فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی گروهی از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها حرارت مورد نیاز برای انجام جوشکاری به کمک تابش یک پرتو حاوی انرژی بر روی موضع اتصال تامین می شود. این پرتوها ممکن است مانند پرتو الکترونی حاوی ذرات پر انرژی باشند و یا این که یک تشعشع الکترومغناطیسی باشند. در این روشها نیاز به تماس نزدیک قطعه با منبع حرارت (که می تواند قوس، پلاسما یا شعله باشد) نیست و با تمرکز پرتو بر روی هر نقطه می توان حوضچه جوش را در آن نقطه به وجود آورد. فرآیندهای جوشکاری با پرتو الکترونی، جوشکاری با پرتو لیزر و

جوشکاری با ریز موج ها مهمترین فرآیندهای جوشکاری هستند که در این گروه جای می گیرند.
در این پایان نامه سعی شده است که به طور خاص در مورد شاخه جوشکاری لیزری که بخشی از فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی می باشد، بحث شود. همچنین در ادامه این بحث به تحلیل المان های جوش پرداخته شده است.
در پایان از استاد گرامی جناب آقای مهندس فتحي که استاد راهنمای اینجانب در انجام این پروژه بوده اند، کمال تشکر را دارم.

فهرست مطالب

عنوان صفحه
فصل اول لیزر………………………………………………………………………………(۲۵-۱۱)
۱-۱ مقدمه ۱۲
۱-۲ تاریخچه لیزر ۱۳
۱-۳ همدوسی لیزر ۱۵
۱-۴ تولید اشعه لیزر ۱۷
۱-۵ اصول فرایند جوشکاری با لیزر ۲۱
۱-۶ موارد کاربرد جوش لیزر ۲۳

فصل دوم تقسیم لیزرها……………………………………………………………… (۳۶-۲۶)
۲-۱ لیزر حالت جامد ۲۷
۲-۲ لیزرهای گازی ۳۲
۲-۳ دیود لیزرها ۳۶

فصل سوم متغیر های فرایند جوشکاری با لیزر…………………………… .(۴۴-۳۷)
۳-۱ توان پرتو لیزر ۳۸
۳-۲ قطر پرتو لیزر ۳۹
۳-۳ قابلیت جذب پرتو ۴۱
۳-۴ سرعت عبور پرتو ۴۳
۳-۵ گاز محافظ ۴۴

فصل چهارم انتخاب لیزرجهت جوشکاری………………………………….. (۵۱-۴۵)
۴-۱ عوامل موثر در انتخاب لیزر مناسب ۴۶
۴-۲ جوشکاری فولادها ۴۹
۴-۳ جوشکاری آ لومینیم و آلیاژهای آن ۵۰
۴-۴ جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن ۵۱

فصل پنجم لیزرهای توان پایین…………………………………………………. (۵۵-۵۲)
۵-۱ عوامل موثر در انتخاب لیزرهای توان پایین ۵۳
۵-۲ نکات مهم دراستفاده از لیزرهای توان پایین ۵۴

فصل ششم جوشكاري ورق ST14 مورد استفاده در ساخت
بدنه خودرو با استفاده از ليزر Nd:YAG پالسي……………………………… (۶۶-۵۶)
۶-۱ چکیده ۵۷
۶-۲ چیدمان آزمایش ۵۷
۶-۳ بررسی نتایج آزمایش ۵۹

فصل هفتم بررسي بيناب نشري پر پلاسما در جوشكاري ورق
فلز st14 بوسيله ليزر Nd:YAG پالسي……………………………………..(۷۷-۶۷)
۷-۱ چکیده . ۶۸
۷-۲ مقدمه ۶۸

۷-۳ مواد و وسایل و روش های آزمایش ۶۹
۷-۴ نتایج و بحث ۷۱

فصل هشتم مزایا و محدودیت جوشکاری لیزری در مقایسه با
سایر روشها………………………………………………………………………………..(۸۲-۷۸)
۸-۱ مزایای فرایند جوشکاری با اشعه لیزر ۷۹
۸-۲ معایب فرایند جوشکاری با اشعه لیزر ۸۱
۸-۳ مسائل ایمنی استفاده از لیزر ۸۲

فصل نهم تحلیل المان محدود……………………………………………………..(۹۹-۸۳)
۹-۱ تعیین المان و خواص مواد ۸۴
۹-۲ مدل سازی هندسی ۸۴
۹-۳ مش زنی ( ساختن مدل اجزا محدود) ۸۶
۹-۴ اعمال شرایط مرزی و نیروها ۸۸
۹-۵ تنظیمات حل و گرفتن نتایج مورد نیاز ۸۹
نتیجه گیری و پیشنهادات……………………………………………………………(۱۰۲-۱۰۰)

فهرست شکل ها
شکل صفحه

۱ – نور همدوس و ناهمدوس ۱۵
۲ – اجزای اصلی لیزر ساده ۱۹
۳ – تابش تحریک شده فوتونها که با یک اتم تحریک شده برخورد
می کند و منجر به آزادی فوتون قبل از تابش خود به خودی می شود ۲۰
۴ – بازتاب فوتونها توسط آینه ها به منظور افزایش طول مسیر برای تابش
تحریک شده و در نتیجه افزایش توان پرتو لیزر ۲۰
۵ – مقطع مدهای اصلی پرتوی لیزری ۲۱
۶- یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک که با اشعه لیزرجوش
کاری میشود. . ۲۵
۷- وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتوم

ها تولید شد با رفت و برگشت
بین آینه ها متمرکز می شود. ۲۸
۸- طرح شماتیک لیزر Nd:YAG 32
9- طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان محوری ۳۴
۱۰- طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان متقاطع ۳

۵
۱۱- تصویر چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده در جوشکاری لیزری ۵۸
۱۲- تغییرات عمق نفوذ جوش بر حسب پهنای پالس لیزر ۶۰
۱۳- عمق نفوذ جوش در پهنای پالس لیزر ۶۱
۱۴- تصویر همپوشانی پالسهای لیزر ۶۴
۱۵- نتایج آزمایشهای تنش – کرنش ۶۵

۱۶- تصویر نمونه ای قطعه ای که تحت آزمایش تنش-کرنش قرار گرفته است. ۶۶
۱۷- تصویری از چیدمان استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری ۷۱
۱۸- نمونه ای از بیناب نشری پر پلاسمای ناشی از جوش لیزری ۷۲
۱۹- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات پهنای پالس ۷۴
۲۰- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات گاز محافظ ۷۴
۲۱- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات شارش گاز ۷۶
۲۲-مدل سازی هندسی ۸۵
۲۳-مش زنی ۸۶
۲۴- اعمال شرایط مرزی و نیروها ۸۹
۲۵- حالت های مختلف کرنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها ۹۰
۲۶- حالت های مختلف تنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها ۹۵

فهرست جداول
جدول صفحه
۱- تاثیر توان پرتو برعمق نفوذ با سرعتهای مختلف جوشکاری در فولاد ۳۰۴ ۳۹
۲- ترکیب شیمیایی نمونه ورق فلز ST14 59

۳- شرایط و مقادیر پارامترهای آزمایش ۶۰
۴- عناصر تشکیل دهنده ST14 بر حسب درصد وزنی ۶۹
۵-شرایط کاری استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری ۷۰
۶- مشخصات خطوط تابشی انتخابی برای محاسبه دمای الکترون اتم آهن خنثی ۷۳

لیزر

۱-۱ : مقدمه
لیزر یک دسته اشعه موازی شده و پیوسته از جنس نور می باشد که تمام این اشعه دارای طول موج واحدی می باشد. البته این اشعه با اشعه نوری ناپیوسته ای که از خورشید

تشعشع می کند بسیار متفاوت است. نور خورشید دارای طول موج های بسیار متفاوت و متنوع می باشد که در تمام جهات منتشر می شود. نور با طول موج های متفاوت می تواند روی یک نقطه مادی متمرکز شود و انرژی خود را به صورت انرژی حرارتی آزاد کند. اشعه لیزر یک اشعه به شدت موازی شده و کوهرنت می باشد که هر چه موازی تر و پیوسته تر باشد در نقطه کوچک تری می تواند متمرکز شود و انرژی حرارتی بیشتری را نیز تولید می کند.

این ویژگی اشعه لیزر باعث تقویت ایده استفاده از آن در جوشکاری به عنوان یک منبع منحصر به فرد انرژی شد. جوشکاری با اشعه لیزر یکی از جدیدترین تکنیک های جوشکاری است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. این فرآیند برای ساخت و تولید برخی قطعات صنعتی شرایطی را

فراهم آورده است که تا قبل از آن، ساخت این قطعات غیر ممکن و یا بسیار مشکل بوده است. این فرآیند یک فرآیند جوشکاری ذوبی می باشد هر چند از نظر نوع تجهیزات و نوع فرآیند با فرآیند های جوشکاری ذوبی معمولی بسیار متفاوت است. با یک سری تغییرات و تجهیزات اضافی، می توان از لیزر برای برشکاری نیز با دقت و سرعت بسیار بالا استفاده نمود.

