در اين تحقيق ،بررسي جزييات جهت فهميدن فوايد جوش ليزر با اشعه دوبل وفهميدن مکانيزم آن براي پيشرفت در جوش با کيفيت بالاتر انجام شد.يک اشعه ليزر با قدرت  به دو اشعه با نيروي مساوي شکافته شده است که  در طي  عمل جوش پشت سر هم قرار گرفته اند (يک اشعه،اشعه ديگر را دنبال مي کند). نتايج  تجربي مورد بررسي  نشان داد دو اشعه ليزر مي تواند به طور قابل ملاحظه اي کيفيت جوش را براي فولاد بالا ببرد .

کيفيت سطح مورد جوشکاري بهتر شده است به طوري که عيوب و نقص هايي نظير:

تو خالي شدن ،ناصافي سطح، پاشش مذاب و... به وجود نمي آيد .سختي يا شکنندگي جوش و قابليت ترک خوردن دو خط مرکزي جوش کاهش يافته است .در آلومينيوم بهتر شدن کيفيت سطح ،به شکل صافي سطوح جوش و عيوب کمتر در سطح نظير به وجود آمدن سوراخ ها و حفره هاي فراوان در سطح و توخالي شدن جوش مي باشد .يک دوربين با سرعت بالا به بررسي بخار قوس جوش در قسمت بالاي قطعه کار مي پردازد و ارتفاع قوس ها و تغييرات آنرا نشان مي دهد که در جوشکاري با اشعه ليزر تکي روي فولاد متوسط فرکانس نوسانات قوس 102 کيلوهرتز بوده نوسانات قوس جوش با پايداري حفره هاي کليدي ارتباط داشت ،بخار قوس ناپايدار ايجاد شده دلالت بر ناپايداريجريان جوش دارد که در نتيجه جوش ضعيف  به وجود مي آيد .

در جوشکاري با اشعه ليزر دوبل معلوم شد که فرکانس نوسان بخارات قوس در يک رنج خاصي قرار دارد اما اندازه قوس ها  تنها به مقدار کمي در حين  جوشکاري تغيير مي کند. يکنواختي و پايداري جريان موجب بهتر شدن کيفيت جوش در عمل جوشکاري با دو اشعه ليزر مي شود .

مقدمه:

جوش ليزر به طور گسترده در اتومبيل ها  ، صنعت هواپيمايي ، الکترونيک و در صنايع سنگين براي اتصال مواد مختلف به کار مي رود .در صنعت حمل و نقل  ليزر با  قدرت  بالا براي  جوش اجزاي مختلفي نظير :

جعبه دنده ها ، منبع اگزوزها، سيستم هاي اگزوز ،قطعات برش خورده توسط پرس به کار ميرود در سال 2000 تعداد اين قطعات حدود هفتاد ميليون قطعه  گزارش شده است که پيش بيني مي شود در سال 2001  به نود و پنج ميليون قطعه برسد به هر حال تعدادي عيوب نظير :

پر سوراخي ،مک هاي زياد در سطح جوش ، دانه بندي نامنظم توخالي شدن جوش،حجيم شدن جوش ، پاشش مذاب و ترک خوردن در هنگام جامد شدن معمولاً در جوش ليزر به وجود مي آيد .کاربران صنعتي جوش ليزر همواره به دنبال يک روش اقتصادي براي بهبود کيفيت جوش و پر شدن کامل و دقيق قطعه کار توسط جوش بوده اند يک روش فني که دو منبع انرژي با انرژي زياد را با هم استفاده مي کنند (همين طور اشعه الکتروني يا اشعه ليزري) جوش کاري با اشعه دوبل نام دارد  که سال هاي اخير تحت بررسي مي باشد.

مطالعات تجربي اوليه نشان داده است که فرآيند اشعه دوبل فوايد و مزايايي دارد که نسبت به فرآيند جوشکاري ليزر با اشعه تکي برتري دارد.

 شعاع يا اشعه الکتروني اولي جوش توسط Arata   آزمايش شد .او دو اشعه الکترون را طي فرآيند جوشکاري به کار برد و اثبات کرد که تاخير حرکت اشعه روي حوضچه  مذاب نمي تواند سرعت جوش را افزايش دهد به طوري که بيش از 50% کار به صورت پاشش مذاب و برجستگي ايجاد مي شود .

طرز قرار گرفتن اشعه ها مي تواند به شکل کنار هم (fig.1A)   ياپشت سر هم (fig.1B) باشد .آقاي کنرادباناي  Conrad.B از يک آيينه خميده  جهت شکافتن اشعه ليزر به دو اشعه استفاده کرد و سپس آنها را در طول جوشکاري کنار هم قرار داد تا تلرانس  پر کردن قطعات  کار را افزايش دهد  .

