جوشکاری لیزری..اشنایی با لیزر وفرایندهای مرتبط با لیزر

[spow 44197]

سوالاتي كه اغلب درباره ليزر عنوان ميشود؟

 

1) ليزرها

ليزرها دستگاههايي هستند كه تابش همدوس يا تقويت تابش در بسامدهايي در ناحيه مادون قرمز، مريي يا فرابنفش طيف موج الكترومغناطيسي را ايجاد ميكنند.

2) مولفه هاي اساسي يك ليزر

مولفه هاي اساسي يك ليزر به قرار زير است :

الف) محيط فعال شامل مجموعة مناسبي از اتمها، مولكولها، يونها و يا نيمرساناها.

ب ) فرآيند دمش كه قادر است اين اتمها و يا مولكولها را به ترازهاي با انرژي بالاتر تحريك سازد.

ج ) عناصر بازخور مناسب كه به باريكه تابش اجازه ميدهد كه در محيط فعال نوسان كند (به اين امر نوسان ليزر ميگويند) و يا آنكه باريكه از محيط فعال يك بار بگذرد (كه به آن تقويت تك عبور ميگويند) و ممكن است تعداد عبورها زيادتر شده به آن تقويت دو عبور، سه عبور و ... ميگويند. عناصر بازخور در واقع از دو آينه تشكيل شده است. يك آينه (آينه انتهايي) تمام بازتابنده است و آينه ديگر نيمهشفاف است. با رفت و بازگشت باريكه بين دو آينه، هر بار عمل تقويت براي باريكه حاصل شده و هنگامي كه بهره سيستم از كل تلفات بيشتر گردد، عمل ليزر آغاز ميشود و خروجي ليزر را از طرف آينه نيمهشفاف دريافت ميدارند.

 

 

3) تاريخچه ليزر

ليزرها بر اساس اصل كلي كه در بسامدهاي ميكروموج اختراع گرديده بود و به آن ميزر (تقويت ميكروموج توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشد، كار ميكنند. وقتي طول موج نوسان به ناحيه بسامدهاي اپتيكي ميرسد، طبيعتاً به آن ليزر (تقويت نور توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشود.

اختراع اولين ليزر به سال 1960 توسط تئودور مايمن بازميگردد و آن يك ليزر ياقوت است كه با لامپ درخش فعال ميشود. جالب است بدانيم كه امروزه ليزرهاي حالت جامد (نظير ياقوت، نئوديميوم ياگ) نيز كم و بيش به صورت همان تكنيك قديمي خود كار ميكنند. روش دميدن محيط فعال از طريق اپتيكي است. البته حضور ليزرهاي نيمرسانا و تابش انها در ناحيه جذب شديد بلورهاي ليزر، تكنولوژي بسيار جديد امروزي را كه دمش ليزرهاي حالت جامد توسط ليزرهاي نيمرساناست متحول ساخته است. اين ليزرها كه با باريكة ليزرهاي نيمرسانا دميده ميشوند، بسيار كوچك و قابل حمل و كم مصرف و با بازدهي بالايي هستند. حتي در اين خصوص پا فراتر گذاشته شده است و ليزرهاي پرقدرت كه در حجم كوچك ساخته ميشوند قادر به توليد باريكه هاي پرتوان براي مصارف صنعتي ميباشند.

[spow 44197]

برندگان جايزه نوبل در زمينه ليزر

 

دانشمندان بسيار زيادي در چند دهه گذشته در اهداف مرتبط با فيزيك كه به نحوي با ليزر سر و كار پيدا ميكند موفق به دريافت جايزه نوبل شدهاند. در اينجا اسامي چند دانشمند كه مستقيماً در ارتباط با ليزر جوايز نوبل را دريافت كردهاند را ذكر خواهيم نمود.

- چارلز اچ تاونز به خاطر اختراع ميزر آمونياك (1964).

- نيكلا جي باسوف، و الكساندر پروكرف براي سهم خود در ميزرها و ليزرها (1964).

- دنيس گابور ، براي ارائه تصاوير سه بعدي (هولوگرافي) (1971).

- نيكلاس بلومبرگن و آرتورشالو براي سهم آنها در ميزر سه ترازي، اپتيك غيرخطي و اسپكتروسكپي ليزري (1981).

- احمد ذويل (كه دانشمند مصري است) براي كاربرد ليزر در شيمي (1999).