اولین دستگاه های جوش لیزر که ساخته شدند به ندرت مورد استفاده قرار می گرفتند و تنها در جاهایی از آنها استفاده می شد که چاره ای جز استفاده از آن نداشتند. علت این امر مشکل بودن استفاده از دستگاه، بالا بودن هزینه، عدم وجود امکانات ایمنی و عدم دسترسی به اپراتور ماهر و کارآمد بود. اما به مرور زمان علم و تکنولوژی لیزر پیشرفت کرد و دستگاه های بسیار پیشرفته ای ساخته شدند و دامنه استفاده از لیزر به طور چشم گیری افزایش یافت.

۱-۲: تاریخچه لیزر
کلمه لیزر مخفف عبارت Light Amplification Stimulated by Emission of Radiation به معنی

تقویت نور تحریک شده با انتشار پرتوافکنی می باشد و بر روش تولید این نور دلالت دارد. مفهوم این لغت در زبان انگلیسی گسترش یافته و از لیزر به عنوان اسم و به معنی دستگاهی که لیزر تولید می کند استفاده می شود پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.
اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (۳NH) ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال ۱۹۶۰ یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال ۱۹۶۱ توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال ۱۹۶۲ نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه ‌هادی مطرح گردید.
سیر تحولی و رشد
اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر ، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی ، مه ، ابرهای کم ارتفاع ، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به

هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا ، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند. بعد از اینکه لیزر دی اکسید کر

ین امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی ، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.
۱-۳: همدوسی لیزر
. لیزرها یک رشته متمرکز شده و همدوس (امواجی با طول موج یکسان و هم فاز) از نور تولید می کنند. این نور با نور خورشید که در تمام جهات انتشار می یابد متفاوت است (شکل ۱).

شکل ۱: نور همدوس و غیر همدوس : a ) نورهای رندم خوورشید ناهمدوس هستندچون
نمی توانندتقارن دمایی و فضایی یابند b ) امواج نوری همدوس از یک لیزر
این امواج نوری چگالی توانی بسیار بالاتری نسبت به امواج نوری خورشید دارند و می توانند در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شوند.

همدوسی زمانی فوتونهای نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر به معنی هماهنگی بین فوتونهای تشکیل دهنده نور لیزر از لحاظ راستای انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسی زمانی که در نور لیزر وجود دارد، قدرت تأثیر گذاری فوتونهای آن در نقطه هدف بسیار بالاتر از نورهای معمولی است؛ زیرا طبق اصل برهمنهی امواج ، به دلیل همفاز بودن این فوتونها ، میدانهای الکتریکی‌شان مستقیما باهم جمع شده و میدانی قوی را بوجود می‌آورند.
همدوسی مکانی لیزر
همچنین به لحاظ همدوسی مکانی نور لیزر ، نور خروجی بصورت باریکه‌ای جهتمند از آن خارج شده و می‌تواند تا مسافتهای طولانی‌تری بدون افت چشمگیر توانش طی کند و نیز بوسیله کانونی کردن آن در نقطه کوچکی می‌توان به شدتهای بسیار بالایی دست یافت. نور لیزر نوری تقریبا تکرنگ است. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آن وابسته است، بنابراین نور فوتونهای لیزر در محدوده کوچک فرکانسی گسیل می‌شوند، در حالیکه منابع نور معمولی گستره فرکانسی بسیار بالایی ر

ا دارند.معیار تکرنگی یا خلوص نور لیزر ، پهنای فرکانسی آن است که طبق تعریف ، فاصله دو فرکانسی است که منحنی توزیع فرکانسی نورهای گسیلی در نصف ماکزیمم آن دارند. این فاصله در لیزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولی یا منابع نور گازی است. این به معنای آن است که اکثر انرژی تابشی لیزرها حول فرکانس مرکزی آن می‌باشد. در منابع معمولی ، برعکس لیزرها منحنی توزیع فرکانسی بسیار وسیع است و پهنای فرکانسی آن نیز نتیجتا بسیار زیاد است. بنابراین اگر بخواهیم که نور این منابع را با استفاده از مثلا فیلتر و یا یک تجزیه‌گر بصورت تقریبا تکرنگ در بیاوریم، از شدت آن به‌ مقدار زیادی کاسته خواهد شد.
۱-۴: تولید اشعه لیزر :

برای درک بهتر لوله ای را در نظر بگیرید که گازی داخل آن قرار دارد و این گاز دارای اتمهای آزاد می باشد. هر اتم این گاز دارای چندین سطح انرژی است که حداقل یکی از این سطوح انرژی یک سطح نیمه پایدار است. با تابانیدن نور سفید به این گاز تعداد بسیاری از الکترون ها جهش می کنند و تعدادی از اتمها به صورت برانگیخته در خواهند آمد. به محض این که الکترون ها به لایه قبلی بر می گردند، تعدادی از آنها در حین برگشت در این سطوح نیمه پایدار انرژی به دام می افتند. اگر نور تابیده شده به اندازه کافی شدید باشد احتمال این که یک معکوس جمعیت (Population inverse) ایجاد شود افزایش می یابد یعنی تعداد اتم های نیمه پایدار از تعداد اتم های پایدار بیشتر می شود.
اگر در یکی از این اتم های نیمه پایدار، الکترون از سطح نیمه پایدار به سطح اولیه خود باز گردد، یک فوتون آزاد خواهد شد. وقتی این فوتون از داخل اتم مجاور که آن هم در حالت نیمه پایدار است عبور می کند، با توجه به اصل تشدید، آن اتم را تحریک کرده و باعث می شود اتم مزبور نیز فوتونی با همان سرعت و فاز و جهت فوتون اولیه تشعشع کند. این دو فوتون یک موج اولیه را می سازند که با عبور از داخل اتم های دیگر آنها را نیز تحریک کرده و بدین ترتیب شدت اشعه به مرور افزایش

می یابد. چون ممکن است این موج توسط یک اتم پایدار جذب شود و خود اتم به حالت برانگیخته جهش کند، ایجاد حالت معکوس جمعیت ضروری و واجب است. اگر شرایطی برای گاز مهیا شود یک تشعشع پیوسته با شدت بسیار بالا ایجاد خواهد شد. همه لیزرها (دستگاه های تولید کننده پرتوهای لیزر)، تقویت کننده هایی هستند که با تحریک کردن یک محیط فعال که بین دو آینه که

یکی از آنها اندکی شفاف است کار می کنند. محیط فعال، مجموعه ای از اتم ها، ملکول ها و یا یون هایی که مخصوصا انتخاب گردیده اند و می توانند به حالت جامد، مایع یا گاز باشند که وقتی تحریک می شوند، پرتوهایی از جنس نور منتشر می کنند (فوتون ها). تحریک مایعات و جامدات به کمک نور یک لامپ فلاش حاصل می شود و گازها به کمک تخلیه الکتریکی تحریک می شوند.
برای تولید اشعه لیزر ضروری است که اشعه های خارج شده در اثر تحریک به کمک طراحی و تع

بیه یک اتاقک تشدید کننده کاملا به صورت موازی درآیند. اگر در دو طرف یک لوله حاوی گاز دو آینه با قابلیت انعکاس بسیار بالا قرار گیرند، اولین موج خروجی که به آینه برخورد می کند تمام فوتون های آن به صورت موازی برگشت می کنند و دوباره از داخل گاز عبور داده می شوند و اتم های بیشتری را تحریک می کنند. بنابراین یک سیستم خود نوسان کننده به وجود خواهد آمد که می تواند بدین صورت اشعه لیزر تولید کند. بنابراین می توان گفت که هر دستگاه لیزر شامل سه قسمت اساسی است:
– ماده لیزر: منظور ماده ای است که در اثر تحریک و تشعشع، اشعه لیزر تولید
می کند.
– قسمت تولید و حفظ معکوس جمعیت (شامل فلاش لامپها، لامپهای قوسی و — سیستم موازی کننده اشعه
شکل ۲ اجزای اصلی یک لیزر ساده را نشان می دهد. محیط فعال از هر چه تشکیل شده باشد شامل میلیون ها اتم، ملکول و یا یون می باشد که وقتی تحریک شوند جذب انرژی می کنند و بعد از یک مدت زمان بسیار کوتاه، انرژی خود را به صورت فوتون آزاد کرده و به وضعیت قبلی خود باز می گردند. این ذرات به همین شکل باقی می مانند تا وقتی که دوباره تحریک شوند. فوتون های آزاد شده، بسته به محور اپتیکی دستگاه لیزر در تمام جهات حرکت می کنند. اگر یک فوتون به اتم پر

انرژی دیگری برخورد کند باعث آزاد شدن زودتر از موعد فوتون از آن اتم شده و هر دو فوتون به صورت هم فاز تا برخورد بعدی حرکت می کنند و به این ترتیب جریانی از فوتون ها با چگالی فزاینده ایجاد می شود (شکل ۳). فوتون هایی که موازی با محور اپتیکی حرکت نمی کنند، به سرعت از سیستم حذف شده و بقیه، در مسیری که به طور قابل ملاحظه ای از طریق بازگشت اپتیکی توسط آینه ها گسترش می یابند حرکت می کنند تا این که از درون آینه ای که به طور جزیی شفاف است خارج

شوند (شکل ۴). این عمل نه تنها باعث تولید فوتون های بیشتری برای به دست آوردن توان لازم محسوب می شود، بلکه یک پرتو نوری همدوس با تمرکز بالا که نقطه مهم لیزر نیز محسوب می شود، به وجود می آورد.

