لیزر

چکیده

درسالهای اخیر جوشکاری بوسیله پرتو لیزر یا جوشکاری بوسیله لیزرهای دوتایی به یک تکنیک متداول تبدیل گردیده است. مطالعات گذشته نشان می دهد استفاده از پرتوی لیزر دوتایی می تواند اصابت بر آمدگی هات را در سرعت بالا اتفاق نی افتد به تاخیر انداخته و باعث کم شدن سرعت سود کردن می شود. در طول این مطالعات یک آزمایش با جزئیات کامل برای نشان دادن مزایای لیزرهای دوتایی و درک بهتر مکانیزم برای بهبود کیفیت انجام پذیرفت. در این آزمایش از یک لیزر کیلو وات که به دو انشعاب تقسیم شده بود بطوریکه تین دو پرتو در پشت سر هم قرار داشتند. برا ی جوشکاری استفاده شده آزمایش نشان داد که لیزرهای دو تایی بصورت فاحشی کیفیت را بهبود می بخشند. برای فولاد ها ، کیفیت سطحی با

کاهش عیوبی از قبیل ، فوران حوضچه ، ترکهای داخلی و بالا رفتن چقرمگی ، کاهش ترک مزکزی بالا رفته و در آلمینیوم نیز این بهبود شامل ایجاد سطحی صاف وکاهش عیوبی از قبیل آخال ها ، شوراخهای سطحی و ترکهای زیرین می باشد. یک دوربین تحقیقاتی سرعت بالا در بالای قطعه کار که ارتفاع و اندازه توده بخاری نشان می داد، علوم ساخت که در میانگین نوسانات فرکانس مسبت به لیزرهای تک پرتو تغییرات فاحشی انجام گرفته است. این اغییرات برای فولاد ۲/۱ کیلو هرتز بوده است. همانگونه که نوسانات وابسته به ناپایدار بودن سوداخ کلید است ناپایدار بودن تودة بخار نیز باعث ناپایدار بودن فرآیند جوش می شود وبه جوشی فقیر منجر می شود. در جوشکاری با دو لیزر توده بخار فقط نوسانی در فرکانس مشخص پیدا کرده اما اندازه توده بخار تغییرات کمی در حین جوشکاری دارد. فرآیند پایدار شده و به بهبود کیفیت در جوشکاری با لیزر کمک می کند.

مقدمه:
جوشکاری با لیزر بطور گسترده ای در صنایع اتومبیل سازی فضایی ، الکترونیک و صنایع سنگین برای اتصال فلزات مختلف بکار گرفته می شود. در صنایع اتومبیل سازی لیزرهای قدرت بالا جهت جوشکاری قسمت های زیادی از قبیل بدنه ، اگزوز و … استفاده می شود گزارش شده در حدود ۷۰ میلیون درز جوش در سال ۲۰۰۰ بطور کلی در سال ۲۰۰۰ بطور مناسب جوشکاری شده که این آمار در سال ۲۰۰۱ به ۹۵ میلیون می رسد.

بطور کلی با مسائلی چون آخال، سوراخهای سطحی لایة بی شکل با ترکهای زیرین و ترک انجمادی که در اثر جوش با لیزر پدید می آید اغلب مواجه هستیم. صنایعی که از لیزر استفاده می کنند همیشه به دنبال روش های اقتصادی برای بهبود کیفیت جوش و کاستن از سختی در آماده سازی قطعات بوده اند یک تکنیک جوش که با ترکیب دو لیزر قوی که به “جوشکاری با دو پرتو” معروف است. در سالهای اخیر مورد تحقیق قرار گرفته استو آزمایشات ابتدایی نشان داد که پرتوی دوتایی دارای چندین مزیت نسبت به حالت تک پرتو میباشد در مورد آزمایشات جوش با پرتو الکترول “EB” که بوسیله شخصی بنام arataetal انجام شد که در آن نیز از دو پرتو الکترون برای جوشکاری استفاده می شد ، ثابت شد که اگر یک پرتو دنبال پرتو اول وارد حوضچه مذاب شود می تواند سرعت جوشکاری را تا ۵۰% افزایش دهد دذر فرآیند پرتوهای دوتایی ، می تواند دو پرتو در دو طرف قطعه قرار گیرد یا اینکه تست سر هم باشد.

