جوشکاری لیزری چیست؟ مفاهیم پایه و اطلاعات اولیه جوشکاری لیزری

در دنیای امروز، فناوری‌های پیشرفته مانند جوش لیزری نقش بسزایی در بهبود فرآیندهای صنعتی ایفا می‌کنند. این روش نوین با دقت و سرعت بالا، امکان اتصال متریال مختلف را فراهم می‌سازد. جوشکاری لیزری به‌ویژه در صنایعی که نیاز به اتصالات دقیق و مستحکم دارند، مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، به بررسی جامع جوش لیزری، از تعریف و تاریخچه تا کاربردها و چالش‌های آن خواهیم پرداخت.    

تعریف جوشکاری لیزری چیست؟

جوش لیزری (Laser Welding) فرآیندی است که در آن از پرتو لیزر به‌عنوان منابع حرارتی برای ذوب و اتصال متریال استفاده می‌شود. در این روش، پرتو لیزر با تمرکز بالا بر روی ناحیه مورد نظر در دستگاه جوش لیزری تابانده می‌شود و با ایجاد حرارت موضعی، متریا ل را ذوب کرده و پس از سرد شدن، اتصال محکمی بین آن‌ها ایجاد می‌کند.

تاریخچه جوشکاری لیزری چیست؟

جوش لیزری به‌عنوان یکی از فناوری‌های پیشرفته در اتصال متریال، تاریخچه‌ای نسبتا جدید دارد. در سال ۱۹۵۹، واژه «لیزر» برای نخستین‌بار توسط یک دانشجوی دانشگاه کلمبیا معرفی شد. در اواخر دهه ۱۹۶۰، استفاده از لیزر برای ایجاد حرارت و جوشکاری آغاز گردید. در دهه ۱۹۷۰، با پیشرفت‌های تکنولوژیکی، جوشکاری لیزری به‌صورت ابتدایی مورد استفاده قرار گرفت و به‌تدریج در صنایع مختلف جایگاه خود را پیدا کرد. در این دوره، جوش لیزری بیشتر به‌صورت پالس و برای اتصال فلزات با ضخامت کم به‌کار می‌رفت. با گذشت زمان و رفع محدودیت‌ها، این فناوری توسعه یافت و امکان جوشکاری متریال با ضخامت‌های بیشتر فراهم شد. امروزه، جوش لیزری به‌عنوان روشی دقیق و کارآمد در صنایع خودروسازی، الکترونیک، هوافضا و پزشکی به‌کار می‌رود و همچنان در حال پیشرفت و بهبود است.

اصول فیزیکی لیزر

لیزر (Laser) که مخفف عبارت «تقویت نور با گسیل القایی تابش» است، بر پایه اصول فیزیکی خاصی عمل می‌کند که آن را از دیگر منابع نوری متمایز می‌سازد. این اصول شامل موارد زیر است:

• گسیل القایی تابش: در این فرآیند، اتم‌ها یا مولکول‌های برانگیخته با دریافت فوتونی با انرژی معین، به تراز انرژی پایین‌تر منتقل می‌شوند و هم‌زمان فوتونی با همان انرژی و فاز گسیل می‌کنند. این پدیده باعث تقویت نور می‌شود.
• وارونی جمعیت: برای ایجاد لیزر، باید تعداد اتم‌ها یا مولکول‌های برانگیخته در تراز انرژی بالاتر بیشتر از تراز پایه باشد. این وضعیت که به «وارونی جمعیت» معروف است، با استفاده از روش‌هایی مانند پمپاژ نوری یا الکتریکی حاصل می‌شود.
• تشدید اپتیکی: درون لیزر، از کاواک یا حفره‌ای با آینه‌های بازتابنده استفاده می‌شود که نور گسیل‌شده را بین آن‌ها منعکس می‌کند. این تشدید اپتیکی باعث تقویت بیشتر نور و ایجاد پرتو لیزر با ویژگی‌های خاص می‌شود.
• همدوسی و تکفامی: پرتو لیزر دارای همدوسی زمانی و مکانی بالاست، به این معنا که فوتون‌های آن دارای فاز و فرکانس یکسانی هستند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود لیزر نوری تک‌رنگ و هم‌فاز تولید کند.

انواع روش‌های جوشکاری لیزری چیست؟

جوشکاری لیزری دارای روش‌های متنوعی است که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. این روش‌ها بر اساس نوع لیزر (انواع لیزر برای جوشکاری لیزری)، نحوه انجام جوش و نوع اتصال دسته‌بندی می‌شوند. (روش های جوشکاری لیزری)

انتخاب روش مناسب جوش لیزری به عواملی مانند نوع ماده، ضخامت، شکل قطعات و نیازمندی‌های خاص پروژه بستگی دارد.

مزایا و معایب جوشکاری لیزری چیست؟

جوشکاری لیزری دارای مزایا (مزایای جوش لیزری) و معایب خاص خود است که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

مزایا:

• دقت بالا: امکان ایجاد جوش‌های بسیار دقیق و ظریف، مناسب برای قطعات حساس و کوچک را فراهم می‌کند.
• سرعت بالا: فرآیند جوشکاری با سرعت بیشتری نسبت به روش‌های سنتی انجام می‌شود.
• کیفیت جوش بالا: جوش‌های ایجاد شده دارای استحکام و کیفیت بالایی هستند.
• حداقل تغییر شکل حرارتی: به دلیل تمرکز حرارت در ناحیه کوچک، تغییر شکل حرارتی قطعه کار به حداقل می‌رسد.

معایب:

• هزینه بالا: تجهیزات جوش لیزری و نگهداری آن‌ها هزینه‌بر است.
• نیاز به مهارت بالا: اپراتور باید دارای تجربه و مهارت کافی در کار با دستگاه باشد.
• محدودیت در ضخامت متریال: برای متریال با ضخامت‌های بسیار بالا ممکن است مناسب نباشد.
• بازده تبدیل انرژی کم: بازده تبدیل انرژی در این روش کمتر از ۱۰ درصد است.

“به نظر من، جوش لیزری به دلیل دقت بالا و تمرکز حرارتی، بهترین انتخاب برای قطعات حساس و پیچیده در صنایع پیشرفته است. این روش به ویژه در صنعت هوافضا و خودرو، امکان ایجاد اتصالات محکم و کم‌نقص را فراهم می‌کند. توصیه می‌کنم قبل از شروع، تمامی تنظیمات دستگاه را با دقت بررسی کنید تا از بهترین نتیجه برخوردار شوید.” — علی نیک پور

کاربردهای جوشکاری لیزری چیست؟

جوش لیزری در صنایع متعددی به‌کار می‌رود، در ادامه به برخی از مهم‌ترین کاربردهای (کاربردهای دستگاه جوش لیزری) این فناوری در صنایع مختلف اشاره می‌کنیم:

صنعت خودروسازی:

در تولید خودروها، جوش لیزری برای اتصال قطعات بدنه، شاسی و اجزای موتور استفاده می‌شود. این روش به کاهش وزن خودرو و افزایش استحکام سازه کمک می‌کند.

صنعت هوافضا:

در ساخت هواپیماها و فضاپیماها، جوشکاری لیزری برای اتصال قطعات حساس و پیچیده به‌کار می‌رود. این فناوری امکان ایجاد اتصالات با دقت بالا و وزن کم را فراهم می‌کند.

صنعت الکترونیک:

در تولید قطعات الکترونیکی مانند باتری‌ها، ترانزیستورها و سنسورها، جوش لیزری به دلیل دقت بالا و حداقل آسیب حرارتی به اجزا، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنعت پزشکی:

در ساخت تجهیزات پزشکی مانند ایمپلنت‌ها، ابزارهای جراحی و تجهیزات دندان‌پزشکی، جوشکاری لیزری به دلیل دقت و استحکام بالای اتصالات، کاربرد دارد.

مقایسه جوش لیزری با روش‌های سنتی جوشکاری

جوش لیزری به‌عنوان یک فناوری پیشرفته، در مقایسه با روش‌های سنتی جوشکاری (مقایسه جوش لیزری و جوش آرگون) دارای تفاوت‌ها و مزایای متعددی است. در ادامه به مقایسه این دو روش می‌پردازیم:

متریال مناسب برای جوشکاری لیزری چیست؟

جوشکاری لیزری به دلیل دقت و تمرکز بالای انرژی، امکان اتصال متریال‌های مختلف را فراهم می‌کند. با این حال، انتخاب متریال مناسب برای این فرآیند به ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن‌ها بستگی دارد. در ادامه به بررسی متریال قابل جوشکاری توسط جوش می‌پردازیم:

• فولادهای کربنی و آلیاژی: این فلزات به دلیل جذب مناسب انرژی لیزر و قابلیت ذوب و انجماد سریع، برای جوش لیزری مناسب هستند.
• فولادهای ضدزنگ (استنلس استیل): به دلیل مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی مطلوب، در صنایع مختلف با استفاده از جوش لیزری به‌کار می‌روند.
• آلومینیوم و آلیاژهای آن: با وجود بازتاب بالای پرتو لیزر، با تنظیمات مناسب می‌توان این فلزات را با لیزر جوش داد.
• تیتانیوم و آلیاژهای آن: به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت به خوردگی، در صنایع هوافضا و پزشکی با جوش لیزری استفاده می‌شوند.
• نیکل و آلیاژهای نیکل: به دلیل خواص مکانیکی مطلوب و مقاومت به حرارت، در جوش لیزری به‌کار می‌روند.
• برنج (برنز و آلیاژهای مس): با تنظیم دقیق پارامترهای لیزر، امکان جوشکاری این فلزات فراهم می‌شود.
• کروم و آلیاژهای کروم: به دلیل مقاومت به خوردگی و سختی بالا، در جوشکاری با لیزر استفاده می‌شوند.

در انتخاب متریال برای جوش لیزری، باید به ویژگی‌هایی مانند ضریب جذب انرژی لیزر، رسانایی حرارتی، نقطه ذوب و خواص مکانیکی توجه کرد. همچنین، تنظیمات مناسب دستگاه و انتخاب طول موج لیزر متناسب با ماده مورد نظر، در کیفیت جوش تاثیرگذار است.

معرفی دستگاه سه‌کاره جوش لیزری : جوش، برش و تمیزکننده

در کنار تکنولوژی‌های پیشرفته جوشکاری لیزری، دستگاه‌های جدیدتر با قابلیت‌های چندگانه نیز به بازار عرضه شده‌اند. دستگاه 3 کاره جوش، برش و تمیزکننده لیزری یکی از این نمونه‌ها است که قابلیت‌های متعددی را در یک دستگاه ترکیب می‌کند. این دستگاه، علاوه بر جوش لیزری فلزات که دقت و کیفیت بالایی دارد، با تغییر هد دستگاه، عملیات تمیزکاری فلزات را نیز انجام می‌دهد. همچنین، با استفاده از هد برش، قادر است برش فلزات تا ضخامت مشخصی را به صورت دقیق و سریع انجام دهد.  مدل RT1500HWM از برند ROTEC نمونه‌ای از این دستگاه است که با بهره‌گیری از تکنولوژی لیزر فایبر و سورس پرقدرت، در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه با توان‌های 1500، 2000 و 3000 وات، امکان جوشکاری، برش و تمیزکاری انواع فلزات مانند آهن، استیل، آلومینیوم، برنج، نیکل و تیتانیوم را فراهم می‌کند.

نتیجه‌گیری جوشکاری لیزری چیست؟

در این مقاله، جوش لیزری به‌عنوان یک فناوری پیشرفته و کارآمد معرفی شد که در مقایسه با روش‌های سنتی جوشکاری دارای مزایا و کاربردهای گسترده‌ای است. با بیان مجدد اهمیت این فناوری، می‌توان گفت که دقت بالا، سرعت مناسب و توانایی ایجاد اتصالات محکم و با کیفیت از ویژگی‌های بارز جوش لیزری به‌شمار می‌رود. علاوه بر این، این فناوری امکان جوشکاری انواع متریال از فلزات را فراهم می‌آورد که آن را به گزینه‌ای مناسب برای صنایع مختلف تبدیل کرده است. هرچند جوش لیزری چالش‌هایی مانند هزینه بالای تجهیزات و نیاز به مهارت اپراتور را دارد، اما به دلیل پیشرفت‌های پیوسته و کاهش محدودیت‌ها، پتانسیل رشد زیادی در آینده دارد. محدودیت‌هایی نظیر ضخامت‌های بالا و بازده انرژی کم نیز باید در انتخاب این روش مد نظر قرار گیرند. در نهایت، پیشنهاد می‌شود بررسی‌های بیشتری برای بهینه‌سازی تنظیمات جوشکاری بر اساس نوع متریال مختلف انجام دهید چون می‌تواند به افزایش کیفیت و کاهش نقص‌ها در این فناوری کمک کند.