حالی که قطر سطح جوش و سطح زیرین به آرامی افزایش مییابد. تغییر در شکل مقطع نقطه جوش آشکار نیست. با افزایش مدت زمان، اندازه نقطه جوش به سرعت افزایش مییابد و سرعت تغییر قطر سطح جوش بیشتر از قطرهای سطح بالایی و پایینی است. تغییر در میزان تمرکززدایی تأثیر قابل توجهی بر اندازه نقطه جوش دارد. این امر مستقیماً قطر نقطه و چگالی توان لیزر را تغییر میدهد و تأثیر جامع این دو عامل، اندازه نقطه جوش را تعیین میکند.
- در صورت نفوذ کامل، فرورفتگی آشکاری روی سطح جوش نقطهای لیزر وجود دارد. با افزایش توان و مدت زمان لیزر، عمق فرورفتگی روی سطح جوش افزایش مییابد. وقتی مدت زمان یا اندازه شکاف بزرگ باشد، سطح زیرین نیز ممکن است فرورفتگی نشان دهد.
- با افزایش شکاف، تغییر شکل کلی نقطه جوش، افتادگی مرکزی و فرورفتگی آشکار میشود. سطح جوش کوچک میشود و استحکام به سرعت کاهش مییابد. در حال حاضر، در جوشکاری مقاومتها، باتریها و حوزه الکترونیک، فرآیند جوشکاری همزمان دو نقطه معمولاً مورد استفاده قرار میگیرد که معمولاً طرحی با دو منبع نور لیزر را اتخاذ میکند.
زمان ارسال: ۲۷ اکتبر ۲۰۲۵