شخصی به نام (منراد با ناس) از یک آیینه خم پذیر جهت منشعب کردن یک پرتو لیزر به دو پرتو استفاده کرد که جهت افزایش بیشتر تلرانس تنظیم از حالت دو طرفه استفاده کرده نتایج یم آزمایش نشان دار جهت جوشکاری در زها با fit upتارانس ها عبور پیدا کرده استفاده از حالت دو طرفه مناسب تر است. برای یک لیزر تک پرتو محاسبات ساده نشان می دهد که فاصله بین دو صفحه جهت جوشکاری برای صفحات نزدیک به هم برابر ۱۰ در صد ضمانت ورق و برای جوش قطعاتی که خم خورده باشند به ۲۵% می رسد استفاده از پرتو لیزر دو طرفه در بهبود fitup تلرانس جوش در درزها مناسب است.

بر طبق گزازشات پرتوهای لیزر دوتایی که پشت سر هم قرار گرفته اند نسبت به لیزرهای تک پرتو دارای مزایای بیشتری از قبیل کیفیت می باشد. مطالعات جاری بر روی حالت قرار گیری پشت سر هم استوار است.
دراین متن بجز مکانهایی که مشخص شده است منظور از پرتو دوتایی دو پرتو پشت سر هم است.
یکی از مزایای جوشکاری با دو پرتو شامل کاهش سرعت سرد شدن در بیش از فولادهای پر کن می باشد گفته شده است که زمان سرد کردن بین ۸۰۰ تا ۵۰۰ درجه می تواند از ۸/۳ به بیش از هفت افزایش یابد که این کار با افزایش فاصله بین دو پرتو (فاصله ورودی)که شامل دو پرتو ۵ کیلو وات بوده انجام گردیده یک آزمایش بر روی ۴۱۴۰ AISI که بوسیله (lix

&kannaty) انجام گردیده یک لیزر بر روی سطح متمرکز شده و عمل جوشکاری را انجام می دهد و دیگری بصورت یک باند در فاصله ۱۰ میلیمتری از اولی حرکت می کندکه نسبت به حالت تک پرتویی باعث سرعت سرد شدن کمتری شده در نتیجه کاهش سختی و تشکیل درصد حجمی کمتری مارتنزیت را منجر می شود . نتایج مشابهی نیز برای صفحات فولادی پر کربن که با لیزر YAG پالسی دو پرتوی جوش داده شده اند بدست آمده است . روش های مختلف مدل سازی ریاضی سرعت سرد شدن در پرتو های لیزری دو تاپی بوسیله کاناتی ایجاد شده است .

این آنالیز تئوری نشان می دهد سرعت سرد شدن در مرکز جوش از ۱۰۰۴ برای یک لیزر تک پرتو به ۵۷۰ برای حالت دو پرتو که به فاصله ۱۰ میلیمتر از یکدیگر و قدرت ۸/۱ کیلووات دارد می رسد . همچنین گزارش شده است لیزرهای دو تایی باعث کم شدن ها و همچنین جلوگیری از ترک خوردگی جوشکاری در آلیاژهای آلومینیوم می شوند. هنگامی که قسمت عمدۀ لیزر اول بر روی سطح متمرکز شده و لیزر دوم بصورت غیر متمرکز در فاصله ۲ میلیمتری بالای قطعه کار قرار دارد مقدار آخال می تواند بصورت زیادی کاهش یابد.

