پارامترهای فرآیند اصلی جوشکاری لیزری

1) قدرت لیزر یک آستانه چگالی انرژی لیزر در جوشکاری لیزری وجود دارد که زیر آن عمق مذاب کم است و زمانی که این مقدار به آن رسید یا از آن فراتر رفت، عمق مذاب به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. تنها زمانی که چگالی توان لیزر روی قطعه کار از آستانه (وابسته به مواد) فراتر رود، پلاسما تولید می‌شود که نشان‌دهنده تثبیت جوشکاری ذوب عمیق است. اگر توان لیزر زیر این آستانه باشد، قطعه کار فقط تحت ذوب سطحی قرار می گیرد، یعنی جوشکاری در نوع انتقال حرارت پایدار انجام می شود. هنگامی که چگالی توان لیزر نزدیک به شرایط بحرانی تشکیل سوراخ کوچک است، جوشکاری ذوب عمیق و جوش رسانایی متناوب می شوند و فرآیندهای جوشکاری ناپایدار می شوند و در نتیجه نوسانات زیادی در عمق مذاب ایجاد می شود. در جوشکاری همجوشی عمیق لیزر، توان لیزر هم عمق نفوذ و هم سرعت جوشکاری را کنترل می کند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. عمق جوش مذاب مستقیماً با چگالی توان پرتو ارتباط دارد و تابعی از توان پرتو فرودی و نقطه کانونی پرتو است. به طور کلی، برای قطر معینی از پرتو لیزر، با افزایش قدرت پرتو، عمق مذاب افزایش می‌یابد.

2) نقطه کانونی پرتو. اندازه نقطه پرتو یکی از مهم ترین متغیرها در جوشکاری لیزری است، زیرا چگالی توان را تعیین می کند. با این حال، اندازه‌گیری آن برای لیزرهای با قدرت بالا یک چالش است، اگرچه بسیاری از تکنیک‌های اندازه‌گیری غیرمستقیم در حال حاضر در دسترس هستند.

اندازه نقطه حدی پراش کانونی پرتو را می توان از تئوری پراش نور محاسبه کرد، اما نقطه واقعی به دلیل وجود انحراف عدسی متمرکز بزرگتر از مقدار محاسبه شده است. ساده ترین روش اندازه گیری واقعی، روش پروفیل همدما است که عبارت است از اندازه گیری نقطه کانونی و قطر سوراخ پس از سوزاندن و نفوذ به صفحه پلی پروپیلن با کاغذ ضخیم. این روش باید با تمرین و تسلط بر اندازه توان لیزر و زمان عمل پرتو اندازه گیری شود.

3) ارزش جذب مواد. جذب لیزر توسط ماده به برخی از خواص مهم مواد مانند سرعت جذب، بازتاب، هدایت حرارتی، دمای ذوب، دمای تبخیر و غیره بستگی دارد. مهمترین آنها نرخ جذب است.

عوامل موثر بر میزان جذب مواد به پرتو لیزر شامل دو جنبه است: اول، مقاومت ماده. پس از اندازه‌گیری نرخ جذب سطح صیقلی ماده، مشخص می‌شود که نرخ جذب مواد متناسب با ریشه دوم ضریب مقاومت است که به نوبه خود با دما تغییر می‌کند. ثانیاً، وضعیت سطح (یا پایان) ماده تأثیر مهم تری بر میزان جذب تیر دارد، بنابراین تأثیر قابل توجهی بر اثر جوش دارد.

طول موج خروجی لیزر CO2 معمولاً 10.6 میکرومتر است، سرامیک، شیشه، لاستیک، پلاستیک و سایر غیرفلزات در میزان جذب آن در دمای اتاق بسیار بالا است، در حالی که مواد فلزی در دمای اتاق در جذب آن بسیار ضعیف هستند، تا زمانی که مواد یک بار ذوب یا حتی تبخیر شوند، جذب آن به شدت افزایش می‌یابد. استفاده از پوشش سطحی یا روش تولید سطح از فیلم اکسیدی برای بهبود جذب مواد به تیر بسیار مؤثر است.

