جوشکاری لیزری چگونه اتصالاتی محکم‌تر از روش‌های سنتی ایجاد می‌کند؟

هدف ایجاد جوش‌های قوی‌تر و بادوام‌تر است که بسیاری از شرکت‌ها را به استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند جوشکاری لیزری وامی‌دارد. بسیاری از شرکت‌ها علاوه بر دقت، به استحکام درز جوش اهمیت می‌دهند و این امر جوشکاری لیزری را به بهترین راه‌حل تبدیل می‌کند. هرچند جوشکاری MIG، TIG و مقاومتی هنوز در صنعت استفاده می‌شوند، اما جوشکاری لیزری همچنان مزیت بیشتری دارد.

در صنایع خودرو و هوافضا، بیشترین استفاده از جوشکاری لیزری صورت می‌گیرد. دقت بالای جوشکاری لیزری به دلیل پیچیدگی‌های فیزیکی فرآیند و تغییراتی است که در ماده ایجاد می‌شود. این مقاله دلایل اینکه چرا استحکام یک جوش بسته به روش ایجاد آن متفاوت است را ارائه می‌دهد.

مقدمه‌ای بر جوشکاری لیزری

فرآیند جوشکاری که دو یا چند قطعه ماده را با استفاده از لیزر به هم متصل می‌کند. لیزر حالت‌های مختلفی دارد و بر دو نوع جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری نفوذ عمیق متمرکز است. در جوشکاری هدایت حرارتی که برای اتصال ورق‌های بسیار نازک یا کاربردهایی که نیاز به نفوذ کم یا بدون نفوذ دارند استفاده می‌شود، توان لیزر نسبتاً پایین نگه داشته می‌شود (حدود 105-106 وات بر سانتی‌متر مربع) ² . در این حالت، قطعه کار ذوب می‌شود، اما تحت فرآیند تبخیر قرار نمی‌گیرد.

حرارت سطحی از طریق هدایت به داخل ماده منتقل می‌شود که منجر به تشکیل حوضچه جوش می‌گردد و پس از انجماد، دو قطعه را به هم متصل می‌کند. عرض و عمق جوش برای مصارف زیبایی مناسب‌تر است تا مصارف ساختاری.

تکنیک جوشکاری لیزری که به جوشکاری کلیدی معروف است، در تراکم‌های بسیار بالاتری از توان جوشکاری (106 تا 107 وات بر سانتی‌متر مربع) کار می‌کند که مزایای جوشکاری نفوذ عمیق (که به آن جوشکاری حفره‌کلیدی نیز گفته می‌شود) را افزایش می‌دهد. هنگامی که لیزر به نقطه خاصی روی ماده برخورد می‌کند، به سرعت به نقطه جوشش (آستانه تبخیر) می‌رسد، سپس فلز گرم شده و بخار فلز به دلیل فشارهای مختلف از سطوح خارجی به بیرون هل داده می‌شود و بدین ترتیب یک حفره کلیدی ایجاد می‌شود. بخار فلز تولید شده، فلز مایع را کنار زده و یک حفره عمیق و باریک ایجاد می‌کند، که به آن حفره کلیدی گفته می‌شود و اجازه می‌دهد انرژی لیزر به طور مداوم به عمق ماده نفوذ کند، خیلی فراتر از آنچه انتقال حرارت از طریق هدایت در سطح ماده امکان‌پذیر باشد. تشکیل حفره کلیدی ویژگی مشخصه جوشکاری نفوذ عمیق است. فلز مایع در قسمت جلوی حفره کلیدی گرم می‌شود و هنگامی که پرتو لیزر در امتداد مسیر جوش حرکت می‌کند، فلز مایع از دو طرف اطراف آن جریان یافته و در پشت آن منجمد می‌شود و جوشی بسیار عمیق و باریک ایجاد می‌کند.

نسبت‌های ابعادی عمق به عرض با نسبت ۱۰:۱ که با استفاده از جوشکاری لیزری و حفره کلیدی به دست می‌آیند، با جوشکاری سنتی تقریباً غیرممکن هستند. اهمیت نسبت‌های ابعادی فراتر از عمق نفوذ است و به هندسه توزیع تنش مناسب‌تر در سراسر اتصال جوش داده شده مربوط می‌شود. برخلاف جوشکاری قوسی سنتی که مهره‌های کم‌عمق و پهنی ایجاد می‌کند و ممکن است باعث تمرکز تنش در سطح شود، جوشکاری لیزری 'قوس عمیق و باریک آن اجازه می‌دهد تا تنش به‌طور یکنواخت در کل ضخامت ماده توزیع شود. این امر باعث افزایش قابل توجه استحکام اتصال می‌گردد.