در این آزمایش دو لیزر Co2 با قدرت ۵ کیلو وات و با زاویه ۳۰ درجه نسبت به هم و فاصلۀ ۳ میلیمتر نسبت به یکدیگر با هم ترکیب شده است. استفاده از لیزرهای YAG، قدرت ۲۰۰ وات با خروجی ممتد و قدرت ۴۱۰ وات با خروجی متفاوت می توانند از ریز ترکهایی که در صفحات آلومینیومی A5052 با ضخامت ۱ میلیمتر در حین جوشکاری پدید می آید جلوگیری کند. در یک آزمایش مشابه با استفاده از دو لیزر متناوب YAG ، نشان می دهد آخال ها و ترک ها در هنگام جوشکاری ورق آلومینیوم A5005 به قطر ۰/۸ میلیمتر کاهش یافته است. در این آزمایش، عمده میزان پرتوی لیزری بر روی سطح قطعه کار متمرکز شده بود بطوریکه دارای زاویه چرخش ۱۰ درجه می باشد و اشعه پشتی با زاویه ۴۵ بسمت پایین متمرکز شده است. در این صورت یک جوشکاری بدون آخال و تر ک خواهیم داشت که با شرایطی چون فاصلۀ ۴/۰ ~ ۲/۰ میلیمتر یک لیزر پالسی با فرکانس ۱۰ هرتز که طول هر پالس ۳ میکرو ثانیه بوده همچنین دارای سرعت ۱۴۰ میلیمتر در دقیقه و ۱۸ ژول انرژی برای لیزر اول و ۹ ژول انرژی برای لیزر دوم می باشد. به محض اینکه فاصله بین دو لیزر به بیش از ۶/۰ میلیمتر افزایش یافت. تاثیر بیشتر در کاهش آخال و ترک در آزمایشات از بین رفت.

تغییرات در عنق جوشکاری در لیزرهای دو پرتویی نیز مورد تحقیق قرار گرفت یک آزمایش که تاثیر فاصله بین ورودی لیزرها و نسبت قدرت این دو پرتو را بر عنق و عرض جوش نشان می داد توسط شخصی بنام Glumann انجام گرفت. در این آزمایش زاویه بین دو نوع لیزر او نوع CO2 ، ۳۰ درجه و قدرت های لیزرهای ترکیب شده به قرار (۳۵۰۰و ۴۰۰) و (۱۷۰۰و۳۵۰۰) و (۹۰۰و۳۵۰۰) وات بوده است. نتایج آژمایش نشان داد عمق و پهنای جوش در فواصل تو ۱۰ و ۲۰ میلیمتر دارای تغیبرات بسیار کمی بود. آزمایشات مجدد نشان داد که عمق ایجاد شده بوسیله یک لیزر تک پرتو و لیزر دو پرتوی اگر لیزر دوتایی بر روی یک حوضچه متمرکز بود عموماً با هم یکسان بودند در آزمایشات دیگر که از یک لیزر پالسی را کیلو واتی و یک لیزر ۲ کیلو وات ممتد استفاده شده بود اشعه های لیزر بر روی یک حوضچه مشابه که از فولاد زنگ نزن ۳۰۴ تشکیل شده بود نشان داد عمق جوش بین ۷ به ۵ میلیمتر با تغییر زاویه بین آنها در

حال تغییر است دلیل این امر بعلت اینکه نتایج ذکرشده اولیه در شرایط آزمایشگاهی متفاوتی انجام گردیده بود پایان داده به بحث و بحث شماسی جوش و ارتباط آن با لیزرهای دو پرتویی آسان نیست.

در اغلب آزمایشات عبارت (پرتوی دوتایی) به معنی دو لیزر که برای جوشکاری استفاده می شود می باشد. با یان وجود لیزرهای مورد استفاده در این آزمایشات در یک لیزر کم قدرت متناوب یا ممتد YAG به یک لیزر پرقدرت ممتد CO2 تبدیل گردید همچنین نحوه نصب دو پرتوی لیزر دارای تفاوت هایی از قبیل فاصله بین دو پرتو و زاویه بین دو پرتو و زاویه بین دو پرتو و مکان تمرکز و همچنین نسبت های قدرت این دو لیزر می باشد. تقسیم لیزرهای دو تایی می توانند از طریق ادغام دو لیزر که با هم دارای زاویه هستند و یا از طریق منشعب کردن یک