4) سرعت جوش سرعت جوش تأثیر زیادی بر عمق مذاب دارد، افزایش سرعت باعث می شود عمق مذاب کم شود، اما سرعت خیلی کم است و منجر به ذوب بیش از حد مواد، قطعه کار جوش می شود. بنابراین، یک توان لیزر معین و یک ضخامت معین از یک ماده خاص دارای محدوده مناسبی از سرعت جوش است و در آن می توان مقدار سرعت مربوطه را در زمانی که حداکثر عمق مذاب بدست آورد، بدست آورد. شکل 2 رابطه بین سرعت جوش و عمق ذوب فولاد 1018 را نشان می دهد.

5) گاز محافظ در فرآیند جوشکاری لیزری اغلب از گاز بی اثر برای محافظت از حوضچه مذاب استفاده می شود، زمانی که برخی از مواد بدون توجه به اکسیداسیون سطحی جوش داده می شوند، پس از آن نیز محافظت در نظر گرفته نمی شود، اما برای اکثر کاربردها اغلب از گازهای هلیوم، آرگون، نیتروژن و سایر گازها برای محافظت استفاده می شود، به طوری که قطعه کار در برابر اکسیداسیون در طول فرآیند جوشکاری استفاده می شود.

هلیوم به راحتی یونیزه نمی شود (انرژی یونیزاسیون بالا است)، به لیزر اجازه عبور داده و انرژی پرتو بدون مانع به سطح قطعه کار می رسد. این گاز موثرترین گاز محافظ مورد استفاده در جوشکاری لیزری است، اما گرانتر است.

آرگون ارزان تر و متراکم تر است، بنابراین بهتر محافظت می کند. با این حال، نسبت به یونیزاسیون پلاسمای فلزی در دمای بالا حساس است، که منجر به محافظت بخشی از پرتو به قطعه کار، کاهش قدرت موثر لیزر برای جوشکاری و همچنین کاهش سرعت جوش و عمق مذاب می شود. سطح قسمت جوش داده شده با محافظ آرگون نسبت به محافظ هلیوم صاف تر است.

نیتروژن ارزان ترین گاز محافظ است، اما برای برخی از انواع جوشکاری فولاد ضد زنگ مناسب نیست، عمدتاً به دلیل مشکلات متالورژیکی، مانند جذب، که گاهی اوقات باعث ایجاد تخلخل در ناحیه لپ می شود.

نقش دوم استفاده از گاز محافظ محافظت از لنز فوکوس کننده در برابر آلودگی بخار فلزی و پاشش قطرات مذاب مایع است. این امر به ویژه در جوشکاری لیزری با توان بالا، که در آن اجکت بسیار قوی می شود، ضروری است.

عملکرد سوم گاز محافظ این است که در پراکندگی محافظ پلاسمایی تولید شده توسط جوش لیزری پرقدرت موثر است. بخار فلز پرتو لیزر را جذب کرده و به صورت ابر پلاسما یونیزه می شود و گاز محافظ اطراف بخار فلز نیز در اثر گرما یونیزه می شود. اگر پلاسما بیش از حد وجود داشته باشد، اشعه لیزر تا حدودی توسط پلاسما مصرف می شود. وجود پلاسما به عنوان انرژی ثانویه بر روی سطح کار، عمق مذاب را کم‌تر و سطح حوضچه جوش را وسیع‌تر می‌کند. سرعت کمپلکس شدن الکترون با افزایش تعداد برخوردهای سه جسمی الکترون یون و اتم خنثی افزایش می یابد تا چگالی الکترون در پلاسما کاهش یابد. هر چه اتم خنثی سبکتر باشد، فرکانس برخورد بیشتر است، نرخ ترکیب بالاتر است. از سوی دیگر، فقط انرژی یونیزاسیون بالای گاز محافظ، به طوری که چگالی الکترون به دلیل یونیزاسیون خود گاز افزایش پیدا نکند.