شکل ۲ : اجزای اصلی یک لیزر ساده

شکل-۳

شکل-۴
چگالی توان، در امتداد قطری پرتو خروجی لیزر یکنواخت نیست و به ماده فعال لیزر، ابعاد داخلی آن، طرح بازگشت اپتیکی و سیستم تحریک به کار رفته بستگی دارد. برش های عرضی یک پرتو لیزر که نشان دهنده توزیع توان است مد عرضی الکترومغناطیس (Transverse Electromagnetic Mode – TEM) نامیده می شود. انواع مختلفی از TEM می تواند تولید شود که هر یک توسط یک عدد مشخص می شود. به طور کلی هر چه این عدد بزرگتر باشد، متمرکز کردن لیزر بر روی یک نقطه کوچک برای به دست آوردن چگالی توان بالا مشکل تر است و چون این مورد در چوش لیزر حایز اهمیت فراوان است معمولا از و ترکیباتی از آنها استفاده می شود. شکل ۵ مقطع های اصلی پرتوی لیزر را نشان می شدهد. بعضی دستگاه های لیزر انواع مختلفی از این ها را می توانند پدید آورند که به آنها دستگاه هایی با عملیات چند مده (Multi-mode operation ) اطلاق می شود.

شکل-۵: مقطع مدهای اصلی پرتوی لیزری

۱-۵: اصول فرآیند جوشکاری با اشعه لیزر
جوشکاری با فرآیند لیزر فرآیندی است که در آن به کمک حرارت به دست از آمده از برخورد اشعه نوری به یک سطح، یک منطقه مذاب و یک به هم آمیختگی از مواد ایجاد می شود که پس از انجماد، یک اتصال بین مواد ایجاد می کند. این اشعه به شدت کوهرنت و متمرکز شده و به سمت سطح قطعه شلیک می شود. هنگامی که اشعه لیزر روی نقطه مورد نظر متمرکز می شود، فلز را ذوب کرده و به سرعت یک منطقه جوش کوچک و باریک با راندمان اتصال بسیار بالا ایجاد می کند در حالی که کمترین خسارت را نیز بر قطعه وارد می کند. برای این که ذوب موضعی باشد و به اطراف پراکنده نشود کنترل دقیق اشعه ضروری است.
دو نوع فرآیند جوشکاری با لیزر صنعتی وجود دارد: با هدایت محدود (Limited Conduction) و با نفوذ عمیق. این دو تکنیک به فلز پر کننده نیازی ندارند و از ماده اصلی به عنوان فلز پر کننده استفاده می کنند. در فرآیند جوشکاری لیزر با هدایت محدود، فلز در سطح خود، پرتو لیزر را جذب می کند. قسمت زیرین سطح کاملا توسط هدایت حرارتی گرم می شود و در معرض تابش مستقیم اشعه لیزر قرار نمی گیرد. فرآیند جوشکاری لیزر با هدایت محدود از لیزرهای با توان متوسط (کمتر از ۱kw) بهره می برد.

فرآیند جوشکاری لیزر با نفوذ عمیق، که کاربرد عمده جوشکاری لیزر با این روش است به لیزر با انرژی بالا نیاز دارد. این روش اصولا یک تکنیک جوشکاری ذوبی سوراخ کلیدی است که از چگالی توان بسیار بالا (که با متمرکز کردن پرتو لیزر بر روی یک نقطه خیلی کوچک به دست می آید) استفاده می کند. برای انجام یک جوش لیزر سوراخ کلیدی، پرتو بر روی سطح قطعه ای که باید جوش بخورد متمرکز می شود. پس از برخورد پرتو به سطح قطعه، مقدار زیادی از آن به دلیل خاصیت بازتاب دهندگی فلز، انعکاس می یابد، اما همان میزان جذب شده سطح ماده را گرم می کند و موجب می شود که بخار یونیزه شده فلزی با خاصیت جذب انرژی پدید آید. این امر باعث می شود بیشتر انرژی بازتاب یافته دوباره جذب شود.

در چگالی توان بالا در حد ، تبخیر سریع فلز، یک سوراخ کلید (یک لوله استوانه ای با قطر کم) پدید می آورد. با عمیق شدن این سوراخ نور متناوبا درون آن پخش می شود و باعث افزایش جذب انرژی لیزر توسط ماده می شود. فشار بخار درون سوراخ از فرو ریختن دیواره آن که متشکل از فلز مذاب است جلوگیری می کند. در جوش ضربانی در هنگام تکمیل شدن ضربان، فلز مذاب به مرکز سوراخ کلید ریخته و منجمد می شود و به این ترتیب یک جوش با عیب بریدگی لبه جوش به وجود می آید. علت بروز این عیب تبخیر اولیه ماده به هنگام شکل گیری سوراخ کلید است. در جوش با جریان پیوسته با پیشروی منبع حرارت، فلز مذاب در قسمت پشتی سوراخ فرو ریخته و منجمد می ش

ود و این عمل منجر به تشکیل برآمدگی هایی روی سطح ناحیه جوش با شکل V می شود که نوک این V متوجه نقطه شروع جوشکاری است. سطح جوش بسیار تمیز است و در مقایسه با تکنیک های معمول جوش قوسی، ظاهر زیبایی دارد.
سوراخ کلید در فولاد در چگالی توانی حدود به وجود می آید. در این سطح توان، ناحیه جوش ت

مایل دارد که عمیق و پهن باشد. در این حالت شبیه جوش های سوراخ کلیدی پلاسما نیاز به یک پرتو بلند با زمان طولانی تداخل با قطعه برای تشکیل سوراخ کلید می باشد (مرز بین جوشکاری با هدایت محدود و جوشکاری با نفوذ عمیق). در مقابل، در چگالی توان هایی در حد ، جوش ها عمیق و باریک بوده و به زمان کوتاهی برای تداخل نیاز دارند و همین امر باعث کوتاه شده زمان جوشکاری می شود. در چگالی توان هایی که بزرگتر از می باشند، شرایط برشکاری و سوراخ کاری فراهم می گردد.

۱-۶: موارد کاربرد جوشکاری با لیزر
در ابتدا متخصصان بر این باور بودند که لیزر قابلیت نفوذ در تمام مواد را دارد تا این که به کمک روش های مخرب و غیر مخرب، تعیین خواص مکانیکی و همچنین بررسی ساختار میکروسکوپی جوش های مختلف، مشخص شد که بعضی از مواد قابلیت پذیرش جوشکاری با لیزر را به خوبی دارا هستند در حالی که بعضی از مواد نیز به دلایل مخلتف قابلیت کمتری دارند. به طور کلی فلزات و آلیاژهایی که قابلیت جوشکاری به کمک این فرآیند را دارا هستند عبارتند از : سرب، مس، فلزات نجیب، آلومینیم، تیتانیم و آلیاژهای این فلزات، فلزات دیرگداز نظیر مولیبدن، فولادهای گرم کار کم کربن و کربنی، فولادهای استحکام بالای کم آلیاژی، فولاد های زنگ نزن و آلیاژهای نسوز پایه نیکل و پایه آهن.
از این فرآیند در صنایع اتومبیل سازی (که مورد بحث ما می باشد)، هواپیماسازی و صنایع فضایی و همچنین صنایع الکترونیک در سطح بسیار وسیعی استفاده می شود. تعدادی از قطعات که با این روش جوشکاری می شوند عبارتند از :
– بدنه اتومبیل های سواری و دیفرانسیل و کوپلینگ های اتومبیل
– شیرهای هیدرولیکی
– تفنگ الکترونی تلویزیون
– تیغه های گیوتین و تیغ اره ها
– مبدل های حرارتی و لوله از جنس فولاد زنگ نزن
– همزن دستگاه های مخلوط کننده که در صنایع غذایی کاربرد دارند.
– انتقال دهنده های الکترونی-اپتیکی نظیر انتقال دهنده های پیام در کشتی ها

شاید در ابتدا چنین تصور شود که از جوشکاری لیزر فقط در مواردی استفاده می شود

که قطعات کوچک و ظریف هستند اما از این فرآیند در جوشکاری قطعات بسیار حجیم و بزرگ که یک جوش با کیفیت و دقت بسیار بالا مورد نیاز است نیز استفاده می شود. به عنوان مثال در شکل ۶ یک یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک نشان داده شده است که با اشعه لیزر جوشکاری می شود.
این یاتاقان از جنس فولاد زنگ نزن ۳۲۱ می باشد که ضخامت، قطر و ارتفاع دارند.