از ساير فعاليتهاي اساسي در زمينه ليزر ميتوان از اختراع پرفسور علي جوان، دانشمند ايراني به خاطر اولين ليزر گازي هليوم نئون و سي.ك.ان پاتل (دانشمند هندي) براي اختراع ليزر co2 نام برد.

با وجودي كه از اختراع ليزر بيش از 40 سال (و نزديك به نيم قرن) ميگذرد، ليزرها به صورت ابزارهايي كاملاً توسعه يافته براي توليد باريكه نور همدوس درآمدهاند. گسترش كاربردهاي آن بسيار وسيع بوده و در تمام شئون زندگي بشري، از جراحيهاي ظريف گرفته تا صنعت، مسائل دفاعي و حتي خريد از فروشگاهها قابليت خودرا نشان دادهاند. بنابراين ميتوان ادعا كرد كه كاربردهاي آن در آينده وسيعتر شده و جايگاه ليزر و اهميت آندر اجتماع و زندگي انسانها روز به روز ملموستر خواهد شد.

4) مفاهيم اساسي ليزر

ليزرها بر اساس برهمكنش تابش و ماده فعال ميشوند. اين برهمكنش شامل گسيل خود به خود، گسيل القايي و جذب ميباشد.

گسيل خود به خود فرض كنيم توانسته باشيم اتمهاي زيادي را به تراز بالاتر اتم و يا مولكول با تحريك خارجي (كه به آن دمش گفته ميشود) فرستاده باشيم. تعداد اين اتمها يا مولكولها در واحد حجم در تراز بالاتر را با n2 نمايش ميدهيم. اين اتم يا مولكول به صورت خود به خود به تراز پايينتر فروميافتد و اگر اين فروافت توام با گسيل موج الكترومغناطيسي باشد به آن فروافت تابشي يا گسيل خودبه خود ميگويند. اتم و يا مولكول هرگاه به طريق ديگري مثلاً در برخورد با گاز در محيط به تراز پايينتر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فروافت غيرتابشي ميگويند.

[spow 44197]

گسيل القايی

 

علاوه بر فروافت به طريق گسيل خود به خود، اتم و يا مولكول در تراز بالاتر ميتواند در اثر برهمكنش با يك ميدان تابش خارجي به تراز پايينتر فروافتد در اين صورت دو فوتون به وجود ميآيد، فوتون القاء شونده و فوتون القاء كننده. هر دو فوتون در يك جهت گسيل ميشوند و همفاز و با يك قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء كننده است). اين اساس تقويت نوري را فراهم ميسازد و اساس ليزر مبتني بر همين اصول تقويت نور ميباشد.

جذب هنگامي كه در يك سيستم اتمي كه اتمها در تراز پايينتر (تراز پايه) هستند موج الكترومغناطيسي اعمال گردد به نحوي كه فركانس موج فرودي درست در همان فركانس گذار اتمي باشد، در اين صورت به سادگي موج الكترومغناطيسي فرودي بر اتم يا مولكول، جذب اتم و يا مولكول شده و آن را به تراز بالاتر ارتقاء ميدهد. به اين فرآيند جذب گفته ميشود.

[spow 44197]

4-1) جمعيت معكوس

 

در يك اتم فرض كنيد، تراز انرژي و جمعيت تراز پايين (n1 و e1) و تراز انرژي و جمعيت تراز بالاتر (n2 و e2) باشد. در حالت عادي توزيع بولتزمن براي اتم يا مولكول برقرار است، لذا همواره چون e1 > e2 است، خواهيم داشت n2 > n1 ، بنابراين اختلاف n2 - δ n = n1 همواره مثبت است و تابش فرودي جذب اتم يا مولكول ميشود. اگر شرايطي غيرعادي حاصل آيد به نحوي كه n1 > n2 گردد، با جذب منفي و يا بهره سر و كار داريم. به اين عمل كه توسط دمش حاصل ميشود و جمعيت تراز بالاتر بيشتر از تراز پايينتر به وجود ميآيد، ايجاد جمعيت معكوس ميگويند و هرگز در شرايط ترازمندي گرمايي حاصل نميشود.