استحکام درزهای جوش لیزری تنها مبتنی بر هندسه نیست، بلکه ناشی از تغییرات متالورژیکی مثبت اساسی است که ویژگی‌های اصلی مواد پایه را حفظ می‌کنند. کاهش تکنیک‌ها و روش‌های عملیاتی جوشکاری، موجب کوچک‌تر شدن ناحیه تحت تأثیر حرارت (HAZ) در جوشکاری لیزری می‌شود که نسبت به جوشکاری MIG و TIG بسیار ترجیح داده می‌شود.

آن چند ثانیه با حرارت، اثرات تقویت‌کننده‌ی مقاومت متعددی ایجاد می‌کند. این فرآیند تنش‌های پسماند و تغییر شکل در قطعات جوش‌داده شده را کاهش می‌دهد. در سایر روش‌های جوشکاری، ورودی حرارت باعث می‌شود که اجزای جوش دچار انبساط و انقباض حرارتی نامتوازن شوند که منجر به ایجاد تنش قفل‌شده و تغییر شکل می‌گردد. این ناحیه تنش قفل‌شده می‌تواند به‌طور جدی بر یکپارچگی ساختاری مجموعه جوش تأثیر بگذارد. 'این تنش‌های قفل‌شده همچنین می‌توانند به دلیل بارگذاری دوره‌ای، باعث ایجاد ترک‌های خستگی شوند. یک قطعه تحت بارگذاری دوره‌ای به دلیل تغییر شکل نیازمند ماشین‌کاری اصلاحی زیادی است. این تغییر شکل در مورد جوش لیزری بسیار کمتر است و بنابراین می‌توانیم بیشتر بر روی سایر ویژگی‌ها به جای مقاومت در ابعاد قطعه تمرکز کنیم.

جوشکاری لیزری همچنین به چرخه‌های گرمایش و سرمایش کمک می‌کند و امکان توسعه ساختار دانه‌های ریزتر را فراهم می‌آورد. فلزی با دانه‌های ریزتر معمولاً استحکام و مقاومت بیشتری دارد و در نتیجه قطعه را تقویت می‌کند. یک مطالعه تأیید کرده است که جوشکاری لیزری روی فولاد ضدزنگ منجر به تشکیل حوضچه مذاب می‌شود که در آن انجماد اتفاق می‌افتد. این فرآیند انجماد سپس باعث تغییر در ریزساختار فولاد ضدزنگ می‌شود و در نتیجه خواص مکانیکی آن بهبود می‌یابد. 'این موضوع برعکس روش سنتی جوشکاری است، جایی که فرآیند سرد شدن آهسته منجر به تشکیل ساختار دانه‌های درشت و ایجاد اتصال ضعیف می‌شود.

یکی از بهترین نمونه‌های مزیت استحکام، جوشکاری لیزری مواد پیشرفته با مقاومت بالا بدون از دست دادن خواص مهندسی آنهاست. بسیاری از آلیاژهای پیشرفته با استحکام بالا خواص مکانیکی خود را از فناوری پردازش حرارتی پیشرفته به دست می‌آورند. این مواد با استفاده از جوشکاری متداول تحت چرخه حرارتی قرار گرفته و ریزساختارهای آنها مهندسی شده‌اند. این مواد دارای ریزساختارهایی هستند که ارزشمند و قابل توجه محسوب می‌شوند، اما دستخوش تغییر شده‌اند. در جوشکاری لیزری، خواص فلز اولیه حفظ می‌شود، به طوری که استحکام ماده اولیه حفظ شده و در مونتاژ جوش داده شده نیز حفظ می‌گردد.

کارایی تولید و انعطاف‌پذیری فرآیندها

علاوه بر مزایای فنی واضح در مقاومت درزها که به دلیل قرارگیری درز در امتداد لبه قطعه کار است، جوشکاری لیزری همچنین کارایی قابل توجهی در تولید به اثبات رسانده است که این امر پذیرش این فرآیندها را در تولید مدرن جذاب‌تر می‌کند. این فرآیندها به‌مراتب سریع‌تر از فرآیندهای جوشکاری متداول کار می‌کنند. در حالی که جوشکاری لیزری می‌تواند به سرعت بیش از 200 اینچ در دقیقه دست یابد و جوشکاری MIG با سرعت 20 تا 40 اینچ در دقیقه پیش می‌رود، اولی می‌تواند به سرعتی بیش از 200 اینچ در دقیقه برسد. فرآیندهای سریع‌تر از اکثر فرآیندهای متداول سریع‌تر هستند، تا جایی که فرآیندی که ممکن است چندین ساعت طول بکشد، با این فرآیندها تنها چند دقیقه وقت می‌گیرد. یک مورد ثبت‌شده شواهدی از پذیرش جوشکاری لیزری ارائه می‌دهد که زمان صرف‌شده برای جوشکاری یک درب که حدود ده ساعت طول می‌کشید، به 40 دقیقه کاهش یافت.