 

شکل ۶ : یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک که با اشعه لیزر جوشکاری
می شود. این یاتاقان از جنس فولاد زنگ نزن ۳۲۱ می باشد

تقسیم بندی لیزرها

تقسیم بندی لیزرها
لیزرها بر اساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته “پیوسته‌کار” و “پالسی” تقسیم ‌بندی می‌شوند. نور لیزرهای پیوسته‌ کار بطور پیوسته گسیل می‌شود، ولی نور لیزرهای پالسی در زمانهای کوتاه که به این زمان “دوام پالس” گفته می‌شود ارائه می‌گردد. فاصله زمانی ارائه دو پالس متوالی معمولاً خیلی بیشتر از زمان دوام پالس است. لیزرهای پالسی به‌دلیل اینکه می‌توانند انرژی خود را در زمان کوتاهی ارائه دهند، معمولاً دارای توانهای بالاتری می‌باشند
لیزرها را براساس حالت ماده لیزر زا هم به لیزرهای حالت جامد ، لیزرهای گازی ، لیزر رزینه ، لیزرهای نیمه‌هادی (دیودهای لیزری)، و لیزرهای الکترون آزاد تقسیم ‌بندی می‌کنند. همچنین ممکن است لیزرها را براساس نوع ماده تشکیل‌دهنده محیط لیزر زایی نیز تقسیم‌ بندی کرد. لیزر یاقوت ، لیزر نئودیوم- یق ، لیزر دی اکسید کربن ، لیزر هلیوم- نئون و انواع لیزرهای دیگر بر این اساس نامگذاری شده‌اند.

۲-۱: لیزر حالت جامد
تا کنون سه نوع اصلی لیزر جامد ساخته شده است که از آنها می توان در فرآیندهای فلزکاری استفاده نمود:
• لیزر یاقوت
در این لیزر ماده تولید کننده اشعه لیزر کریستال شفاف کروندوم ( ) می باشد که حدود ۰۵/۰ درصد کروم سه ظرفیتی به شکل اکسید کروم به آن اضافه شده است. اتم های آلومینیم و اکسیژن خنثی هستند و فقط اتم های کروم می توانند معکوس جمعیت را ایجاد کنند. رنگ صورتی یاقوت نیز به علت وجود همین یونهای کروم می باشد.
یک منبع نور سفید قوی کریستال را احاطه کرده است و وقتی نور وارد این کریستال می شود در قسمت آبی – سبز طیف شدیدا توسط اتم های کروم جذب می شود و باعث می شود که تعداد زیادی از الکترون ها به لایه بالاتر جهش کنند. این الکترون ها سریعا برگشت کرده و تعدادی نیز در حالت نیمه پایدار به دام می افتند بدون این که فوتونی تولید شود. این الکترون ها برای مدت زمانی حدود چند میلی ثانیه در حالت نیمه پایدار باقی مانده و سپس به طور تصادفی به حالت پایدار بر

 

می گردند و بدین ترتیب مقدار قابل ملاحظه ای نور قرمز تولید می شود. نور قرمز تولید شده توسط دو آینه که در دو طرف یاقوت قرار گرفته اند به داخل یاقوت بازگشت داده می شود و پس از چند بار رفت و برگشت، پس از این که به شدت مطلوب رسید خارج می شود. بنابراین در این لیزر از اکسید کروم ( ) به عنوان ماده لیزر، از نور سفید به عنوان عامل تحریک کننده و از کریستال یاقوت به عنوان اتاقک تشدید کننده استفاده می شود.

شکل ۷: وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتومها تولید شد
با رفت و برگشت بین آینه ها متمرکز می شود.
ساختار لیزر یاقوت
یاقوت از نظر ساختار شیمیایی از تشکیل شده است که در آن درصد کمی از با جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر به خیلی خالص ذوب شده ، اضافه می‌کنند.

ساختار بلوری یاقوت
تک بلورهای میزبان ، تک محور و دارای ساختاری شش گوش می‌باشند. بلور دارای یک محور تقارن است. در فرایند آلایش به جای یکی از یونهای آلومینیم یون ناخالصی (مانند ) می‌نشیند. به روش چکرالسکی میله‌های لیزری به طول ۱۵ سانتیمتر و قطر ۳٫۵ سانتیمتر قابل رشد می‌باشد. در فرایند رشد ، بلور بر روی نطفه اولیه با خلوص بالا رشد داده شده و به آهستگی از داخل ماده مذاب مایع بیرون کشیده می‌شود. مقدار آلایش ، ۰٫۰۵ درصد وزنی است
لیزرهای شبیه یاقوت

بلور با یون نیز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر یکی از سیستمهای لیزری حالت جامدی است که ناحیه قابل تنظیم طول موجی آن خیلی وسیع و در حدود ۳۰۰ نانومتر می‌باشد.

• لیزر نئودایمیوم
• از این لیزر کمتر در فرآیندهای جوشکاری استفاده می شود لذا در اینجا مورد بحث قرار نمی دهیم.

• لیزر سنگ آذرین ایتریوم آلومینیم حاوی نئودایمیوم
Neodymium ion in yttrium Aluminum Garnet: (Nd: YAG)
توان خروجی لیزرهای Nd:YAG معمولا بین W 1000-100 است. اما اخیرا دستگاه هایی با توان خروجی kW 3-2 نیز ساخته شده اند. این لیزر پالس هایی با حداکثر توان kW10 را نیز می تواند تولید کند. طول موج اشعه لیزر تولید شده توسط این سیستم است و مهمترین مشخصه آن

محسوب می شود. از این لیزر در سطح وسیعی برای جوشکاری و برشکاری استفاده می شود. یک Nd:YAG 150 واتی، فولادی به ضخامت را با سرعت به صورت لب به لب جوشکاری می کند، این در حالی است که یک لیزر W 100 ورقه فولادی به ضخامت را با همان سرعت جوشکاری می کند. در شکل ۷ یک طرح شماتیک از لیزر Nd:YAG نشان داده شده است. در این شکل میله لیزر، فلاش لامپ، منعکس کننده ها و آینه ها کاملا مشخص شده اند. میله لیزر یک تک کریستال از جنس YAG است که اتمهای نئودایمیوم با دقت درون آن کاشته شده اند. این میله قابلیت عبور ن

ور فلاش لامپ و فوتونهای تولید شده و در نتیجه قدرت تحریک اتمهای نئودایمیوم را داراست. میلیه لیزر، فلاش لامپها و منعکس کننده ها در یک محفظه آبگرد قرار می گیرند. خنک کردن مداوم میله لیزر جهت جلوگیری از خسارات حرارتی ضروری است چون این حرارت عملکرد لیزر را تحت تاثیر قرار می دهد و ممکن است باعث شکسته شده میله لیزر شود.آینه هایی که در تشدید کننده قرار گرفته اند از جنس شیشه می باشند که با یک منعکس کننده عایق پوشش داده شده اند. بعضی

از این آینه ها صد در صد منعکس کننده می باشند و بعضی از آنها تا حدی قابلیت عبور دارند.
منبع قدرت،پالس های جریان با دامنه نوسان و طول عمر مناسب را تولید و به داخل فلاش لامپ تزریق می کند. این فلاش لامپ پالسهای جریان را به پالسهای نور سفید تبدیل می کند. این نور به کمک مجموعه منعکس کننده به داخل میله لیزر رانده می شود و اتمهای نئودایمیوم را جهت ت

ولید خود به خودی اشعه تحریک می کند. مدت زمان پالس اشعه لیزر تولید شده همان مدت زمان پالس شدت جریان می باشد، بنابراین برای کنترل اثر متقابل مواد و اشعه لیزر و همچنین عمق نفوذ و شکل ظاهری جوش کافی است که عوامل موثر بر پالسهای جریان را کنترل کرد. در جوشکاری با لیزر Nd:YAG زمان هر پالس و فرکانس بین است.

شکل ۸ : طرح شماتیک لیزر Nd:YAG

۲-۳: : لیزرهای گازی
در این لیزر از یک گاز به عنوان ماده تولید کننده اشعه لیزر استفاده می شود. مهمترین لیزر گازی که در جوشکاری و برشکاری مورد استفاده قرار می گیرد لیزر می باشد. در حال حاضر لیزرهایی با توان خروجی مورد استفاده قرار می گیرد و تحقیقات در مورد ساخت لیزرهای با توان های بالاتر در حال انجام است. در جوشکاری فولادها یک لیزر ۲kW، می تواند جوشی با عمق نفوذ ۳mm را با سرعت ایجاد کند و لیزرهای ۵ و ۱۰ کیلو وات با همان سرعت عمق نفوذی برابر با ۷ و ۱۵ میلی متر ایجاد می کنند.
این نوع لیزر نسبت به لیزر Nd:YAG بزرگتر و پیچیده تر است و توان خروجی بی

شتری تولید می کند. برای این که گاز به عنوان ماده تولید کننده لیزر نقش خود را به درستی ایفا کند مقدار بسیار کمی از گازهای هلیم و نیتروژن در فشار حدود به آن افزوده می شود و در محفظه ای قرار می گیرند که قسمتی از تشدید کننده را تشکیل می دهد. هلیم و نیتروژن به دفع طول موجهای زائد و نامطلوب کمک می کند و باعث تولید مقدار بیشتری فوتون می شوند.
برای پر کردن محفظه از مخلوط گاز، هوای محفظه توسط یک پمپ خلا تخلیه می شود. این پمپ وظیفه کنترل فشار محفظه در هنگام ورود مداوم گاز لیزر و خروج گازهای تجزیه ش

ده را بر عهده دارد که این ورود و خروج گاز باید بسیار آرام صورت گیرد. برای این که اختلاف پتانسیل ایجاد شده مولکولهای گاز را تحریک کرده و یک تخلیه تابشی (تابش فوتون) صورت گیرد فشار گاز کم داخل محفظه باید دقیقا کنترل شود. برای تحریک گاز هم از جریان یکنواخت (D.C) و هم از سیستم های ولتاژ بالای امواج رادیویی استفاده می شود. به طور کلی توان خروجی اشعه تقریبا ده برابر کمتر از توان اشعه ورودی است. شدت جریان به هر دو شکل پالس و موج قابل استفاده می باشد. گاز به طور مداوم از تشدید کننده به سیستم خنک کننده و از آنجا به سیست

م تشدید کننده در گردش است. دستگاه های لیزر بر اساس نوع جریان گاز به دو دسته تقسیم می شوند:
– جریان محوری: در این لیزرها گاز در امتداد محور اپتیکی است.
– جریان متقاطع: در این لیزرها جریان گاز بر محور اپتیکی عمود است.
در شکل زیر یک لیزر با جریان محوری و در شکل زیر یک لیزر با جریان متقاطع نشان داده شده است.

شکل ۹ : طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان محوری
لیزرهای در مقایسه لیزرهای Nd:YAG توان خروجی و راندمان بیشتری دارند، قابل اعتماد ترند و ایمنی کار با آنها بیشتر است. لیزرهای Nd:YAG با توسعه توان خروجی، بهبود کیفیت پرتو لیزر و امکان انتقال توسط فیبر نوری وارد زمینه هایی شده است که قبلا در حیطه کاری لیزرهای بوده است. طول موج کمتر Nd:YAG موجب می شود درصد بیشتری از انرژی پرتو جذب قطعه کار شود،

بنابراین برای عمق نفوذ یکسان و سرعت برابر، در مورد لیزرهای Nd:YAG نیاز به توان های کمتری در مقایسه با لیزرهای می باشد. طول موج کمتر لیزر Nd:YAG اجازه انتقال نور را از طر یق کابل فیبر نوری می دهد. بنابراین کاربری و کنترل لیزرهای Nd:YAG آسان تر است. به عنوان مثال محل جوشکاری می تواند تا ۲۰۰ متر دورتر از سایر تجهیزات کارگاه باشد.
مزیت دیگر انتقال با فیبر نوری قابلیت انتقال پرتو از یک منبع به چندین محل است. با این روش م

ی توان حتی چند عملیات برشکاری، جوشکاری و عملیات سطحی را به صورت همزمان با توان ها و زمان های مختلف انجام داد.

شکل ۱۰ : طرح شماتیک یک لیزر CO2 با جریان متقاطع

لیزر Nd:YAG سوراخ کلید نسبتا بزرگ تر و پایدارتری را در مقایسه با لیزر پدید می آورد. پایداری بیشتر لیزر Nd:YAG منجر به دست یافتن به یک گرده جوش یکنواخت و عاری از تخلخل می شود. لیزرهای Nd:YAG در مقایسه با می توانند به خاطر تداخل کمتر بین پرتو، ماده و پلاسما در سرعت های کمتری عمل کنند، بنابراین فلزات ضخیم تری را با آنها می توان جوش داد. تاثیرات کمتر پلاسما همچنین اجازه استفاده از آرگون را به عنوان گاز محافظ می دهد در صورتی که در جوشکاری با لیزر استفاده از گاز هلیم ضروری است.

۲-۳: : دیود لیزرها
دیود لیزرها به طور گسترده ای در صنعت ارتباطات و الکترونیک به کار می رود. این کاربردها به سیستم هایی که با لیزرهایی با توان در حد چند میلی وات سر و کار دارند محدود می شود. اما در حال حاضر محققان و سازندگان لیزر به دیود لیزرهای توان بالا با توان هایی در حد کیلو وات دست یافته اند. در ۱۰ سال اخیر در هر سال توان دیود لیزرها دو برابر شده و اکنون دیود لیزرهایی با توان نیز موجودند. از مزایای این لیزرها می توان به حجم کم، دوام زیاد، راندمان انرژی بالا و هزینه نگهداری کم اشاره کرد.

مواد اصلی برای تهیه این نوع لیزرها بر پایه هادی های گروه و جدول تناوبی می باشد. طول موج قابل حصول با این لیزرها متغیر بوده و به عوامل گوناگونی بستگی دارد. AlGaAs و InGaAs مهمترین موادی هستند که در ساخت دیود لیزرها به کار می روند. به خاطر چگالی توانی اندک این لیزرها کاربردهای گزارش داده شده آن برای مصارف جوشکاری منحصر به نوع کنترل با هدایت محدود شده است، چون برای تشکیل سوراخ کلید به چگالی توان بیش از نیاز است. اگرچه گزارش هایی مبنی بر جوشکاری سوراخ کلیدی تا عمق بر روی فولاد زنگ نزن با سرعت و با توان ارائه شده است.

متغیرهای فرآیند جوشکاری با لیزر

 

متغیرهای فرآیند جوشکاری با لیزر
متغیرهای فرآیند جوشکاری با لیزر عبارتند از :
• توان پرتو
• قطر پرتو
• قابلیت جذب پرتو
• سرعت جوشکاری (سرعت عبور لیزر بر روی سطح قطعه)
• متغیرهایی چون طراحی درز جوش، اندازه گپ در جوشکاری سر به سر و گاز محافظت کننده نیز نقش مهمی ایفا می کنند.

۳-۱: توان پرتو لیزر

عمق نفوذ در فرآیند جوشکاری لیزر مستقیما به چگالی توان پرتو لیزر بستگی دارد. چگالی توان تابع قطر پرتو لیزر می باشد. با افزایش توان پرتو، نفوذ معمولا افزایش می یابد. تحقیقات مختلف نشان داده است که نفوذ تقریبا به صورت خطی با افزایش توان پرتو افزایش می یابد. به طور کلی برای جوشکاری لیزر یک مقطع با ضخامت مشخص، یک توان آستانه یا توان حداقل لازم است.

جدول ۱ : تاثیر بر عمق نفوذ با سرعت های مختلف جوشکاری در فولاد ۳۰۴

۳-۲: قطر پرتو لیزر
این متغیر تعیین کننده چگالی توان می باشد. تعیین این متغیر برای پرتوهای با توان بالا بسیار مشکل است. قسمتی از این سختی به خاطر طبیعت قطر پرتو و قسمتی به خاطر تعریف مبهم آنچه باید سنجیده شود می باشد. به طور کلی در یک توان ثابت هرچه قطر پرتو کمتر باشد حرارت متمرکز تر شده و حوضچه جوش کوچکتری ایجاد می شود. قطر پرتوهای لیزر خروجی با افزایش توان لیزر افزایش می یابد. به عنوان مثال لیزرهای ۱۰،۵،۱ و ۲۵ کیلو وات به ترتیب قطرهای ۴۰،۲۵،۱۰ و ۷۰ میلیمتر دارند. چگالی توان متوسط مربوط به این قطرها بین ۱۳-۶ می باشد.

تمرکز حقیقی توان توزیع شده به نوع پرتو بستگی دارد (شکل ۶ را ببینید). اندازه لکه متمرکز شده با توجه به قطر پرتو لیزر، طول کانونی شی اپتیکی متمرکز کننده، نوع پرتو و زاویه انحراف (دیورژانس) پرتو (زاویه ای که تحت آن پرتو لیزر در هنگام خروج از لیزر منتشر می شود) تعیین می گردد.
چندین راه برای محاسبه اندازه نقطه تمرکز یک پرتو لیزر به منظور تعیین چگالی توان یک لیزر وجود دارد. اندازه گیری فیزیکی به ویژه در توان های بالا به سادگی امکان پذیر نیست چون به تجه

یزات علمی نیاز دارد که همیشه در محیط کار موجود نیستند. اما یک راهنمای مناسب برای تعیین قطر نقطه تمرکز برای بیشتر انواع لیزرهای (مخصوصا برای آنهایی که تشدید کننده پایه ای دارند) استفاده از رابطه ۱ است:
(۱) = قطر نقطه تمرکز
: طول موج نور لیزر (mm)

 

: طول کانونی شی اپتیکی متمرکز کننده (mm)
: قطر پرتو لیزر در اپتیک لیزر (mm)
: عدد مربوط به مد لیزر می باشد که به صورت یک عدد ده دهی با ممیز اعشاری قرار گرفته قبل از اولین رقم بیان می شود.

لیزرهای جوشکاریNd:YAG ، به طور کلی زوایای پخش (دیورژانس) بزرگتری نسبت به لیزرهای دارند و بنابراین پرتو نمی تواند بدون استفاده از موازی کننده (Collimator)، که قبل از شی متمرکز کننده قرار گرفته است (یک تلسکوپ وارونه)، متمرکز شود. اندازه تقریبی نقطه تمرکز برای این لیزرها معمولا از رابطه زیر محاسبه می شود.
= قطر نقطه تمرکز
: زاویه خروجی پخش پرتو لیزر در هنگام ترک لیزر یا موازی کننده (رادیان)
: طول کانونی شی متمرکز کننده استفاده شده (mm)

۳-۳: قابلیت جذب پرتو
راندمان فرآیند جوشکاری با لیزر به میزان جذب انرژی پرتو توسط قطعه کار بستگی دارد. جذب اشعه مادون قرمز توسط فلزات تا حد زیادی به جذب هدایتی توسط الکترون های آزاد وابسته است. بنابراین جذب تابعی از مقاومت الکتریکی ماده است و نشان داده شده که متناسب با جذر مقاومت الکتریکی می باشد. معادلات به دست آمده وابسته به دما تنها برای سطوح عاری از اکسید و گرم شده در خلا اعتبار دارند.

وجود لایه اکسیدی جذب را بهبود خواهد بخشید. این موضوع به ویژه در مورد ورق های نازک بسیار حائز اهمیت است. در مورد این ورق ها وقتی قطر نقطه جوش نسبت به ضخامت ورق قابل ملاحظه باشد و یا توان لیزر برای به جوش آوردن فلز کافی نباشد از جوشکاری با هدایت محدود استفاده می شود. این فرآیند برای ورق هایی با ضخامت کمتر از ۵/۰ میلیمتر مناسب تشخیص داده شده است. در این روش جوشکاری دو مشکل وجود دارد: انعکاس زیاد پرتو از روی سطح و احتیاج مبرم به جفت شدن دقیق ورق ها. انعکاس مداوم پرتو در درون سوراخ در جوشکاری لیزر سوراخ کلیدی

جذب را تا ۹۰% افزایش می دهد. برای افزایش جذب لیزر توسط ورق های نازک فولادی در جوش نوع هدایتی باید دما افزایش یابد. بررسی ها نشان می دهد با افزایش دما میزان جذب افزایش می یابد. میزان جذب با تغییر حالت از جامد به مایع، مایع به گاز و از گاز به پلاسما (به خاطر افزایش دما) افزایش می یابد. علت این پدیده افزایش مقاومت الکتریکی با افزایش دما می باشد. میزان زاویه برخورد در زوایای کوچک تاثیری در میزان جذب ندارد.
وضعیت سطحی نیز در میزان جذب تاثیر دارد. خشن بودن سطح و وجود پوشش جذب را افزایش می دهد. به طور کلی اکسید کردن سطح درون کوره هوایی باعث افزایش جذب شده ولی میزان اکسیژن را در ناحیه جوش اندکی افزایش می دهد. با این حال استحکام کششی جوش و

چقرمگی در حد قابل قبول خواهد بود. در مواردی که امکان اکسیداسیون سطحی وجود ندارد، با اضافه کردن اندکی اکسیژن به گاز محافظ آرگون یا استفاده از گاز می توان عمق نفوذ جوش را به طور قابل ملاحظه ای افزایش داد. با استفاده از پودر پر کننده حاوی عنصر اکسیژن زدا نیز می توان

کیفیت را تضمین کرد. در جوشکاری ورق فولاد ساده کربنی به روش هدایتی می توان از میزان اندکی گاز محافظ استفاده کرد و یا اصلا گاز محافظ به کار نبرد تا اکسیداسیون سطح ناحیه جوش در هنگام جوشکاری، میزان جذب را افزایش دهد. رابطه وابسته به دما در مورد ارتباط بین مقاومت الکتریکی و تابندگی نسبی (نسبت بازتاب از سطح جسم به بازتابش از جسم سیاه در همان دما) استخراج شده است که می تواند برای محاسبه تئوری میزان جذب با استفاده از مقاومت الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. باید توجه داشت که این رابطه فقط برای فلزات بدون لایه اکسید سطحی معتبر است. با استفاده از این رابطه میزان جذب برای فلزاتی نظیر Al, As, Au بین ۲ تا ۳ درصد و برای فولاد ضد زنگ ۳۰۴ و زیرکونیم حتی در حالت مذاب زیر ۱۵ درصد است. اضافه کردن پودر جذب کننده بر روی سطح، یا تشکیل نوار آندایز شده بر روی سطح می تواند در افزایش جذب مفید باشد.
جریان گاز تاثیر چشم گیری بر جذب ندارد. در بالای آستانه مشخصی (در حدود ) انتقال انرژی از طریق سوراخ کلید منجر به جذب بسیار موثرتری می شود. با تشکیل سوراخ کلید ناگهان جذب

افزایش می یابد که ناشی از انعکاس های متناوب پرتو درون سوراخ است. علی رغم زوایای همگرایی بزرگ پرتوهای لیزر نسبت به پرتوهای الکترونی، انرژی آستانه مورد نیاز برای تشکیل سوراخ کلید در جوشکاری لیزر بیشتر از مقدار مورد نیاز برای پرتو الکترونی است ( ) که به خاطر جذب ضعیف پرتو می باشد. در هر صورت انتقال انرژی توسط این مکانیزم امکان جوشکاری با راندمان بالا را حتی برای مواد با قابلیت انعکاس دهندگی بالا نظیر آلومینیم فراهم می کند.

۳-۴: سرعت عبور پرتو
ارتباط عمق نفوذ با سرعت جوشکاری برای هر دو فرآیند جوشکاری با پرتو لیزر و الکترونی مورد مطالعه قرار گرفته و مشخص شده که نفوذ جوش لیزر پیوسته از نفوذ جوش پرتو الکترونی کمتر است اما با افزایش سرعت جوشکاری، میزان این اختلاف کاهش می یابد. برای سرعت های

آهسته جوشکاری، عمق نفوذ جوش های لیزری به طور قابل ملاحظه ای کمتر از مقادیر مربوط به پرتو الکترونی است. این می تواند به تشکیل ابر پلاسما که پرتو برخوردی را تضعیف می کند ربط داده شود. این ابر پلاسما در مورد لیزر از نوع موج پیوسته در سرعت های کمتر از تشکیل شده و با گاز محافظ واکنش می دهد و به شکل کره آبی رنگ درخشانی به قطر چند میلی متر دیده می شود. این کره نسبت به نور لیزر کاملا شفاف نیست و قسمتی از پرتو لیزر را قبل از متمرکز شدن

آن، به اطراف می پراکند. این پدیده باعث پهن شدن ناحیه ذوب نزدیک به سطح می شود و از عمق نفوذ جوش می کاهد. یک راه حل آسان برای رفع این مشکل، استفاده از توان های بالاتر

لیزر و افزایش سرعت جوشکاری است (که البته همواره ممکن نیست مخصوصا در جایی لازم است به کمک یک دستگاه جوشکاری لیزر با توان محدود مقاطع ضخیم جوشکاری شوند). یک راه حل دیگر برای رفع این مشکل استفاده از جت حذف کننده پلاسما می باشد. در این روش به کمک یک نازل جریان پیوسته ای از گاز هلیم بر ابر پلاسما دمیده می شود تا هم ابر را جابه جا کند و هم منطقه را از گازی که می تواند منجر به گسترش ابر پلاسما شود تخلیه کند.

۳-۵: گاز محافظ
جوشکاری لیزری به طور معمول از یک گاز محافظ خنثی (معمولا آرگون یا هلیم) بهره می برد. برای جوشکاری با یک لیزر با توان متوسط پیوسته، جوش در امتداد محور پرتو لیزر با گاز محافظت می شود. انجام جوشکاری با لیزر مستلزم این است که یک محفظه گاز محافظ تمام ناحیه جوش را

بپوشاند. برای صرفه جویی در هزینه عملیات، جوشکاری نقطه ای لیزر ضربانی حالت جامد را می توان بدون گاز محافظ انجام داد، چون حوضچه جوش تنها برای لحظه کوتاهی به صورت مذاب است. ضربان لیزر برای ۱ تا ۱۰ میلی ثانیه طول می کشد و مدت زمان پایداری حوضچه در حالت مذاب از این زمان هم کوتاه تر می باشد.

انتخاب لیزر جهت جوشکاری

انتخاب لیزر جهت جوشکاری

۴-۱: عوامل موثر در انتخاب لیزر مناسب:

با توجه به تنوع لیزرهایی که برای مقاصد جوشکاری و برشکاری در دسترس هستند برای انتخاب یک لیزر مناسب باید عوامل متعددی را مد نظر قرار داد. مهمترین عواملی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:

الف: عمق نفوذ
مطمئنا مهمترین نکته ای که در انتخاب لیزر مناسب چه از نظر نوع و چه از نظر توان باید در نظر گرفت عمق نفوذ مورد نیاز برای جوش می باشد. بیشترین مقدار نفوذ تابع چگالی توان و عملکرد اشعه حین متمرکز شدن روی نقطه مورد نظر می باشد. نوع دستگاه تولید لیزر در عمق نفوذ تاثیر می گذارد. مثلا یک لیزر با توان ۱ kW و با جریان گاز محوری عمق نفوذ بیشتری نسبت به همان لیزر با جریان گاز متقاطع ایجاد می کند. این تفاوت می تواند ناشی از یک سری اختلافات بسیار جزئی در واگرایی اشعه و یا تاثیر عواملی مثل ارتعاش عدسی ها باشد که کمتر به چشم می آیند.

ب : قدرت تولید (Productivity)
قدرت تولید و فراوری سیستم مستقیما به سرعت جوشکاری بر می گردد. به عنوان مثال یک لیزر با توان W 500 و جریان گاز محوری و یک لیزر kW 20 و جریان گاز متقاطع هر دو قادر به جوشکاری یک ورق نازک فولادی به ضخامت ۱ میلیمتر می باشند اما سرعت این دو بسیار متفاوت است. بنابراین یک دستگاه لیزر با بالاترین سرعت جوشکاری (یا برشکاری) و با توجه به عمق نفوذ جوش مورد نیاز مطابق نظر مشتری ساخته می شود.

ج: کیفیت جوش
عواملی نظیر پهنای گرده جوش، حرارت داده ش

ده به قطعه، وسعت منطقه HAZ و خسارات ناشی از کاربرد اشعه بر خواص جوش تاثیر می گذارد. با استفاده از یک اشعه با توان بالا خسارات حرارتی و آسیب های ناشی از آن کاهش می یابد اما در عوض متمرکز کردن و کانونی کردن اشعه در نقطه مورد نظر مشکل تر می شود.
بحث کیفیت جوش تنها در مرحله جوشکاری مطرح نیست بلکه در هزینه های مراحل قبل و بعد از جوشکاری نیز تاثیر می گذارد. به عنوان مثال با استفاده از یک اشعه لیزر با توان بالا، به علت ایجاد یک جوش بسیار تمیز، هزینه های ماشین کاری و تمام کاری قطعه پس از جوشکاری حذف می شود اما در عوض یک مقدار هزینه باید صرف آماده کردن قطعات و طراحی یک درز جوش بسیار دقیق نمود.

د: قابلیت توسعه سیستم (Expandability):
قابلیت توسعه از دیگر نکات مهم در انتخاب لیزر می باشد که با افزایش تولید میزان سود آوری و نیازهای آینده بستگی دارد. در مواردی نظیر صنایع اتومبیل سازی که جوشکاری یا برشکاری با لیزر در حجم بسیار وسیع صورت می گیرد، مساله توسعه پذیری سیستم چندان مطرح نیست، اما در مورد کارگاه های کوچک مساله قابلیت توسعه و نیازهای آینده صنعت بسیار حائز اهمیت است. آنچه مطرح است انتخاب یک لیزر با درجه آزادی و قابلیت انعطاف بالا می باشد تا توان برآوردن نیازهای آینده را نیز داشته باشد.

ه: هزینه ها
تجهیزات و قطعات اصلی دستگاه های لیزر بسیار گران قیمت می باشند. علاوه بر آن هزینه های مربوط به سیستم در حال کار، لوازم یدکی، مواد مصرفی و تلف شده، نیروی کار و مسائل ایمنی و تجهیزات مربوط به آن نیز مسائل بسیار نگران کننده و حائز اهمیتی می باشند. با این همه انتخاب نهایی لیزر بر اساس انجام موفقیت آمیز و اثبات شده یک سیستم گذاشته می شود و قیمت دستگاه در آخرین مرحله قرار می گیرد.

۴-۲: جوشکاری فولادها

به علت اهمیت و کاربرد فراوان فولادها در صنایع مختلف بیشتر مطالعات ابتدایی در مورد تاثیرهای متغیرهای جوشکاری لیزر بر روی فولادها صورت گرفت. جوشکاری فولاد های زنگ نزن سری ۳۰۰ با لیزر توان بالا نشان داده شده است که جوش هایی با نسبت عمق به پهنای ۱۲ قابل دست یابی است. بررسی رادیوگرافی جوش های لیزر فولاد زنگ نزن نیز نشان از ایجاد جوش های بدون تخلخل با چگالی بالا دارد. آزمایش کشش نیز نشان داده است که استحکام اتصال با انتخاب مناسب متغیرهای جوشکاری می تواند برابر با ماده پایه باشد.
در مقایسه ای که با انجام آزمایش کشش بر روی جوش حاصل از

فرآیندهای GTAW, EBW, LBW و PAW بر روی فولادهای زنگ نزن ۳۱۶ ، ۳۱۰ و فولاد فریتی DUCOL W30 انجام گرفت، مشخص شد که EBW و LBW برای راندمان بیشتر و کیفیت جوش بهتر، فرآیندهای مرجع می باشند. باید به این نکته نیز توجه داشت که جوشکاری با پرتوی الکترونی نیاز به اتاقک خلا دارد در صورتی که پرتوی لیزری نیازی به خلا ندارد.

۴-۳:جوشکاری آلومینیم و آلیاژهای آن
به علت بالا بودن بازتاب سطحی اولیه نور، جوش پذیری آلومینیم با روش لیزر خوب نیست و این باعث شده است که به آلومینیم در مقایسه با تیتانیم، فولاد زنگ نزن و فولادهای آلیاژی، توجه کمتری شود. اما به خاطر کاربرد وسیع آلیاژهای آلومینیم در حمل و نقل، هوافضا و صنایع دیگر، جوشکاری این آلیاژها با روش لیزر به تدریج به صورت یک تکنیک اتصال کلیدی در آمده است. در حال حاضر دو نوع لیزر تجاری دی اکسید کربن و Nd:YAG در جوشکاری آلومینیم کاربرد دارند. طول موج کوتاهتر لیزر Nd:YAG موجب شده که قابلیت جذب بالاتری داشته باشد، بنابراین توان کمتری نسبت به لیزرهای در عمق نفوذ و سرعت جوشکاری یکسان برای آنها مورد نیاز است ( به عنوان مثال برای آلیاژ ۶۰۸۲ تقریبا یک سوم کمتر است). لیزر Nd:YAG سوراخ کلید پایدارتر و بزرگتری ایجاد می کند و پایداری بیشتر آنها گرده جوشی یکنواخت تر با تخلخل کمتر یا بدون تخلخل ایجاد می کند.
همه آلیاژهای آلومینیم دارای خواص ذاتی چون جذب اندک پرتو لیزر، فیلم های اکسیدی چسبنده، هدایت بالای حرارتی، ضریب بالای انبساط حرارتی، محدوده دمایی انجماد نسبتا وسیع، انقباض ناشی از انجماد بالا، تمایل به تشکیل ترکیبات زود ذوب، گرانروی پایین و انحلال پذیری بالای

هیدروژن در حالت مایع هستند. بنابراین عیوبی چون نفوذ ناقص، تخلخل و مک های گازی اضافی، ترک های ذوبی و انجمادی، افت عناصر آلیاژی، افت خواص مکانیکی و همچنین کیفیت نا مطلوب جوش، می تواند در حین جوشکاری لیزر آلیاژهای آلومینیم پیش آید. هنوز خیلی از پایه های جوشکاری لیزر برای آلومینیم مورد بررسی و تحقیق واقع نشده و این عملیات فاصله زیادی تا یک تکنیک پذیرفته شده، مطمئن و قابل پیش بینی و تکرار دارد.
۴-۴: جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن

در مورد آلیاژ که به طور گسترده ای در صنایع هوافضا به خاطر نسبت استحکام به وزن بالای آن کاربرد دارد روش EBW خیلی بیشتر از LBW به کار برده می شود. اما عمق نفوذ در فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی تنها می تواند در شرایط خلا به مقادیر بالا برسد. پرتوی لیزر را می توان در اتمسفر، بدون تضعیف یا افت قابل ملاحظه تا فواصل قابل توجهی انتقال داد. بنابراین لیزر روشی با توان و قدرت مانور بالا و از لحاظ شیمیایی تمیز می باشد که می تواند در شرایط معمولی، جوش هایی با عمق نفوذ بالا، HAZ باریک و پیچیدگی اندک ایجاد کند. کاربرد جوشکاری لیزر برای موادی نظیر آلیاژهای تیتانیم که به تمیزی فوق العاده زیاد برای رسیدن به جوش های سالم نیازمند هستند، در صنایع هوافضا و شیمیایی از اهمیت زیادی برخوردار است.

لیزر های توان پایین

لیزر های توان پایین

۵-۱: عوامل موثر در انتخاب لیزرهای توان پایین
همان طور که قبلا بحث شد استفاده از سیستم های تولید کنند لیزر با توان خروجی بالا متضمن صرف هزینه های گزاف می باشد. از این رو امکان استفاده صنعتی از لیزرهای توان پایین در حد W 100-10 مورد علاقه بسیاری از صنعتگران واقع شده است. لیزر پالسی Nd:YAG با توان پایین قادر به تولید پیک های توان با انرژی بالا و کافی برای جوشکاری دقیق فولادهای زنگ نزن، تیتانیم، کوار، نیکل، مس و سایر فلزات می باشد.
قیمت پایین، فیبر نوری کم و ارزان و آسان بودن هماهنگ کردن این سیستم برای جوشکاری، آن را در موقعیتی بسیار برتر نسبت به فرآیندهای TIG پالسی و جوش مقاومتی نقطه ای قرار داده است. در بسیاری از موارد جوش حاصل از لیزر پالسی Nd:YAG توان پایین، قابل رقابت با جوش حاصل از لیزرهای توان بالا می باشد.
امکان تقسیم زمان و تقسیم انرژی اشعه به استفاده کننده اجازه می دهد که با یک دستگاه چندین جوش نقطه ای یا مداوم را انجام دهد. این جنبه باعث شده است که حجم تولید به میزان چشم گیری افزایش یابد به طوری که با سیستم های توان بالا که در حجم وسیع کار می کنند رقابت می کند. با انداختن جوش های نقطه ای روی هم می توا به جوش های با استحکام بالا دست یافت.
قبل از انتخاب یک لیزر پالسی YAG توان پایین برای استفاده در اتصال ظریف و دقیق مواد، چند نکته مهم باید مورد ارزیابی قرار گیرد. استفاده کنندگان از این دستگاه ها باید مطمئن شوند که عملکرد این لیزر خواسته ها و نیازهای اساسی آنها را در مورد کیفیت و کمیت جوش برآورده می سازد.