تحقيق در مورد استفاده از دو اشعه ليزر  به شکل کنار هم در (Ref.4)  مرجع قطعات  مثصل شده توسط جوش گزارش شده است قاعده آن اين است که فاصله هوايي بين دو قطعه کار بايد  کمتر از 10% ضخامت  ورق جهت اتصال butt و 25%  جهت اتصال lap به طور قراردادي در جوشکاري ليزر  با اشعه  تکي مي باشد استفاده از اشعه هاي ليزر دوبل کنار هم به طور قابل توجهي تلرانس پر شدگي و صافي سطح قطعات به هم متصل شده   توسطجوشکاري را بالا مي برد (Ref.4) اشعه  هاي دوبل ليزر که به شکل پشت سر هم قرار گرفته اند فوايدي دارند که برتر از جوشکاري با ليزر اشعه تکي مي باشد اين امر در آزمايش گزارش شده است .

فوايدي نظير بهتر بودن  کيفيت جوش (Ref.5-11)  .مطالعه اخير روي جوش ليزر با دو اشعه پشت سر هم متمرکز شده و همين طور  تاثير امر روي کيفيت جوش مي باشد .در اين صفحه منظور از ليزر دوبل  همان اشعه دو تايي ليزر  که پشت سر هم قرار گرفته اند مي باشد که در شکل (Fig.1B)   نشان داده شده است  .

يکي از فوايد  ممکن در ليزر دوبل کاهش سرعت سرد شدن فولاد پرکربن در عمل جوشکاري است گفته شده است که هنگام زمان سرد شدن بين 800 تا 500 درجه سانتيگراد   مي تواند از 3.8  تا 7 ثانيه با افزايش فاصله  بين دو اشعه افزايش يابد که اين دو اشعه  از جنس  باقدرت  به صورت ترکيب با هم به کار رفته باشند.يک آزمايش ليزر دوبل روي فولاد AISI4140 توسط ليود کاناتي اسيبو انجام شده است که هدايت  اشعه ليزر روي يک سطح قطعه کار متمرکز بود و اشعه اتصال يا دوزنده روي دانه هاي مذاب در فاصله  از اشعه اول يا ورودي معطوف شده بود فرايند ليزر دوبل در مقايسه با جوش تک اشعه اي به صورت زير نتيجه داد :

سرعت سرد شدن پايين ، کاهش سختي، مقدار نسبي فلزي سخت و شکننده در فولاد مذاب 4140 وقتي با جوشهاي ليزر تک اشعه اي مقايسه مي شود .

نتايج مشابه اي در جوشکاري ورق نازک پر کربن (85/0 % کربن) به دست آمد که از دو پالس ترکيبي YAG : Nd استفاده مي کرد .(Ref.7) چندين مدل رياضي براي محاسبه سرعت سرد شدن جوش ليزر دوبل توسط Kannatey – Asibu ارائه شده است .(Ref.8.9) اين تحليل هاي تئوريک نشان داد که سرعتهاي سرد شدن در خط مرکزي جوش از  در جوش ليزر با اشعه تکي به  در جوش ليزر دوبل هنگامي که قدرت ليزر و فاصله داخلي بين  دو اشعه  به ترتيب 108کيلو وات و 10mm بود کاهش يافت . (Ref.9)

فرايند ليزر دوبل در آلياژهاي آلومينيوم گزارش شده که از به وجود آمدن ترک جلوگيري کرد و حفره هاي آن کمتر شده است همين طور حفره در فلز مذاب مي تواند به طور قابل توجهي کاهش يابد وقتي که اشعه جلويي راهبر در سطح قطعه ها متمرکز شود و اشعه عقبي يا دوزنده در 2 ميليمتر بالاتر از اشعه اول متمرکز شود (Ref.5) در اين آزمايش دو اشعه ليزر Co₂ با قدرت 5 کيلو وات با يک زاويه 30 درجه با هم به صورت ترکيبي و با فاصله داخلي 3 ميليمتر به کار مي رود .

استفاده از سيستم ليزر دوبل که از دو موج Nd:YAG   با قدرت 200 وات پيوسته و پالس Nd:YAG  با قدرت 400 وات به شکلي ترکيبي تشکيل شده است از ترکهاي ماکروسکوپي در جوشکاري در ورق آلومينيوم A5052 ضخامت يک ميليمتر مي تواند جلوگيري کند.