همانطور که از جدول مشاهده می شود، اندازه ابر پلاسما با توجه به گاز محافظ مورد استفاده متفاوت است، هلیوم کوچکترین، پس از آن نیتروژن، و بزرگترین زمانی که از آرگون استفاده می شود، است. هرچه اندازه پلاسما بزرگتر باشد، عمق ذوب کمتر است. دلیل این تفاوت اولاً به دلیل درجه متفاوت یونیزاسیون مولکول های گاز و همچنین به دلیل تفاوت در انتشار بخار فلز ناشی از چگالی متفاوت گازهای محافظ است.

هلیم کمترین یونیزه و کمترین چگالی را دارد و به سرعت بخار فلزی که در حال افزایش است را از حوضچه فلز مذاب دفع می کند. بنابراین، استفاده از هلیوم به عنوان یک گاز محافظ می تواند سرکوب پلاسما را به حداکثر برساند، در نتیجه عمق مذاب را افزایش داده و سرعت جوش را بهبود می بخشد. ایجاد تخلخل به دلیل وزن سبک و توانایی فرار آن آسان نیست. البته از نتایج واقعی جوشکاری ما، اثر حفاظت با گاز آرگون بد نیست.

ابر پلاسما در عمق مذاب در منطقه سرعت جوش پایین واضح ترین است. هنگامی که سرعت جوش افزایش می یابد، تاثیر آن ضعیف می شود.

گاز محافظ از طریق دهانه نازل با فشار معینی خارج می شود تا به سطح قطعه کار برسد. شکل هیدرودینامیکی نازل و اندازه قطر خروجی بسیار مهم است. باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا گاز محافظ پاشیده شده را برای پوشاندن سطح جوشکاری کند، اما برای محافظت مؤثر از لنز و جلوگیری از آلودگی بخار فلز یا آسیب پاشش فلز به لنز، اندازه نازل نیز باید محدود شود. سرعت جریان نیز باید کنترل شود، در غیر این صورت جریان آرام گاز محافظ متلاطم می شود و جو در حوضچه مذاب درگیر می شود و در نهایت تخلخل ایجاد می کند.

به منظور بهبود اثر حفاظتی، راه دمیدن جانبی اضافی نیز موجود است، یعنی از طریق یک نازل با قطر کوچکتر، گاز محافظ به یک زاویه خاص به طور مستقیم به سوراخ جوش مذاب عمیق می رود. گاز محافظ نه تنها ابر پلاسما را بر روی سطح قطعه کار سرکوب می کند، بلکه بر پلاسمای داخل سوراخ و تشکیل سوراخ کوچک نیز تأثیر می گذارد و عمق همجوشی را بیشتر می کند و درز جوش عمیق تر و گسترده تر از حد مطلوب به دست می آورد. با این حال، این روش نیاز به کنترل دقیق اندازه و جهت جریان گاز دارد، در غیر این صورت ایجاد تلاطم و آسیب به حوضچه مذاب آسان است و در نتیجه فرآیند جوشکاری به سختی تثبیت می شود.

6) فاصله کانونی لنز. معمولاً از جوشکاری برای فوکوس کردن روش همگرایی لیزر استفاده می‌شود، انتخاب کلی 63 ~ 254 میلی‌متر (2.5 '~ 10') فاصله کانونی لنز. اندازه نقطه متمرکز متناسب با فاصله کانونی است، هر چه فاصله کانونی کوتاهتر باشد، نقطه کوچکتر است. اما فاصله کانونی بر عمق کانونی نیز تأثیر می گذارد، یعنی عمق کانونی همزمان با فاصله کانونی افزایش می یابد، بنابراین فاصله کانونی کوتاه می تواند چگالی توان را بهبود بخشد، اما به دلیل عمق کانونی کم، فاصله بین لنز و قطعه کار باید به طور دقیق حفظ شود و عمق ذوب زیاد نیست. با توجه به تأثیر پاشش ایجاد شده در طول فرآیند جوشکاری و حالت لیزر، جوش واقعی با استفاده از کوتاه‌ترین عمق فوکوس، فاصله کانونی بیشتر 126 میلی‌متر (5') است. هنگامی که درز بزرگ است یا باید با افزایش اندازه نقطه، درز جوش را افزایش داد، عدسی با فاصله کانونی 254 میلی‌متر (10، کمتر خروجی انتخاب شده a). برای دستیابی به اثر سوراخ کوچک ذوب عمیق لازم است.

هنگامی که قدرت لیزر بیش از 2 کیلو وات است، به خصوص برای پرتو لیزر CO2 10.6μm، به دلیل استفاده از مواد نوری ویژه برای تشکیل سیستم نوری، به منظور جلوگیری از خطر آسیب نوری به لنز فوکوس، اغلب روش فوکوس بازتابی را انتخاب کنید، به طور کلی از آینه مس جلا برای بازتابنده استفاده کنید. با توجه به خنک کننده موثر، اغلب برای فوکوس پرتو لیزر با قدرت بالا توصیه می شود.

7) موقعیت نقطه کانونی. جوشکاری، به منظور حفظ چگالی توان کافی، موقعیت نقطه کانونی حیاتی است. تغییر در موقعیت نقطه کانونی نسبت به سطح قطعه کار مستقیماً بر عرض و عمق جوش تأثیر می گذارد. شکل 3 تأثیر موقعیت نقطه کانونی را بر عمق مذاب و عرض درز فولاد 1018 نشان می دهد. در بیشتر کاربردهای جوش لیزری، نقطه کانونی معمولاً تقریباً 1/4 عمق مذاب مورد نظر در زیر سطح قطعه کار قرار می گیرد.

8) موقعیت پرتو لیزر. هنگام جوشکاری لیزری مواد مختلف، موقعیت پرتو لیزر کیفیت نهایی جوش را کنترل می کند، به ویژه در مورد اتصالات لب به لب که نسبت به اتصالات لبه به این امر حساس تر هستند. به عنوان مثال، هنگامی که چرخ دنده های فولادی سخت شده به درام های فولادی نرم جوش داده می شوند، کنترل مناسب موقعیت پرتو لیزر، تولید جوشی با جزء عمدتاً کربن پایین را تسهیل می کند که مقاومت در برابر ترک بهتری دارد. در برخی از کاربردها، هندسه قطعه کار برای جوشکاری مستلزم انحراف پرتو لیزر با یک زاویه است. هنگامی که زاویه انحراف بین محور پرتو و صفحه اتصال در 100 درجه باشد، جذب انرژی لیزر توسط قطعه کار تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت.

9) جوشکاری نقطه شروع و پایان افزایش تدریجی قدرت لیزر، کنترل کاهش تدریجی. جوشکاری همجوشی عمیق لیزری، صرف نظر از عمق جوش، پدیده سوراخ‌های کوچک همیشه وجود دارد. هنگامی که فرآیند جوشکاری پایان می یابد و کلید برق خاموش می شود، دهانه ای در انتهای جوش ظاهر می شود. علاوه بر این، زمانی که لایه جوش لیزری جوش اصلی را بپوشاند، جذب بیش از حد پرتو لیزر و در نتیجه گرم شدن بیش از حد یا تخلخل جوش خواهد بود.

برای جلوگیری از پدیده های فوق می توان نقاط شروع و توقف برق را طوری برنامه ریزی کرد که زمان شروع و توقف برق قابل تنظیم شود یعنی در مدت زمان کوتاهی توان راه اندازی از صفر به مقدار توان تنظیم شده به صورت الکترونیکی افزایش یافته و زمان جوش تنظیم شود و در نهایت با پایان یافتن جوشکاری به تدریج توان از توان تنظیم شده به مقدار صفر کاهش یابد.