4-2) چگونگي ايجاد جمعيت معكوس

روشهاي مختلفي جهت ايجاد جمعيت معكوس وجود دارد كه بسته به محيط فعال از اين روشها جهت ايجاد جمعيت معكوس استفاده ميكنند به عملي كه انجام ميشود تا جمعيت معكوس حاصل شود دمش (پمپاژ) گفته ميشود. روشهاي پمپاژ به قرار زير است. دمش الكتريكي، دمش نوري، دمش شيميايي، دمش گرمايي.

[spow 44197]

5) انواع ليزرها

 

5-1) ليزرهاي حالت جامد

سه موضوع اساسي براي ايجاد بهره در ليزرهاي حالت جامد عبارتند از :

محيط ميزبان ، يونهاي فعال در داخل محيط ميزبان ، منابع نوري براي دمش مواد تشكيل دهنده محيط ميزبان محيط ميزبان به دو دسته بلوري و شيشهاي تقسيم ميشوند. محيط ميزبان ميبايد از نظر اپتيكي، مكانيكي و خواص گرمايي شرايط عمل كرد ليزري را متحمل شوند. محيطهاي ميزبان بلوري كه پس از اختراع اولين ليزر ياقوت مورد بررسي و مطالعه و كاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:

سافاير، Al2O3 گارانتها، ايتريوم، آلومينيوم گارنت Y3Al5O12 كه با YAG نشان ميدهند.

گادولنيوم، گاليوم گارنت Gd3Ga5O12 كه با GGG نشان ميدهند. گادولنيوم اسكانديوم آلومينيوم گارنت Gd3Sc2Al3O12 كه با GSAG نشان ميدهند. آلومينيت، ايتريوم اورتوآلومينيت (Y AlO3)، كه با YAlO يا YAP نشان ميدهند. فسفاتها و سيليكاتها، كلسيم فلوروفسفات يا Ga5+ (PO4 +)3 F نام معدني فلوراپاتيت (FAP) سيليكات اكسي پاتيت يا Ga La SOAP تنگستيتها، موليبديتها، واناديتها و بريليتها فلورايدها، سراميكها، شيشهها، يونهاي فعال :

«يونهاي خاكي نادر»

نئوديميوم Nd+3 خط Nd:YAG در λ = 1.06 μ m

اربيوم Er+3 خط Er:YAG در λ ~ 2.9 μ m

هولوميوم Ho+3 خط Ho:YAG در λ ~ 2 μ m

تاليوم Tm+3 خط Tm:YAM در λ ~ 2 μ m

«يونهاي آكتانايد»

ياقوت Cr+3 : Al2O3

الكساندريت Cr+3 : BeAl2O4

تايتانيوم سافير Ti+3 : Al2O3

[spow 44197]

5-1-1 ليزرهاي حالت جامد كوك پذير (قابل تنظيم طول موج)

 

گسيل ليزري در ليزرهاي حالت جامد كوكپذير وقتي جفتشدگي گسيل القائي و گسيل كوانتايي ارتعاشي (فونون) در بلور حاصل ميشود اتفاق ميافتد. آنها عبارتند از :

الكساندريت :

BeAl2O4 در گسترة 700-800 nm

Cr : GSGG) Cr:Gd Sc Ga-Garnet در (100-900 nm)

Cr:KZn F3 (در 185-865 nm)

5-1-2 سيستمهاي دمش نوري در ليزرهاي حالت جامد

در گذشته لامپهاي هالوژن-تنگستن براي دمش موج پيوسته Nd:YAG به كار ميرفته است.

لامپهاي درخش (لامپ فلاش) براي ليزرهاي پالسي به كار ميرود كه از يك لوله كوارتز با دو الكترود انتهايي (گاز داخلي Xe) تشكيل شده است. امروزه از ليزرهاي نيمرسانا براي دمش ليزرهاي حالت جامد مخصوصاً Nd:YAG استفاده ميشود. از نظر طيفي بهترين بازدهي انتقال انرژي نوري از تشعشع منبع دمش به محيط جامد وقتي است كه ناحيه طيفي بيشينه تشعشع لامپ تحريك با نواحي جذب شديد در محيط فعال جامد منطبق باشد.