آزمايش مشابهي از دو پالس Nd:YAG ليزر استفاده مي کند که کاهش حفره ها و ترکها هنگامي که جوشکاري صفحه آلومينيومي A5005 ضخامت 0.8mm  انجام مي شود دارد در آزمايش کنوني اشعه راهبر تحت زاويه 10 درجه متمايل روي سطح کار متمرکز مي شود و اشعه دوزنده تحت زاويه 40 درجه نسبت به قطعه به سمت پايين متمايل مي شود .حفره و ترک و مذاب روان در فضاي داخلي بين دو اشعه با فاصله 0.2  و 0.4mm تنها زماني که ديگر پارامترهاي فرايند به شکل زير باشند توليد مي شود :

فرکانس پالس 10kHz  پهناي پالس 3ms ، سرعت حرکت   براي اشعه جلويي انرژي پالس 18-j  و براي اشعه دوزنده 9j .

زماني که فاصله بين دو اشعه را افزايش مي دهد تا از 0.6mm  بزرگتر شود اثراتي نظير کاهش حفره و ترک از اين به بعد در آزمايش وجود نخواهد داشت .

تغيير عمق جوشکاري در جوش ليزر دوبل در برخي مطالعات مورد بررسي قرار گرفته است . (Ref.5-12) يک مطالعه آزمايشي درباره تأثير فاصله بين دو اشعه ليزر و نسبت قدرت ليزر دوبل در عمق و عرض جوش توسط Glumann گزارش شده است (Ref.5) در آزمايش زاويه بين دو اشعه ليزر 30 درجه و ترکيبهايي از قدرت دو اشعه ليزر به ترتيب  بوده است .

نتايج تجربي نشان داد تغيير در عمق جوش و عرض آن در يک محدوده کوچک از 1،10و 20 ميليمتر فاصله بودند .(Ref.5) بررسي مجدد نشان داد که عمق هاي جوش توليد شده با ليزر دوبل و تک اشعه اي اگر دوبل اشعه اي روي يک موضع اشتراکي معطوف شود تقريباً مشابه خواهند بود(Ref.5) آزمايش جوشکاري ديگري که با پالس Nd:YAG   2kw  ,  1kw  اشعه ليزري روي ناحيه مشابهي تأثير گذاشت که صفحه فولادي ضد زنگ بود نشان داد که عمق جوش در زواياي مختلف بين دو  اشعه ليزر مي تواند بين 5 تا 7 ميليمتر متفاوت باشد (Ref.12) از يادآوري نتايج متفاوتي که در آزمايشهاي قبل در شرايط مختلف به دست آمد متوجه مي شويم که به راحتي نمي توان يک نتيجه کلي از اثر ليزر با اشعه دوبل در شناخت شکل جوش بدست آوريم . در اکثر گزارشات آزمايش ها واژه ي «« دو اشعه ، ااشعه دوبل »» به مفهوم استفاده از دو اشعه ليزر در هنگام جوشکاري استفاده شده است به هر حال ليزري که در اين آزمايشات به کار رفته است به طور نمايشي از ليزرهاي پالس CW قدرت پايين Nd:YAG   تا ليزرهاي CW  و Co₂  قدرت بالا تغيير مي کرد و وضعيت دو اشعه نسبت به هم متفاوت بود مثلاً فاصله بين دو اشعه زاويه بين دو اشعه و نحوه قرار گيري تمرکز اشعه ها و نسبت قدرت دو اشعه ليزر متفاوت بود .

ذاتاً سيستم هاي ليزري دوبل را مي توان با ترکيب دو اشعه ليزر با يک زاويه بين دو شعاع ليزر (Ref.5-10-12)   يا شکافتن يک اشعه به دو اشعه موازي  توسط يک شکافنده نوري مسافت (Ref.8) در حين گزارش سيستم هاي اشعه دوبل بسياري از آنها ترکيبي از دو ليزر Nd:YAG هستند .

به دليل قابليت دستکاري آسان آنها توسط دو سر تنظيم تمرکز نور با فيبرهاي نوري (Ref.10-12)  به همين دليل و به همين شکل امکان ترکيب دو ليزر C0₂  با استفاده از تجهيزات خاص مي باشد (Ref.5)   سيستم هاي ترکيبي دو اشعه ليزر قابليت هاي بيشتري در تنظيم فاصله بين دو اشعه و نسبت قدرت دو اشعه ليزر دارد .

به هر حال اشعه هاي شکافته شده ليزر اکثراً موازي هستند و در صفحات مشابهي از پلاريزاسيون هستند بسياري از دستگاههاي ليزر  با اشعه هاي پلاريزه شده توليد مي شوند بر اساس شکل قرار دادي دو اشعه ليزر فرايند اشعه دوبل را مي توان به طور عمده به دو قسمت زير تقسيم کرد :

1-  زاويه دار

2-  موازي

بيشتر گزارشات سيستم هاي ليزر با اشعه دوبل از نوع زاويه دار بودند و فاصله بين دو اشعه کم بود و به راحتي به اين سيستم ها دسترسي بود در سيستم هاي ليزر با دو اشعه موازي فاصله بين دو اشعه معمولاً بزرگ بود و آنها معمولاً براي کاهش سرعت سرد شدن به کار مي رفتند (Ref.6-7)  .