داستان کارایی زمانی که به کاهش نیاز یا مقدار پردازش‌های بعدی نگاه کنیم، حتی چشمگیرتر است. معمولاً برای جوشکاری‌ها عملیات فرو رفتن زیادی لازم است تا سطحی بدون اعوجاج به دست آید. این عملیات شامل سنگ‌زنی، ماشین‌کاری و صاف‌کاری هستند و این مراحل از فرآیند ماشین‌کاری، ارزش افزوده‌ای پولی به فرآیند نمی‌دهند. ورق‌های لایه‌ای جوش‌خورده، هنگامی که با تکنیک پرتو لیزر انجام شوند، علاوه بر تولید ساختار لایه‌ای جوش‌خورده، لبه‌ها و سطوحی تمیز و تیز نیز حفظ می‌کنند. این موضوع معمولاً در مواردی که ساختارهای جوش‌خورده لیزری باید بعداً روکش شوند بسیار حیاتی است، زیرا اعمال روکش نیازمند ویژگی‌های خاصی از سطح مانند لبه‌های بدون اعوجاج است. این موضوع، همراه با کاهش فرآیندهای ثانویه، صرفه‌جویی قابل توجهی در زمان به همراه خواهد داشت.

جوشکاری لیزری به‌طور قابل توجهی خوب با سیستم‌های کارخانه‌ای خودکار کار می‌کند که این امر باز هم کارایی آن را افزایش می‌دهد. سیستم‌های رباتیک می‌توانند بدون تماس فیزیکی با قطعه کار، پرتو لیزر را هدایت و حرکت دهند و تأکید بر این است که بدون برخورد فیزیکی با قطعه کار عمل می‌کنند. در بسیاری از موارد، یک منبع لیزر می‌تواند به چندین ایستگاه کاری خدمت کند که این حالت به نام پیکربندی تقسیم پرتو شناخته می‌شود و به نوبه خود به افزایش استقلال سیستم‌های جوشکاری لیزری در ایستگاه‌های کاری کمک می‌کند. این استقلال به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا خطوط تولید خود را بدون توقف‌های زیاد بدون تغییر نگه دارند. به طور مشابه، ویژگی بدون تماس بودن فرآیند جوشکاری لیزری به این معناست که ابزارهای فرسوده‌ای که در سیستم‌های جوشکاری سنتی وجود دارند، در این سیستم وجود ندارند و این امر به عملکرد بهتر سیستم در طول زمان طولانی‌تر کمک می‌کند. این موضوع مدت زمانی را که سیستم می‌تواند بدون نیاز به تعمیر و نگهداری (به غیر از نگهداری اپتیکی اولیه) کار کند، افزایش می‌دهد.

توانایی تطبیق جوشکاری لیزری با انواع مواد و ضخامت‌ها، اهمیت آن را بیشتر تقویت می‌کند. این فرآیند می‌تواند موادی به ضخامت کسری از یک میلی‌متر تا قطعات فولادی ۲۵ میلی‌متری را در یک مرحله جوش دهد. این قابلیت نیاز به استفاده از چندین مرحله جوشکاری همچون روش‌های سنتی برای مواد ضخیم‌تر را حذف می‌کند. علاوه بر این، توانایی جوشکاری لیزری در پردازش مواد چالش‌برانگیزی مانند تیتانیوم، آلومینیوم و ترکیب‌های مختلف فلزاتی که سایر سیستم‌های جوشکاری قادر به کار با آنها نیستند، قابل توجه است.

مزیت مهم دیگر جوشکاری لیزری، کیفیت یکنواخت جوش است که به‌طور مستقیم به قابلیت اطمینان استحکام درز مربوط می‌شود. این فرآیند سطح بالایی از کنترل را برای اپراتور فراهم می‌کند و از حسگرهای پیشرفته‌ای استفاده می‌کند که به‌صورت بلادرنگ، مؤلفه‌های مهم فرآیند جوشکاری را به‌طور مداوم ردیابی می‌کنند. سیستم‌های مورد استفاده در زمان نظارت معمولاً به سه دسته تقسیم می‌شوند. دسته اول شامل سیستم‌های قبل از جوشکاری است که خط اتصال را ردیابی می‌کنند تا موقعیت‌یابی دقیق پرتو لیزر ممکن شود. دسته دوم، در مرحله جوشکاری، سیستم‌های نظارتی مجهز به دوربین هستند که حوضچه جوش و سوراخ کلیدی را ردیابی و تحلیل می‌کنند. دسته سوم، سیستم‌های پس از جوشکاری هستند که درز را ارزیابی می‌کنند تا بررسی شود آیا با استانداردهای کیفی مطابقت دارد یا خیر.