5-2 ليزرهاي رزينهاي (مايع رنگين)

ليزرهاي رزينهاي به آن دسته از موادآلي گفته ميشود كه در حلالهاي مناسب حل شده جهت محيط فعال مورد استفاده قرار ميگيرند. دمش اين رنگها از طريق نوري است كه با استفاده از لامپ فلاش و يا يك ليزر مناسب ميباشد. اين مواد قادراند بسته به نوع رنگ به كاررفته از ناحيه فرابنفش تا نزديك مادون قرمز نوسان قابل تنظيم طولموجي داشته باشند. لذا از زمره ليزرهاي كوكپذير هستند و داراي كاربردهاي وسيع در طيفنگاري ميباشند. براي دمش اين ليزرها، اگر به صورت پالسي مد نظر باشد از ليزرهاي نيتروژن، اگزايمر، بخار مس استفاده ميشود. هارمونيكهاي مراتب بالاي ليزرNd:YAG در طولموجهاي 532، 353 و 266 نانومتر براي دمش رنگهاي آلي نيز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادي است. براي نوسان موج پيوسته از ليزر آرگون يوني ميتوان استفاده نمود.

5-3 ليزرهاي گازي

نظر به اين كه گازها به عنوان محيط فعال نسبت به محيط هاي فعال حالت جامد از چگالي پايينتري برخوردار هستند. بنابراين بايد انتظار داشت كه ليزرهاي گازي نسبتا بزرگ و حجيم باشند. گازها در ليزرهاي گازي توسط برخورد الكتروني و يا باريكه الكتروني تحريك ميشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الكتريكي است.

[spow 44197]

تحريك برخورد الكترونی

 

تحريك مناسب در گازها در فرآيندهاي برخورد الكتروني رخ ميدهد. تحريك تراز بالايي ليزر يا به صورت برخورد مستقيم الكترون مثلا در ليزر آرگون خنثي است. طبق سازوكار Ar + e -> Ar* + e كه *Ar نشان دهنده تراز تحريكي اتم آرگون است، يا انتقال انرژي توسط گازي از نوع ديگر (مثل ليزر He-Ne) صورت ميگيرد كه He نقش دهندة انرژي به اتم نئون را داراست و عمل ليزر روي گذارهاي اتم Ne تحقق مييابد.

He* + Ne -> Ne* + He

*He و *Ne نشان دهنده اتم He و Ne در حالت تحريكي است.

5-3-1 ليزر آرگون يوني (Ar II)

ليزر آرگون يوني يكي از ليزرهاي مهم گازي است كه تحريك توسط برخورد الكتروني در اتم Ar صورت ميگيرد. از ساير ليزرها يوني گازهاي نادر ميتوان از ليزرهاي يوني كريپتون، زينون و نئون نام برد. برخي از خطوط مهم و توانهاي نوعي خطوط نوساني در زير آورده شده اند.

ليزرهاي يوني پالسي

Ar (II) (nm 488 ، nm 496 توان حدود 10 وات ؛ nm 496 ، nm 502 و nm 514)

Ne (III) (nm 473 ، توان 400 وات)

Xe (IV) (nm 364 ، توان 3600 وات ، nm 430 ، توان 1000 وات)

ليزرهاي يوني موج پيوسته

Ar (II) (nm 0/488 ، nm 5/514 توان حدود W 1)

Kr (II) (nm 1/647 ، توان 4/0 وات ، nm 4/676 ، nm 5/752 ، nm 7/350 ، توان 5 وات)

5-3-2 ليزر He-Ne

يكي از متداولترين ليزرهاي گازي است. محيط فعال اختلاطي از گاز هليوم و نئون است كه نسبت آنها تقريبا 5:1 تا 20:1 ميباشد. اين اختلاط گاز در لوله شيشهاي به قطر چند ميليمتر و به طول 0/1 تا 1 متر در فشار حدودا mmHg 10 و با تحريك توسط ولتاژ بالا چند كيلو ولت قادر است عمل ليزر روي ترازهاي نئون را حاصل كند. (3/39μm ، 1/15 mm ، 632/8 μm و 5/543nm )

5-3-3 ليزر بخار مس

ليزر بخار مس يكي از ليزرهاي مهم و پرقدرت به حساب ميآيد. براي آن كه جمعيت كافي از اتمهاي مس حاصل شود نياز به آن است كه دماي محيط به 1400ْC تا 1500ْC برسد . اين امر در تيوبهاي خاص از آلومينا و با رگبار بسيار بالا (kHz 5~ ) براي گرم شدن تيوب ليزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئيچهاي تايروترون حاصل ميشود. قطر لوله ها بين 10 تا 80 ميليمتر است. همچنين براي دريافت قدرت مناسب از ليزر نياز به استفاده از گاز نئون در فشار 50-25 ميليمتر جيوه ميباشد.

