بررسی دقیق جوشکاری پرتو لیزر - فروشگاه اینترنتی آیسان شاپ

جوشکاری پرتو لیزر

جوشکاری پرتو لیزر (LBW) یک روش جوشکاری است که برای اتصال قطعات فلزی یا ترموپلاستیک از طریق استفاده از لیزر استفاده می شود. پرتو یک منبع گرمای متمرکز را فراهم می کند و امکان جوش های باریک، عمیق و سرعت جوش بالا را فراهم می کند. این فرآیند اغلب در کاربردهایی با حجم بالا و دقت بالا با استفاده از اتوماسیون، مانند صنایع خودروسازی و هوانوردی، مورد استفاده قرار می گیرد. این جوشکاری بر اساس سوراخ کلید یا حالت نفوذ است.

عملکرد

مانند جوشکاری با پرتو الکترونی (EBW)، جوشکاری پرتو لیزر دارای چگالی توان بالایی (در حد 1 مگاوات بر سانتی‌متر مربع) است که منجر به ایجاد مناطق کوچک تحت تأثیر حرارت و نرخ گرمایش و سرمایش بالا می‌شود. اندازه نقطه لیزر می تواند بین 0.2 میلی متر تا 13 میلی متر متغیر باشد، اگرچه فقط اندازه های کوچکتر برای جوشکاری استفاده می شود. عمق نفوذ متناسب با مقدار برق عرضه شده است، اما به محل نقطه کانونی نیز بستگی دارد: نفوذ زمانی به حداکثر می رسد که نقطه کانونی کمی زیر سطح قطعه کار باشد.

بسته به کاربرد ممکن است از پرتو لیزر پیوسته یا پالسی استفاده شود. پالس های با طول میلی ثانیه برای جوش دادن مواد نازک مانند تیغ های تیغ استفاده می شود در حالی که سیستم های لیزر پیوسته برای جوش های عمیق استفاده می شود.

جوشکاری پرتو لیزر یک فرآیند همه کاره است که قادر به جوشکاری فولادهای کربنی، فولادهای HSLA، فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و تیتانیوم است. به دلیل سرعت خنک کنندگی بالا، ترک خوردن در هنگام جوشکاری فولادهای پر کربن یک نگرانی است. کیفیت جوش مانند جوشکاری با پرتو الکترونی بالا است. سرعت جوشکاری متناسب با مقدار توان تامین شده است اما به نوع و ضخامت قطعه کار نیز بستگی دارد. توان بالای لیزرهای گازی آنها را به ویژه برای کاربردهای با حجم بالا مناسب می کند. LBW به ویژه در صنعت خودروسازی مسلط است.

برخی از مزایای LBW در مقایسه با EBW عبارتند از:

پرتو لیزر را می توان از طریق هوا به جای نیاز به خلاء منتقل کرد
این فرآیند به راحتی با ماشین آلات روباتیک خودکار می شود
اشعه ایکس تولید نمی شود
LBW منجر به جوش با کیفیت بالاتر می شود

مشتق LBW، جوشکاری هیبریدی لیزری، لیزر LBW را با روش جوشکاری قوس الکتریکی مانند جوشکاری قوس فلزی با گاز ترکیب می کند. این ترکیب به انعطاف پذیری بیشتر در موقعیت یابی اجازه می دهد، زیرا GMAW فلز مذاب را برای پر کردن محل اتصال تامین می کند و به دلیل استفاده از لیزر، سرعت جوش را بیش از آنچه که معمولاً با GMAW امکان پذیر است افزایش می دهد. کیفیت جوش نیز بیشتر است، زیرا پتانسیل برای زیر برش کاهش می یابد.

تجهیزات

اتوماسیون و CAM

اگرچه جوشکاری پرتو لیزر را می توان با دست انجام داد، اکثر سیستم ها خودکار هستند و از یک سیستم تولید به کمک کامپیوتر بر اساس طرح های کامپیوتری استفاده می کنند. لیزر جوشکاری همچنین می تواند با فرز جفت شود تا یک قطعه تمام شده را تشکیل دهد.