در چنين سيستم هايي با فاصله  بزرگ بين دو اشعه ليزر Nd:YAG سر ليزرها به راحتي مي تواند توسط فيکچر نگهدارنده روي هم قرار بگيرند (Ref.7-11-12)  و يا اگر قدرت ليزر بالا نبود شکافنده اشعه قابل انتقال ، داخل يک مسير اشعه ليزر Co₂  قرار گرفته است :

(قدرت ليزر کمتر از دو کيلو وات باشد ) (Ref.6)  

ثابت شده است که مکانيزم جوش و برخورد در جوشهاي ليزر اندکي تفاوت بين فرايند جوشکاري با اشعه هاي موازي و جوش با اشعه هاي زاويه دار وجود دارد و همچنين مکانيزم جوشکاري با مقادير متفاوت فاصله بين دو اشعه در هر دو حالت سيستم هاي موازي و زاويه دار تغيير مي کند .

در کل ممکن است سه نوع مکانيزم جوشکاري در جوش ليزر با شعاع هاي موازي دوبل وجود داشته باشد که همانطور که در شکل (Fig.2)  نشان داده شده است.

 به فاصله بين دو اشعه بستگي دارد :

نوع اول فرايند اشعه دوبل با فاصله زياد بين دو اشعه مي باشد که يکي از دو اشعه حفره هاي کليدي ايجاد مي کند و اشعه ديگر به صورتي عمل مي کند که منبع گرما را براي جوش با اشعه ليزر فراهم مي کند .

نوع دوم  اشعه ليزر دوبل است که هر دو اشعه در حفره هاي کليدي در يک حوضچه مذاب معمول قرار گرفته اند و مسير جريان فلز مذاب تغيير مي کند در نوع سوم فرايند اشعه دوبل موازي فاصله بين دو اشعه کوچک و دو اشعه توسط جريان مواد در حفره ها روي هم اثر متقابل دارند.

 در جريان  اشعه دوبل به طور زاويه دار هم اعتقاد بر اين است که مکانيزم آن همانند اشعه دوبل موازي مي تواند با تغيير فاصله بين دو اشعه متفاوت باشد. زماني که فاصله بين دو اشعه ليزر در جريان جوش ليزر دوبل با شعاع هاي موازي زياد باشد اشعه راهبر يا جلويي معمولاً  به عنوان منبع گرماي جوشکاري براي به وجود آوردن حفره هاي کليدي روي قطعه کار  عمل مي کند و اشعه دوم   يا اشعه دوزنده معمولاً انرژي کمتري دارد و جهت  عمليات حرارتي  روي جوش ليزر به کار مي رود .

در اين مورد سرعت خنک شدن جوش کاهش يافته  و در آينده مي توان براي مواد  حساس به ترک  مثل مواد پر کربن  يا آلياژهاي فولاد ها مفيد باشد در جمع مقدار bainitic  در فلزات مذاب و منطقه تحت تأثير گرماي جوش HAZ  افزايش مي يابد و براي جوشها گسترش و بهتر شدن انتظار مي رود . اين فومايد و خاصيتهاي جوش ليزر صحتشان با تعداد زيادي آزمايش  ثابت شده  و توسط مدل هاي رياضي نجومي تحليل شده اند  . (Fig.5-9)  زمانيکه فاصله بين دو اشعه ليزر تا حد خاصي کاهش يافت مکانيزم جوشکاري از نوع اول به نوع دوم تغيير موقعيت مي دهد که در اين نوع جوش دو اشعه ليزر در يک حوضچه مذاب روي دو اشعه ليزر در يک حوضچه مذاب روي  عملکرد هم تاثير مي گذارند اما اين دو اشعه به طور جداگانه حفره هاي کليدي ايجاد مي کنند .که در شکل (fig.2)  نشان داده شده است .

در عملکرد نزديک دو اشعه  EB جوشکاري تاثير فاصله بين  اشعه ها روي جريان مواد مذاب در يک حوضچه مذاب و شکل برآمدگي هاي نا منظم ناشي از پاشش مذاب و تو خالي شدن جوش شرح داده شده است .

آزمايش با فاصله بين دو شعاع به اندازه 4 , 7 , 16mm به طور قابل قبولي انجام شد . مشخص شد که تجمع مذاب بين دو اشعه به طور نا منظم است

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: