کاربرد جوشکاری لیزری بر روی فولاد ضدزنگ ۲

کاربرد جوشکاری لیزری بر روی فولاد ضدزنگ

مبانی جوشکاری لیزری

درک مبانی جوشکاری لیزری برای تولید جوش‌های قوی و یکنواخت در فولاد ضدزنگ ضروری است. این فرآیند به پارامترهای کنترل‌شده‌ای متکی است که عمق نفوذ، عرض جوش و اندازه منطقه تحت تأثیر حرارت را تعیین می‌کنند. مفاهیم زیر نحوه تعامل لیزر با فولاد ضدزنگ و تأثیر تنظیمات مختلف بر نتایج را مشخص می‌کنند.

حالت هدایتی در مقابل حالت کی‌هول

حالت هدایتی: انرژی لیزر سطح فلز را ذوب می‌کند و گرما عمدتاً از طریق هدایت حرارتی به داخل ماده منتقل می‌شود. این حالت جوش‌های کم‌عمق، گسترده و با تبخیر بسیار کمی ایجاد می‌کند - این حالت برای بخش‌های نازک، ورودی گرمای پایین و جوش‌های ظاهری ایده‌آل است.

حالت کی‌هول: در چگالی‌های بالاتر از توان لیزر، لیزر فلز را در نقطه کانونی پرتو تبخیر می‌کند و یک حفره کوچک (کی‌هول) ایجاد می‌کند. پرتو به عمق بیشتری نفوذ می‌کند و امکان ایجاد جوش‌های باریک و عمیق در بخش‌های ضخیم‌تر را فراهم می‌کند. این حالت بیشترین نفوذ را فراهم می‌کند اما کنترل دقیق برای جلوگیری از تخلخل و ناپایداری مورد نیاز است.

موج پیوسته (CW) در مقابل موج پالسی

موج پیوسته (CW): قدرتی پایدار و بدون وقفه ارائه می‌دهد. این نوع مناسب برای درزهای طولانی و پیوسته است که در آن‌ها سرعت و یکنواختی نفوذ اولویت دارد و اغلب در خطوط تولید خودکار استفاده می‌شود.

پالسی: انرژی را به صورت ضربه‌های کنترل‌شده تحویل می‌دهد. برای قطعات حساس به گرما، کارهای ظریف یا جوشکاری نقطه‌ای مفید است. جوشکاری پالسی باعث کاهش تورم و لکه گرمایی می‌شود و برای مونتاژهای دقیق و اجزای نازک از جنس استیل ضدزنگ مناسب است.

کیفیت پرتو، اندازه لکه و انرژی در واحد طول

کیفیت پرتو: کیفیت بالاتر پرتو (اندازه‌گیری شده با M²) لکه‌ای کوچک‌تر و متمرکزتر تولید می‌کند که امکان ایجاد جوش‌های ظریف‌تر و نفوذ عمیق‌تر با توان کمتر را فراهم می‌کند.

اندازه لکه: لکه‌های کوچک‌تر چگالی انرژی را افزایش داده و نفوذ را بهتر می‌کنند. لکه‌های بزرگ‌تر گرما را پخش می‌کنند و خطر ذوب شدن موضعی در مواد نازک را کاهش می‌دهند.

انرژی در واحد طول: تعادل بین توان لیزر و سرعت حرکت، مقدار کل انرژی ورودی را تعیین می‌کند. انرژی زیاد باعث تورم و ناحیه متاثر از حرارت زیاد می‌شود؛ انرژی کم نیز منجر به اتصال ضعیف یا ناقص می‌گردد.

نوسان و عدسی‌های اسکن کننده

جوشکاری نوسانی: شامل نوسان پرتو لیزر در الگوهای کوچک در حال حرکت در راستای درز است. این روش باعث بهبود پوشش شکاف، کاهش حساسیت به تراز و ایجاد جوش گسترده‌تر و مناسب‌تر می‌شود.

عدسی‌های اسکن کننده: از آینه‌ها یا گالوانومترها برای حرکت سریع پرتو لیزر روی قطعه کار استفاده می‌کنند. این سیستم امکان تغییر سریع الگوها، ایجاد چندین نقطه جوش و ادغام با سیستم‌های اتوماسیون را فراهم می‌کند. این تکنولوژی به ویژه در تولید انبوه و قطعات با هندسه پیچیده کاربرد ارزشمندی دارد.

عملکرد جوشکاری لیزری به نحوه کنترل تعامل بین پرتو و ماده بستگی دارد. حالت هدایتی برای جوش‌های ظریف و کم‌عمق مناسب است، در حالی که حالت حفره کلیدی امکان نفوذ عمیق را فراهم می‌کند. حالت پیوسته (CW) سرعت و یکنواختی را فراهم می‌کند، در حالی که حالت پالسی کنترل بهتری روی گرما در قطعات ظریف ارائه می‌دهد. کیفیت پرتو و اندازه لکه آن، چگالی انرژی را تعیین می‌کنند و تطبیق انرژی در واحد طول با اتصال بحرانی برای دستیابی به استحکام بدون تورم بسیار مهم است. تکنیک‌های پیشرفته مانند جوشکاری نوسانی (wobble) و اپتیک‌های اسکن کننده، انعطاف‌پذیری را افزایش می‌دهند و جوشکاری لیزری را به یک ابزار چندکاره برای ساخت فولادهای ضدزنگ در صنایع مختلف تبدیل می‌کنند.

قوانین طراحی و انطباق اتصال

در جوشکاری لیزری، طراحی اتصال و دقت در هم‌خوانی مستقیماً بر کیفیت جوش، نفوذ و ظاهر آن تأثیر می‌گذارد. برخلاف برخی فرآیندهای جوشکاری قوسی، جوشکاری لیزری تحمل کمتری نسبت به شکاف‌های بزرگ یا عدم ترازی دارد زیرا دارای پرتوی باریک و حوضچه مذاب کوچک است. انتخاب نوع مناسب اتصال، آماده‌سازی صحیح لبه‌ها و تضمین هم‌خوانی دقیق برای ایجاد جوش‌های استحکام بالا و بدون عیب در فولادهای زنگ‌نزن ضروری است.

اتصال‌های متقابل (Butt Joints)

شرح: دو قطعه در یک صفحه قرار گرفته و از لبه‌هایشان به هم متصل می‌شوند.

نکات مربوط به جوشکاری لیزری: بهترین نتیجه را با شکاف بسیار کم یا بدون شکاف (<0.1 میلی‌متر برای بخش‌های نازک) فراهم می‌کند. نیازمند آماده‌سازی دقیق لبه‌ها برای جلوگیری از ایجاد اتصال ناقص است. حالت حفره کلیدی (Keyhole) اغلب برای بخش‌های ضخیم‌تر استفاده می‌شود.

کاربردها: پنل‌های ورقی، مخازن تحت فشار، لوله‌ها.

اتصال‌های همپوشانی (Lap Joints)

شرح: یک قطعه روی قطعه دیگر قرار می‌گیرد و لیزر از لایه بالایی به داخل لایه پایینی نفوذ می‌کند.

نکات جوشکاری لیزری: این روش برای اتصال ورق‌های با ضخامت متفاوت مناسب است. همپوشانی باید یکنواخت باشد و سطوح باید تمیز باشند تا آلاینده‌های محبوس شده جلوگیری شود. کمی غیرفوقیت می‌تواند سبک‌گیری را بهبود بخشد.

کاربردها: پنل‌های بدنه خودرو، جعبه‌ها، مونتاژهای سبک سازه‌ای.

جوش‌های گوشه‌ای

توضیح: قطعات به صورت زاویه‌دار، معمولاً 90 درجه، به هم متصل می‌شوند و فلز جوش در گوشه قرار داده می‌شود.

نکات جوشکاری لیزری: این روش برای اتوماسیون ایده‌آل است اما نیازمند تراز دقیق اتصال است. گرد کردن لبه‌ها می‌تواند دسترسی پرتو را در گوشه‌های تنگ بهبود دهد. جوشکاری نوسانی می‌تواند به پر کردن یکنواخت اتصال کمک کند.

کاربردها: قاب‌ها، پایه‌ها، سازه‌های جعبه‌ای.

لبه‌ها و گوشه‌ها

توضیح: شامل اتصال‌های گوشه‌ای و جوش‌های لبه‌ای است که در آن پرتو ماده را در مرز اتصال می‌کند.

نکات جوشکاری لیزری: به ویژه نسبت به خطاهای ترازبندی حساس است. ورودی حرارتی پایین باعث کاهش تورم می‌شود، اما باید اتصالات به دقت ثابت شوند تا هندسه حفظ شود. اغلب به دلیل درزهای تمیز و دیدنی در قطعات فولاد ضدزنگ زینتی استفاده می‌شود.

شیب‌دهی و آماده‌سازی لبه‌ها

توضیح: لبه‌های شیب‌دار یا آماده‌شده برای اجازه نفوذ عمیق‌تر یا جای دادن فیلر.

نکات جوشکاری لیزری: متداول برای بخش‌های ضخیم‌تر فولاد ضدزنگ که نفوذ تک‌مرحله‌ای مورد نیاز است. زاویه شیب و سطح ریشه باید یکنواخت باشد؛ شیب بیش از حد می‌تواند کارایی اتصال را کاهش دهد.

جوشکاری نقطه‌ای

توضیح: جوش‌های کوچک و موقت که قطعات را در حین ترازبندی قبل از جوشکاری نهایی نگه می‌دارند.

نکات جوشکاری لیزری: از حرکت قطعه در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند و تغییرات شکاف را به حداقل می‌رساند. جوش‌های لیزری نقطه‌ای سریع، باعث تغییر شکل کم و اتوماتیک کردن آسان می‌شوند. فاصله بین جوش‌های نقطه‌ای باید با ضخامت متریال و صلبیت اتصال مطابقت داشته باشد.

جوشکاری لیزری نیازمند تطبیق محکم و آماده‌سازی مداوم اتصال است، چرا که این فرآیند یک حوضچه مذاب کوچک ایجاد می‌کند که تحمل چندانی نسبت به شکاف‌ها یا عدم ترازی ندارد. اتصالات متقابل (Butt joints) به تماس تقریباً کامل لبه‌ها نیاز دارند، اتصالات همپوشان (Lap joints) سطوح پاک و همپوشان مناسب می‌طلبد و اتصالات گوشه‌ای (Fillet joints) از دسترسی دقیق به گوشه‌ها بهره می‌برند. لبه‌ها، گوشه‌ها و پخ‌ها باید برای نفوذ کامل یکنواخت باشند و جوشکاری اولیه (Tack welding) اطمینان می‌دهد که قطعات در حین جوشکاری با سرعت بالا در محل خود باقی بمانند. با رعایت این قواعد طراحی اتصال و تطبیق، جوش‌های فولاد زنگ‌نزن قوی، دقیق و از نظر ظاهری تمیز خواهند بود.