دستیابی به این سطح از کنترل با روش‌های جوشکاری سنتی بسیار دشوارتر است، زیرا مهارت و یکنواختی اپراتورهای انسانی در آن بسیار مهم‌تر می‌شود. اپراتورهای انسانی کنترل بیشتری بر جوشکاری سنتی دارند، اما در مورد جوشکاری لیزری، ماشین کاملاً اتوماتیک است. هنگامی که ماشین پارامترهای جوشکاری را یاد گرفت، این پارامترها دقیقاً برای تولید قطعات تکرار خواهند شد، صرف‌نظر از اینکه تعداد قطعات هزار یا یک میلیون عدد باشد. هر اتصال جوش‌خورده دارای همان مجموعه خواص مکانیکی خواهد بود. در صنایعی که شکست جوش قابل قبول نیست، مانند دستگاه‌های پزشکی، قطعات ایمنی خودرو یا هوافضا، یکنواختی اهمیت بیشتری دارد و بیش از خود قطعات جوش‌خورده مورد تقدیر قرار می‌گیرد.

فرآیند انجماد کنترل‌شده در جوشکاری لیزری، رخ دادن نقص‌های متعددی در جوش که ممکن است باعث تضعیف اتصال شوند، به حداقل می‌رساند. تخلخل گازی و تفکیک عناصر آلیاژی، کاستی‌هایی هستند که مرحله سریع سرد شدن این فرآیند، آنها را محدود می‌کند. همچنین، کنترل ورودی انرژی به حذف زیربریدگی و سوراخ شدن کمک می‌کند، به ویژه در مواد ورق نازک. بله، جوشکاری لیزری نیازمند تراز دقیق‌تری در اتصالات است نسبت به برخی از تکنیک‌های قدیمی‌تر جوشکاری. اما سیستم‌های مدرن از فناوری‌هایی مانند پرتوهای لیزری نوسانی که اتصالات بزرگ‌تر را می‌بندند، و سیستم‌های ترکیبی که جوشکاری لیزری و فیلر سیمی سنتی را ترکیب می‌کنند، استفاده می‌کنند تا این کار را آسان‌تر کنند.

کارشناسان صنعت می‌پذیرند که تکنیک‌های سنتی جوشکاری توسط پایه‌ای محکم از متخصصان ماهر و سال‌ها دانش پشتیبانی می‌شوند، در حالی که جوشکاری لیزری به دلیل کنترل بهتر فرآیند، نتایج قابل اعتماد‌تر و پیش‌بینی‌پذیرتری ارائه می‌دهد. فناوری لیزر که همواره در حال پیشرفت و روزبه‌روز مقرون‌به‌صرفه‌تر شدن است، این واقعیت را بیش از پیش تقویت می‌کند؛ به‌طوری که فرآیندهایی که نیازمند نقطه شکست صفر هستند، قادر به استفاده از جوشکاری لیزری هستند 'ثبات آن را به عنوان یکی از نقاط فروش مهم به نمایش می‌گذارد.

نتیجه‌گیری

شواهد نشان می‌دهد که جوشکاری لیزری در مقایسه با سایر روش‌ها از نظر نفوذ، متالورژی و کنترل فرآیند، برای ایجاد درزهای مستحکم‌تر، برتری دارد. جوشکاری نفوذی و اثر حفره کلیدی باعث توزیع بهتر تنش می‌شوند. همچنین، تغییر شکل ناشی از حرارت کم و ورودی گرمای ناچیز به حفظ ویژگی‌های ماده اولیه و کاهش تغییر شکل کمک می‌کنند. مزایای ترکیبی فناوری لیزر با کارایی، کیفیت و تولید در کاربردهای جوشکاری که نیازمند استحکام بالای اتصال هستند، استدلالی قوی را ایجاد می‌کنند.

البته، روش‌های سنتی همچنان ارزش خود را دارند —به‌ویژه زمانی که هزینه تجهیزات پایین است یا مونتاژ با حجم کم و پیچیدگی بالا انجام می‌شود و اتوماسیون غیرعملی است —اما نتایج مقاومتی جوشکاری لیزری را به سختی می‌توان رد کرد. پروژه‌ها و محصولات فعلی و آینده در صنعت تولید به دنبال این هستند که همه چیز سبک‌تر، قوی‌تر و قابل اعتمادتر باشد. این امر نیاز به جوشکاری لیزری را حیاتی‌تر خواهد کرد. شرکت‌هایی که از این پروژه‌های جوشکاری لیزری استفاده کنند و محصولات جدیدی توسعه دهند، پیشروی صنایعشان خواهند بود. این پتانسیل باعث می‌شود محصولات آن‌ها به دلیل فناوری پیشرفته اتصال لیزری، نمونه‌ای برجسته باشند.