عمل ليزر در دو طول موج nm 578 و nm 510 تحقق مييابد، هر دو گذار به تراز نيمهپايدار منجر ميشود و عمل ليزر تنها در مدتي كوتاه قبل از نابودشدن جمعيت معكوس حاصل ميشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، براي توانهاي بالاتر نياز به آن است كه سيستم به صورت نوسانگر-تقويتكننده عمل كند. بازدهي كلي سيستم نسبتا بالا (تا 2%) ميرسد، بنابراين اگر توانهاي كمي مورد نياز باشد سيستم ليزر ميتواند توسط هوا خنك شود. در غير اين صورت در توانهاي بالا، به سرد كردن ليزر توسط جريان آب سرد نياز ميباشد.

5-3-4 ليزر گازكربنيك (ليزر CO2)

ليزر گازكربنيك تاكنون مهمترين ليزر در ردة خود به شمار ميرود و از نقطهنظر كاربردهاي تكنولوژيكي اين ليزر از مهمترين ليزرها محسوب ميشود. با در نظر گرفتن بازدهي (30%~) و خروجي پرتوان، توانهاي موج پيوسته اين ليزر به دهها كيلووات ميرسد، بنابراين كاربردهايي نظير جوشكاري، برش فلزات و اجراي نقوش فلزي و كاربردهاي نظامي اين ليزر ميسر شده است. گذار ليزري در اين ليزر با ليزرهاي يوني يا اتمي متفاوت است، چه ترازهاي انرژي مرتبط با حالتهاي كوانتومي مدهاي ارتعاشي و چرخشي مولكول CO2 ميباشد. در مورد مدهاي ارتعاشي، سه نوع مد ارتعاشي غيرمتقارن، متقارن و خمشي در گذارهاي ليزر درگير ميباشند. عمل ليزري در نواحي بين دو طول موج 9/4و 10/6 ميكرومتر است كه در ناحيه فروسرخ طيف واقع ميشود. اين ليزر با ساختارهاي متفاوت تكنيكي ساخته ميشود كه عبارتند از : ليزر پالسي فشار اتمسفري (TEA)، محفظه بسته، جريان گازي و ديناميك گازي.

[spow 44197]

5-3-5 ليزر نيتروژن (N2)

 

گذارهاي ليزري در ليزر نيتروژن بين ترازهاي انرژي الكتروني مولكول N2 صورت ميگيرد كه منجر به خروجي در ناحيه فرابنفش (337/1nm) ميشود. اين ليزر در نوع پالسي فعال است و پهناي زماني آن كوتاه و به حدود چند نانو ثانيه ميرسد. دمش الكتريكي اين ليزر ميبايد بسيار سريع و در زمانهاي حدود مقياس پهناي پالس تحقق يابد. اين ليزرها در رده ليزرهاي خودپايانيابنده قرار ميگيرند.

5-3-6 ليزرهاي اگزايمر

واژة «اگزايمر» از بهم بستن واژة excited dimer يا دوتايي تحريك شده ساخته شده است و مفهوم آن است كه انرژي الكتروني مولكول دو اتمي در حالت تحريك شده به صورت پايدارو در حالت پايه به صورت دافعه است. هالايدهاي گاز نادر نظير ArF ، KrF و XeCl نمونه هايي از اين نوع ليزر هستند. تخليه الكتريكي و باريكه هاي الكتروني را ميتوان براي تحريك اختلاطهاي گازي از نوع گازهاي نادر و مولكولهايي نظير F2 يا HCl براي حصول عمل ليزر در ليزرهاي اگزيمر به كار برد. عمل دمش اين ليزرها به گونهاي شبيه به ليزرهاي N2 ميباشد ليكن براي تحريك نياز به آن است كه قبل از تخليه الكتريكي اصلي توسط فوتونهايUV و يا پرتو x محيط توسط يك پيشيونش براي تخليه يكنواخت الكتريكي آماده شود. بعضي از ليزرهاي اگزايمر نظير XeF و KrF كاملا كارآمد بوده و قادرند توانهاي خروجي تا J1 و با توان متوسط W 200 را حاصل سازند.