پرتو به دو پرتوی موازی که بوسیله یک منشعب کنندۀ نوری انجام گیرد ساخته شود. بیشترین مقدار لیزرهای دوتایی از ترکیب دو لیزر YAG ساخته شده و علت آن تغییرات آسان در آن با استفاده از فیبر نوری می باشد. این کار برای لیزرهای CO2 نیز با استفاده از سیستم های نوری مخصوص بشکل دیوار امکان پذیر است پرتوهای دو تایی ترکیب شده دارای تغییر پذیری بیشتری در مورد فاصله بین دو پرتو و نسبت قدرت این دو پرتو می باشد. بنابراین لیزرهای منتخب شده اغلب موازی بوده و دارای پیلاریزاسیون مشابه یکدیگر است. بر اساس نوع ترتیب قرار گیری لیزرهای دو پرتویی، این لیزرها عموماً به دو نوع تبدیل می شوند که شامل زاویه دار و موازی می باشد . بیشترین نوع لیزر مورد استفاده از نوع زاویه دار گزارش شده که می

توان با آنها به فاصله دو پرتویی بسیار کمی دست یافت. در نوع موازی فواصل عموماً زیاد است و از آنها برای کاهش سرعت سرد شدن استفاده می کنند در سیستم های مشابه با فاصله زیاد دو لیزر YAG می توانند به راحتی با یک فیکسچر عادی بکار رگفته شود و یا اینکه از یک منشعب کننده و یک لیزر CO2 که زیر ۲ کیلو وات قدرت دارد استفاده کرد. اعتقاد بر این است مکانیزم های جوشکاری و تاثیر شدید آن در جوش لیزری می تواند با کمی تفاوت بین حالت موازی و زاویه دار در فرآیندهای دو پرتویی ایجاد شود همچنین با تغییر فاصله بین دو پرتو نیز در حالات موازی و زاویه دار این تغییر مکانیزم ایجاد می شود.عموما سه حالت در مکانیزم جوش موازی بر اساس فاصله بوجود می آید. اولین حالت هنگامی است که فاصلۀ بین دو پرتو زیاد بوده و یک پرتو یک سوراخ ایجاد کرده و نقش دیگری بعنوان یک منبع حرارتی جهت عملیات حرارتی می باشد. دومین حالت دو پرتو لیزر دو سوراخ کلید را دارید حوضچه ایجاد

کرده و قسمت عمده خصوصیات روند تغییر می کند حالت سوم از پرتوهای موازی فاصلۀ بین دو پرتو کم بوده و در پرتو یک سوراخ کلید مشترک ایجاد می کنند. در حالت زاویه دار نیز مکانیزم بر حسب فاصلۀ بین دو پرتو متفاوت بوده ومشابه حالت موازی است.

وقتی فاصله بین دو پرتو در حالت موازی زیاد است (نوع اول) عمده انرژی در پرتو اول است و نقش جوشکاری را ایفا کرده تا یک سوراخ کلید ایجاد نماید و لیزر و عموما غیر متمرکز بوده یا اینکه قدرت کمتری داشته و برای انجام عملیات در جوشکاری لیزر استفاده می شود. در این مورد سرعت سرد شدن کاهش یافته و برای بعضی مواد از قبیل فولادهای پرکربن که حساس به ترک هستند مناسب می باشد بعلاوه مقدار ساختار نسبتی (BOinitic) در فلز جوش و منطقه اطراف جوش افزایش یافته است و همانطور که انتظار می رفت مقدار چقرمگی افزایش می یابد. این مزیت با تعدادی آزمایش بدیت امده و به نحوی بوسیله روشهای مدل سازی ریاضی تحلیل می گردد هنگامیکه فاصله بین دو پرتو مقدار معینی کاهش یابد مکانیزم

جوش به حالت دوم تبدیل شده و هر دو لیزر در یک حوضچه اثر کرده اما دو پرتو لیزر دو سوراخ کلید جداگانه می سازند. در ابتدا جوشکاری با پرتوی الکترونی بحث تاثیر فاصلۀبین پرتوها برتوده جریان مذاب در حوزچه جوش و شکل برآمدگی و ترک های زیرین مطرح شد. فاصله های مورد آزمایش ۴ و ۷ . ۱۶ میلیمتر بودند در حالت ۷ میلیمتر حالت خهای بی شکل و برآمده ای وجود نداشت زیرا تاثیرات مستقیم بر جریان حرکت مذاب و اصل حوضچه ذوب داشت.