۵-۲: نکات مهم در استفاده از لیزر توان پایین:

نکات مهمی که باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:
الف: توان پیک: که در حدود کیلووات می باشد و بیشترین مقدار توان قابل دسترسی در یک پالس ساده می باشد. توان پیک بالاتر به مفهوم سرعت بالاتر، عمق نفوذ بیشتر و امکان بیشتر در استفاده از چندین فیبر نوری می باشد. توان پیک لیزرهای توان پایین در حدود kW 5-3 می باشد.
ب:انرژی پالس: که با مقیاس ژول اندازه گیری می شود. انرژی پالس بیانگر توانایی اشعه در حرارت دادن و ذوب و یا بخار کردن فلز می باشد. انرژی پالس بالاتر باعث درسترسی به عمق نفوذ بیشتر و ظرفیت پذیرش فیبر نوری بیشتر می شود. علاوه بر اینها انرژی بیشتری نیز به هر یک از فیبرها می رسد. بیشترین مقدار انرژی پالس در لیزرهایی که با هوا خنک می شوند J15-10 و در لیزرهایی که با آب سرد می شوند و یک چیلر W 100-50 دارند، J 50-25 می باشد.
ج: پایداری پالس تا پالس: معمولا به عنوان درصدی از توان کامل پالس در نظر گفته می شود. پایداری پالس تا پالس یک عامل تعیین کننده بسیار مهم در جوشکاری قطعات و اجزای بسیار ظریف می باشد. لیزرهایی که تغییرات پالس تا پالس آنها کمتر است عملکرد بهتری از خود نشان می دهند. اختلاف بین پالس ها تا ۱۰ درصد قابل قبول می باشد و حتی در بعضی از لیزرهای توان پایین که برای تولید اجزای ظریف به کار می روند این اختلاف نباید بیشتر از ۵ درصد باشد.

د: توان پالس اولیه: اولین پالس باید همان توانی را داشته باشد که پالس های بعدی خواهند داشت چون در این صورت سرعت جوشکاری و عمر لامپ به بیشترین مقدار خود می رسد. لیزرهایی که لازم است مدت زمانی بی هدف کار کنند تا به اصطلاح گرم شوند عمر لامپ کمتری نسبت به بقیه سیستم ها دارند.

ه: انتخاب فیبر نوری
: فیبرهای نوری دریافت اشعه برای سیستم های لیزر Nd:YAG توان پایین باید به گونه ای باشند که نیازهای ویژه ای را که مورد نظر است برآورده سازند. فیبرهای نوری بسیبار متنوعی از نظر نوع و قطر هسته در دسترس می باشند که می توانند نیازها را به بهترین نحو برطرف سازند. این فیبرها شامل هر دو نوع فیبر GI و SI برای جوش های عمیق تر با قطر دکمه جوش کوچکتر مناسب می باشد در حالی که فیبرهای SI برای جوشکاری ورقهای نازک با منطقه جوش بزرگتر به کار می

رود.

جوشكاري ورق ST14 مورد استفاده در ساخت بدنه خودرو با استفاده از ليزر Nd:YAG پالسي

جوشكاري ورق ST14 مورد استفاده در ساخت بدنه خودرو با استفاده از ليزر Nd:YAG پالسي

۶-۱- چكيده : در اين تحقيق اثر تغيير پارامترهاي مختلف ليزر Nd:YAG پالسي در جوش لب به لب ورق استيل كم كربن از نوع ST14 به ضخامت mm 7/0 مورد استفاده در ساخت بدنة خودرو بررسي شده است. فراهم شدن شرايط ايجاد حفره كليدي در جوشكاري ليزري جهت دستيابي به عمق جوش و استحكام نهايي، ضرورري است. به نظر ميرسد در جوشكاري ليزري ورقهاي كم ضخامت ايجاد حفره كليدي و حفظ آن شديداً وابسته به پارامترهاي ليزر و ديگر پارامترهاي فرآيند است. محدوده مناسب قله توان و نيز پهناي پالسهاي ليزر بستگي به جنس ماده دارد و عمق نفوذ جوش همزمان به چگالي قله توان پالس و توان متوسط ليزر وابسته است.

در اين تحقيق نشان داده‌ايم كه فراهم نمودن شرايط تشكيل حفره كليدي بيش از هر عامل ديگري به چگالي قله توان وابسته است، حفظ حجم مذاب ايجاد شده تحت تأثير عرض پالس بوده و عمق جوش به انرژي پالس بستگي دارد.

۶-۲: چيدمان آزمايشات :
از يك دستگاه ليزر Nd:YAG پالسي مدل IQL-10 با حداكثر توان متوسط ۴۰۰ وات بعنوان چشمة ليزر استفاده شده است. اين ليزر قادر است پالسهاي مربعي شكل به پهناي ms 2/0-20 و فركانس Hz1-1000 با انرژي موردنظر حداكثر تا ۴۰ ژول را توليد نمايد. بديهي است كه هر تركيبي از اين پارامترها درصورتي قابل استفاده است كه توان خروجي ليزر از ۴۰۰ وات بيشتر نشود . از لنزي با فاصله كنوني mm75 جهت متمركز نمودن باريكه ليزر در جوشكاري استفاده شده است. گاز آرگون خالص با فلوي Lit/Min 10-5 كه به صورت هم‌محور با باريكه ليزر بر سطح قطعه كار فرود

 

مي‌آيد باعث محافظت ناحيه مذاب از مجاورت و تركيب با اكسيژن هوا مي‌گردد. نمونه‌هاي فلز ST14 به شكل ورق به ضخامت ۷/۰ ميليمتر و به ابعاد cm2 10*15 با لبه‌هايي كاملاً صاف بريده شده‌اند و از يك فيكسچر مخصوص جهت كنار هم قرار دادن لبه‌ها و حفظ موقعيتشان در طول فرآيند استفاده شده است. تركيب شيميايي نمونه‌هاي ST14 در جدول شماره ۱ نشان داده شده است. از يك مركز XYZ با دقت mm05/0 جهت حركت قطعه كار با سرعت موردنظر در زير نقطه تمركز باريكه ليزر كه ثابت است استفاده شده است در شکل ۱ تصویر چیدمان آزمایش نشان داده شده است

شکل۱۱ : تصویر چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده در جوشکاری لیزری
از توان سنجش مدل ۵۰۰۰W-LP و ژول سنج LA300W-LP ساخت OPHIR جهت اندازه‌گيري توان و انرژي پالس ليزر و از فوتو ديود THORLABS مدلDET410 به همراه اسيلوسكوپ تكترونيكس مدل TDS1012 جهت بررسي شكل پالس خروجي و اندازه گيري پهناي پالس استفاده شده است.
مقاطع جوش جهت بررسي عمق نفوذ و تغييرات ريز ساختار ناحيه جوش پس ار برش با دقت ساييده شده سپس با محلول ۲% نايتال اچ مي‌گردند تا ريز ساختار آن بوسيله ميكروسكوپ قابل مشاهده و بررسي گردد.

جد.ل ۲ – ترکیب شیمیایی نمونه ورق فلز st14

۶-۳: بررسي نتايج آزمايش:

الف : اثر پهنای پالس لیزر و قله توان لیزر
تنظيم كلية پارامترهاي جوشكاري ائم از انرژي ، پهنا، و فركانس پالسهاي ليزر، قطر لكه روي قطعه كار، سرعت،نوع و نرخ شارش گاز كمكي و… براي بدست آوردن جوش مناسب ضرورت دارد. لذا آزمايشاتي طراحي شد تا اثر هر يك از پارامترهاي اصلي و گستره مناسب تغييرات آنها در جوشكاري مشخص گردد .در آزمایش اول اثر پهنای پالس لیزر و قله توان بر كيفيت و عمق نفوذ جوش مورد بررسي قرار گرفت. كليه پارامترهاي فرآيند به غير از عرض پالس ليزر، ثابت در نظر گرفته شدند كه مقادير آنها در جدول صفحه بعد ذكر شده است.

جدول ۳ : شرایط و مقادیر پارامترهای آزمایش
نتيجه حاصل از اين آزمايش در شكل زير نشان داده شده است. در اين شكل منحني تغييرات درصد عمق نفوذ برحسب عرض پالس ليزر نشان داده شده است.

شکل ۱۲ : تغییرات عمق نفوذ جوش بر حسب پهنای پالس لیزر.
انرژی پالس ثابت و برابر ۱۱ ژول است.
چنانچه در شكل بالا ديده مي‌شود به ازاي عرض پالسهاي ۳،۴،۵،۶ ميلي ثانيه عمق نفوذ جوش كامل است و بعد از اين عمق نفوذ جوش رفته رفته كم مي‌شود تا جايي كه در عرض پالس ۱۰

ميلي‌ثانيه عمق نفوذ به ۶۵% ضخامت ورق كاهش مي‌يابد شکل (۱۳). جالب توجه است كه با وجود ثابت نمودن كليه پارامترهاي فرآيند (غير از عرض پالس ) ائم از توان متوسط ليزر و سرعت فرآيند كه عوامل اصلي در جوشكاري ليزري هستند عمق نفوذ كاهش يافته است