5-4 ليزرهاي شيميايي

تركيبات شيميايي داراي اين توانايي هستند كه مقادير زيادي از انرژي كه ممكن است بخشي را در واكنشهاي شيميايي گرمازا از دست بدهند، در خود ذخيره نمايند. به اين ترتيب آنها نمونه هاي جالب توجهي جهت تبديل انرژي شيميايي به تابش نوري همدوس به شمار ميآيند. ليزرهاي شيميايي كه امروزه با آن سر و كار داريم مرتبط با گذارهاي حالتهاي ارتعاشي مولكولهايي نظير HF ، CO و امثالهم ميباشند. حد پايين گذار ليزري آنها در طول موج μm2~ ميباشد. مثال خاصي از اين ليزرها، انواع ليزرهاي HF و DF ميباشند كه قدرتهاي بسيار بالايي از آنها به دست آمده است. واكنشهاي مرتبط به قرار زير هستند :

F + H2 -> HF * + H

F + D2 -> DF * + D

با وجودي كه واكنشهاي بالا نمونه هاي تحريكي را كه با علامت ستاره نشان داديم حاصل ميكنند، ليكن تجزيه هيدرژن و فلئور ميبايد از مولكولهاي اوليه H2 و F2 حاصل شود. واكنشهاي مرتبط در اين نوع ليزرها به صورت زنجيرهاي است، به اين معنا كه وقتي واكنش رخ داد مراكز فعال ليزري را ميبايد خودشان حاصل كنند و اين متضمن تزريق پيوسته مولكول H2 و F2 به سيستم است مثلادر ادامه واكنش بالا براي H رها شده، داريم :

H + F2 -> HF * + F

و براي F رها شده، واكنش خواهد شد

F + H2 -> HF * + H

[spow 44197]

5-5 ليزرهاي نيمرسانا

 

يكي از پراستفاده ترين ليزرها، ليزرهاي نيمرسانا ميباشد كه در حجم زياد ساخته ميشوند و داراي كاربردهاي بسيار زيادي هستند. امروزه آنها را حتي به عنوان علامت دهنده نور موازي در دست مردم عادي ميبينيم و يا در هنگام خريد از فروشگاه هاي بزرگ قيمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهي كه به ليزر نيمرسانا مجهز است تعيين كرده در كار مشتري سرعت قابل ملاحظهاي ميبخشد. ليزرهاي نيمرسانا با استفاده از پرش الكترون بين نيمرساناهايي كه شامل نوعهاي مختلف و ترازهاي ناخالصي كنترل شده ميباشد كار ميكنند. مهمترين مواد نيمرسانا شامل مواد دوتاييها نظير نيمرساناي V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاييها نظير AlxGa1-xAs (كه x فاكتور كوچكتر از واحد است) يا مواد چهارتاييها مثل InxGa1-xAlyP1-y ميباشند. مهمترين پارامتر كه از يك سيستم نيمرسانا به سيستم ديگر تغيير ميكند، گاف انرژي است. اين گاف فاصلة انرژي Eg بين بالاترين نوار پرشده از الكترون و يا پايين نوار انرژي خالي از الكترون است. طول موج منتسب به اين گاف انرژي از μ=Ch/Eg به دست ميآيد. ليزرهاي نيمرساناي امروزي چنان ساخته ميشوند كه جريان الكتريكي را به ناحيهاي خاص در قطعه محدود سازند.

اين هندسه ساخت به طرق : هدايت شده بهره، هدايت شده ضريب شكست و امثالهم ميباشد. ساخت ردّه جديدي از ليزرهاي نيمرسانا به گونهاي است كه باريكه ليزر در جهت عمود بر ويفر گسيل ميشود كه به آن «ليزر گسيل سطحي» ميگويند. نوع ديگركه نوع «ليزر گسيل سطحي جفت شده توري» ناميده ميشود. به گونهاي است كه توان خروجي بالا و واگرايي پايين را به دست ميدهد. براي قدرتهاي بالاتر رديفهاي دايودي اختراع شده كه از تعداد ليزرهاي زيادي نزديك به يكديگر شكل گرفته است.