در سال 2016 پروژه RepRap، که از لحاظ تاریخی بر روی ساخت رشته های ذوب شده کار می کرد، به توسعه سیستم های جوشکاری لیزری منبع باز گسترش یافت. چنین سیستم هایی به طور کامل مشخص شده اند و می توانند در مقیاس وسیعی از کاربردها استفاده شوند و در عین حال هزینه های تولید معمولی را کاهش دهند.

لیزرها

دو نوع لیزری که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، لیزرهای حالت جامد (به ویژه لیزرهای یاقوتی و لیزرهای Nd:YAG) و لیزرهای گازی هستند.
نوع اول از یکی از چندین محیط جامد، از جمله یاقوت مصنوعی (کروم در اکسید آلومینیوم)، نئودیمیم در شیشه (Nd:glass) و رایج ترین نوع، نئودیمیم در گارنت آلومینیوم ایتریم (Nd:YAG) استفاده می کند.
لیزرهای گازی از مخلوط گازهایی مانند هلیوم، نیتروژن و دی اکسید کربن (لیزر CO2) به عنوان رسانه استفاده می کنند.
با این حال، صرف نظر از نوع، هنگامی که محیط برانگیخته می شود، فوتون ساطع می کند و پرتو لیزر را تشکیل می دهد.
حالت جامد
لیزرهای حالت جامد در طول موج‌های حدود 1 میکرومتر عمل می‌کنند که بسیار کوتاه‌تر از لیزرهای گازی مورد استفاده برای جوشکاری هستند، و در نتیجه اپراتورها باید از عینک‌های مخصوص استفاده کنند یا از صفحه‌نمایش مخصوص برای جلوگیری از آسیب شبکیه استفاده کنند. لیزرهای Nd:YAG می توانند در دو حالت پالسی و پیوسته عمل کنند، اما انواع دیگر به حالت پالسی محدود می شوند. طرح اصلی و هنوز محبوب حالت جامد یک کریستال تک کریستالی به شکل میله ای به قطر تقریباً 20 میلی متر و طول 200 میلی متر است و انتهای آن صاف است. این میله توسط یک لوله فلاش حاوی زنون یا کریپتون احاطه شده است. هنگامی که چشمک می زند، یک پالس نور به مدت حدود دو میلی ثانیه توسط لیزر ساطع می شود. محبوبیت کریستال های دیسکی شکل در صنعت رو به افزایش است و فلاش لامپ ها به دلیل کارایی بالا جای خود را به دیودها می دهند. توان خروجی معمولی برای لیزرهای یاقوتی 10 تا 20 وات است، در حالی که خروجی لیزر Nd:YAG بین 0.04 تا 6000 وات است. برای رساندن پرتو لیزر به ناحیه جوش، معمولاً از فیبر نوری استفاده می‌شود.

گاز

لیزرهای گازی از منابع انرژی با ولتاژ بالا و جریان کم برای تامین انرژی مورد نیاز برای برانگیختن مخلوط گازی استفاده می‌کنند که به عنوان رسانه لیزر استفاده می‌شود. این لیزرها می توانند در هر دو حالت پیوسته و پالسی کار کنند و طول موج پرتو لیزر گاز CO2 10.6 میکرومتر، عمیق مادون قرمز، یعنی “گرما” است. کابل فیبر نوری این طول موج را جذب می کند و از بین می رود، بنابراین از یک لنز سفت و سیستم تحویل آینه استفاده می شود. توان خروجی لیزرهای گازی می تواند بسیار بیشتر از لیزرهای حالت جامد باشد و به 25 کیلو وات می رسد.

فیبر

در لیزرهای فیبر، رسانه اصلی خود فیبر نوری است. آنها می توانند تا 50 کیلو وات قدرت داشته باشند و به طور فزاینده ای برای جوشکاری صنعتی روباتیک استفاده می شوند.

تحویل پرتو لیزر

دستگاه های جوشکاری پرتو لیزر مدرن را می توان به دو نوع دسته بندی کرد. در نوع سنتی، خروجی لیزر به دنبال درز حرکت می کند. این معمولا با یک ربات به دست می آید. در بسیاری از کاربردهای مدرن، از جوشکاری پرتو لیزر از راه دور استفاده می شود. در این روش پرتو لیزر به کمک اسکنر لیزری در امتداد درز حرکت داده می شود تا بازوی رباتیک دیگر نیازی به دنبال کردن درز نداشته باشد. از مزایای جوشکاری لیزری از راه دور سرعت بالاتر و دقت بالاتر فرآیند جوشکاری است.

مدل سازی حرارتی جوشکاری لیزری پالسی

دستگاه جوشکاری لیزری پالسی نسبت به جوشکاری لیزری با موج پیوسته (CW) مزایایی دارد. برخی از این مزایا تخلخل کمتر و پاشش کمتر است. جوشکاری لیزری پالسی نیز دارای معایبی از جمله ایجاد ترک داغ در آلیاژهای آلومینیوم است. تجزیه و تحلیل حرارتی فرآیند جوشکاری لیزری پالسی می‌تواند به پیش‌بینی پارامترهای جوشکاری مانند عمق همجوشی، سرعت خنک‌سازی و تنش‌های پسماند کمک کند. با توجه به پیچیدگی فرآیند لیزر پالسی، لازم است از روشی استفاده شود که شامل یک چرخه توسعه باشد. این چرخه شامل ساخت یک مدل ریاضی، محاسبه یک چرخه حرارتی با استفاده از تکنیک‌های مدل‌سازی عددی مانند مدل‌سازی اجزای محدود (FEM) یا روش تفاضل محدود (FDM) یا مدل‌های تحلیلی با فرضیات ساده‌سازی، و اعتبارسنجی مدل با اندازه‌گیری‌های تجربی است.

روشی که برخی از مدل های منتشر شده را ترکیب می کند شامل موارد زیر است:

تعیین راندمان جذب توان
محاسبه فشار پس زدگی بر اساس دما و معادله کلازیوس-کلاپیرون.
سرعت های جریان سیال را با استفاده از روش حجم سیال (VOF) محاسبه کنید.
محاسبه توزیع دما
زمان را افزایش دهید و مراحل 1-4 را تکرار کنید.
اعتبارسنجی نتایج

مرحله 1

تمام انرژی تابشی جذب نمی شود و برای جوشکاری به گرما تبدیل نمی شود. مقداری از انرژی تشعشعی در پلاسمای ایجاد شده توسط تبخیر و سپس یونیزه شدن گاز جذب می شود. علاوه بر این، میزان جذب تحت تأثیر طول موج پرتو، ترکیب سطحی ماده جوش داده شده، زاویه تابش و دمای ماده است.

فرض منبع نقطه‌ای روزنتال یک ناپیوستگی دمای بی‌نهایت بالا بر جای می‌گذارد که به جای آن با فرض توزیع گاوسی برطرف می‌شود. انرژی تابشی نیز به طور یکنواخت در درون پرتو توزیع نمی شود. برخی از دستگاه ها توزیع انرژی گاوسی را تولید می کنند، در حالی که برخی دیگر می توانند دووجهی باشند. توزیع انرژی گاوسی را می توان با ضرب چگالی توان در تابعی مانند زیر اعمال کرد: $f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})$ ، جایی که r فاصله شعاعی از مرکز پرتو است، $a_{o}$ = شعاع پرتو یا اندازه نقطه.

استفاده از توزیع دما به جای فرض منبع نقطه ای امکان محاسبه آسان تر خواص مواد وابسته به دما مانند قابلیت جذب را فراهم می کند. در سطح تحت تابش، هنگامی که سوراخ کلید تشکیل می شود، بازتاب فرنل (جذب تقریباً کامل انرژی پرتو به دلیل بازتاب چندگانه در حفره سوراخ کلید) رخ می دهد و می تواند توسط $\alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}$ مدل شود. ، که در آن ε تابعی از ثابت دی الکتریک، هدایت الکتریکی و فرکانس لیزر است. θ زاویه تابش است. درک راندمان جذب کلیدی برای محاسبه اثرات حرارتی است.

مرحله 2

لیزرها می توانند در یکی از دو حالت رسانایی و سوراخ کلید جوش دهند. اینکه کدام حالت در حال کار است بستگی به این دارد که آیا چگالی توان به اندازه کافی بالا باشد که باعث تبخیر شود. حالت هدایت در زیر نقطه تبخیر رخ می دهد در حالی که حالت سوراخ کلید بالاتر از نقطه تبخیر رخ می دهد. سوراخ کلید شبیه یک جیب هوا است. جیب هوا در حالت شار است. نیروهایی مانند فشار پس زدگی فلز تبخیر شده سوراخ کلید را باز می کند در حالی که گرانش (معروف به نیروهای هیدرواستاتیک) و کشش سطحی فلز تمایل به فروپاشی آن دارند. در چگالی توان بالاتر، بخار را می توان یونیزه کرد تا پلاسما تشکیل دهد. فشار پس زدگی با استفاده از معادله کلازیوس-کلاپیرون تعیین می شود.

{dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}

, که در آن P فشار بخار تعادلی، T دمای سطح مایع، H_LVگرمای نهان تبخیر، T_LVدمای تعادل در سطح مشترک مایع و بخار است. با استفاده از این فرض که جریان بخار به سرعت های صوتی محدود می شود، دریافت می شود که

P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})

، که در آن Po فشار اتمسفر و Pr فشار پس زدگی است.

مرحله 3

این مربوط به پروفیل های سوراخ کلید است. سرعت جریان سیال توسط

$\bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0$

${\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T$

${\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0$

جایی که $\overrightarrow {v}$ بردار سرعت، P= فشار، ρ= چگالی جرم، $v$ = ویسکوزیته، β=ضریب انبساط حرارتی، g=گرانش، و F کسر حجمی سیال در یک سلول شبکه شبیه‌سازی است.

مرحله 4

برای تعیین دمای مرزی در سطح برخورد لیزر، معادله ای مانند این را اعمال می کنید. $k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0$ ,

که در آن kn = رسانایی گرمایی نرمال به سطح برخورد شده توسط لیزر، h = ضریب انتقال حرارت همرفتی برای هوا، σ ثابت استفان – بولتزمن برای تابش، و ε تابش ماده جوش داده شده است، q لیزر است. شار حرارتی پرتو

برخلاف جوشکاری لیزری CW (موج پیوسته) که شامل یک چرخه حرارتی متحرک است، لیزر پالسی شامل برخورد مکرر به همان نقطه است، بنابراین چرخه‌های حرارتی متعددی با هم تداخل دارند. روشی برای پرداختن به این موضوع اضافه کردن یک تابع پله ای است که شار گرما را در زمانی که پرتو روشن است در یک ضرب می کند اما وقتی پرتو خاموش است شار گرما را در صفر ضرب می کند. یکی از راه‌های برای رسیدن به این هدف، استفاده از دلتای کرونکر است که q را به صورت زیر تغییر می‌دهد:

$q=\delta *qe$ ، که در آن δ= دلتای کرونکر، qe = شار حرارتی تجربی تعیین شده است. مشکل این روش این است که به شما اجازه نمی دهد اثر مدت زمان نبض را ببینید. یک راه برای حل این مشکل استفاده از یک اصلاح کننده است که تابعی وابسته به زمان است مانند:

$f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}$

که در آن v= فرکانس پالس، n=0،1، 2،…، v-1)، τ= مدت زمان پالس.

در مرحله بعد، این شرط مرزی را اعمال کرده و قانون 2 فوریه را حل کنید تا توزیع دمای داخلی را به دست آورید. با فرض عدم تولید گرمای داخلی، راه حل $\rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T$ است، که در آن k = هدایت حرارتی، ρ = چگالی، Cp = ظرفیت گرمایی ویژه، $\overrightarrow {v}$ =بردار سرعت سیال.

مرحله 5

افزایش با گسسته کردن معادلات حاکم ارائه شده در مراحل قبل و اعمال مراحل بعدی زمان و طول انجام می شود.

مرحله 6

نتایج را می توان با مشاهدات تجربی خاص یا روندهای آزمایش های عمومی تأیید کرد. این آزمایش‌ها شامل تأیید متالوگرافی عمق همجوشی است.

پیامدهای ساده سازی مفروضات

فیزیک لیزر پالسی می‌تواند بسیار پیچیده باشد و بنابراین، برخی فرضیات ساده‌کننده باید برای سرعت بخشیدن به محاسبه یا جبران کمبود خواص مواد انجام شود. برای به حداقل رساندن زمان محاسبه، وابستگی به دما خواص مواد مانند گرمای ویژه نادیده گرفته می شود.

دمای مایع را می توان بیش از حد تخمین زد، اگر میزان اتلاف حرارت ناشی از اتلاف جرم از بخار خروجی از رابط مایع و فلز در نظر گرفته نشود.