از ليزرهاي جديد ديگر نيمرسانا، ليزرهاي چاه كوانتومي هستند كه محيط فعال آن با لايه بسيار نازك (مثلا nm 20) از دو طرف توسط GaAlAs محدود شده است. اگر ليزر تنها يك چنين لايه اي داشته باشد به آن تك چاه كوانتومي گفته ميشود (SQW) و اگر از چند لايه با تناوبي از GaAs و GaAlAs شكل گرفته باشد به آن ليزر چاه كوانتومي چندتايي (MQW) ميگويند.

5-6 ليزرهاي الكترون آزاد

طرز عمل ليزرهاي الكترون آزاد كاملا با ساير ليزرهايي كه از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلي انرژي در اين نوع ليزرها باريكه نسبيتي الكترون است. تحت بعضي شرايط اين الكترونها قادرند مقداري از انرژي خود را به صورت باريكهاي از فوتون در همان مسير الكترونهاي سريع رها سازند. به اين منظور باريكه الكترون سرعت يافته را از مغناطيسهاي تناوب يافته كه به آن ويگلر (جنبانده) گفته ميشود عبور ميدهند. با عبور الكترونها از ويگلر آنها شروع به نوسانهاي عرضي ميكنند. نتيجه امر در اين نوسانها تشعشع موج الكترومغناطيسي است كه طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μw/2γ2 به دست ميآيد. μwتناوب ويگلر و γ نسبت انرژي الكترون به انرژي الكترون در حالت سكون است.

بنابراين با تغيير μwو يا γ ميتوان گسترة وسيعي از فركانسهاي ليزر را حاصل كرد، يعني اين ليزرها كوكپذير هستند. ضمنا سيستمهاي ليزرهاي الكترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههاي عظيمي به شمار ميآيند يعني در واقع براي راهاندازي آن نياز به تجهيزات شتابدهنده الكترون ميباشد.

بنابراين آنها دستگاههايي نيستند كه در مقطع فعلي از زمان به صورت كوچك و مستقل بتوان در آزمايشگاههاي متداول تحقيقاتي از آنها استفاده كرد.

[spow 44197]

جوشكاری با قوس پلاسما

 

درجوشكاري با قوس پلاسما‌ , قوسي توليد مي شود كه بسيار بلندتر , داغتر و قابل كنترل تر ازقوس ايجاد شده در جوشكاري تيگ است. هرگاه شدت جريان كم باشد ـ كمتر از 100آمپر ـ مي توان جوشكاري موسوم به جوشكاري با قوس سوزني انجام داد. از اين قوس بلند و سوزن مانند براي اتصال قطعات بسيار نازك فلز , به ضخامت 02/0 تا mm3استفاده ميكنند. درجوشكاري با قوس پلاسما از شدت جريانهاي بيشتر هم مي توان استفاده كرد. اگرچه با افزايش شدت جريان قوس پهنتر مي شود ,مي توان با استفاده از شدت جريان تا 400آمپر ورق هاي تا ضخامت mm25 رابا كيفيت مطلوب جوشكاري كرد. درجوشكاري با قوس پلاسما,نفوذ به دو روش انجام مي شود: روش ذوبي و روش سوراخ كليدي. در روش ذوبي از قوس پلاسما براي جوشكاري متعارف دستي و ماشيني , به روش ذوبي , استفاده مي شود. مزيت عمده آن بر جوشكاري تيگ , كنترل بهتر متصدي روي فاصله مشعل تا قطعه كار و حذف احتمال آلودگي الكترود تنگستني است.

زيرا در اين روش الكترود تنگستني در داخل مشعل محافظت مي شود. با استفاده از اين روش مي توان جوشهاي لب به لب باريك و مرغوب , روي ورقهايي با ضخامت 3مليمتر ايجاد كرد.

درروش سوراخ كليدي قوس باريك و بلند ايجاد مي شود كه بطور كامل در قطعه نفوذ مي كند و سوراخ كليدي در وسط حوضچه جوش به وجود مي آورد. اگر درز جوش لب به لب و كاملاً جفت سازي شده باشد, به فلز پر كننده نياز نيست. با پيشروي مشعل, حوضچه مذاب در جلو قوس تشكيل مي شود, در جلو قوس تشكيل ميشود , دور قوس مي پيچد و بالا مي آيد تا مهره جوش كوچكي در پشت آن تشكيل دهد. در هر بار عبور , خط جوش كاملي در هر دو سطح زير و روي قطعه ايجاد مي شود. نفوذ كامل در قطعه و حركت فلز مذاب سبب جدا شدن ناخالصيها وگازها از خط جوش , پيش از انجماد آن مي شود. در نتيجه مي توان خط جوشي با بالاترين كيفيت ممكن ايجاد كرد. جوشكاري سوراخ كليدي را مي توان روي فلزهايي تا ضخامت 6ميليمترانجام داد.

[spow 44197]

وسايل مورد نياز در جوش پلاسما:

 

1. مشعل 2. يك واحد كنترل كننده 3. ژنراتور با فركانس زياد 4.يك دستگاه واتر پمپ 5.منبع جريان 6.ركتي فاير كه ظرفيت آن حدود 500آمپر و با جريان dcsp براي جوشكاري اكثر فلزات و فولادهاي ضد زنگ بكار مي رود

انتخاب نوع گاز به نوع روش مورد استفاده ـ ذوبي يا سوراخ كليدي ـ و نوع فلز جوشكاري بستگي دارد. مثلا ً براي جوشكاري فولاد ـ كربني, كم آلياژ يا زنگ نزن ـ وآلومنيم به روش سوراخ كليدي يا ذوبي از گاز آرگون استفاده ميكنند. در هنگام استفاده از روش ذوبي, اگر ضخامت فلز از 45ميليمتر بيشتر باشد مخلوط 75درصدهليم و 25درصد آرگون را به كار مي برند. براي جوشكاري فلزات واكنش پذيري مانند تيتانيم, اگر ضخامت فلز از 6ميليمتر كمتر است از گاز آرگون استفاده كنيد. در ساير كاربردها مخلوط هليم و آرگون را به كار ببريد؛ در روش سوراخ كليدي 50 تا 75 درصد هليم و در روش ذوبي 75 درصد هليم مصرف كنيد.

 

««مزيت جوشكاري با قوس پلاسما:»»

1.تمركز زياد انرژي 2. ثبات زياد قوس 3.سرعت فوق العاده 4.انتالپي زياد

[spow 44197]

برشكاری با قوس پلاسما

 

در برشكاري با قوس پلاسما از قوسي پرسرعت و بسيار محدوداستفاده مي شود كه مشابه روش جوشكاري سوراخ كليدي , در فلز نفوذ مي كند . براي ذوب كردن فلز از ولتاژي تا 50000 ولت استفاده مي شود. براي بيرون راندن فلز مذاب از راه برش, از هواي فشرده حاصل از يك كمپرسور يا مخلوط گاز محافظ بي اثر استفاده مي كنند. چون در اين فرايند قوس بسيار باريك, ستون مانند و مستقيم است, پهناي راه برش بسيار كم خواهدبود. به دليل تميز بودن عمليات برشكاري, به تميز كاري سطوح بريده شده نيازي نيست. با استفاده از دستگاه برشكاري قوس پلاسما مي توان فلزاتي تا ضخامت 150ميليمتر را, بسته به نوع فلز و شدت جريان قوس, برشكاري كرد.

دربرشكاري با قوس پلاسما مي توان از گاز نيتروژن, به منزله گاز محافظ, استفاده كرد. استفاده از گاز محافظ فقط براي ايجاد برشهاي بسيار تميز و فارغ از اكسايش به كار مي رود؛ در ساير موارد مي توان از هواي فشرده استفاده كرد زيرا ارزانتر است. هواي فشرده و پر سرعت, درهنگام بيرون آمدن از شيپوره سر و صداي زيادي ايجاد مي كند و به همين سبب مي توان از مصرف آن چشمپوشي كرد. صداي خروج هواي فشرده, شبيه صداي تفنگ بادي است كه از فاصله كم شنيده شود.

مشعل برشكاري با پلاسما براي كار در كارگاههاي ساخت اتاق اتومبيل عالي است زيرا بدون توجه به رنگ, آستر, بطانه كاري بدنه و كثيف بودن, مي توان برشكاري كند. در اين روش به تميز كاري قبلي نيازي نيست. چون در اين روش براي برش فلز به فرايند اكسايش تكيه نمي شود, براي برشكاري فولاد پراستحكام و كم آلياژ كه در ساخت بدنه اتومبيلهاي جديد به كار مي رود از اين روش در برشكاري فولاد زنگ نزن , و فلزات غير آهني از قبيل آلومينيم, مس و برنج نيز استفاده مي شود.

مزيت بزرگ برشكاري با قوس پلاسما سرعت برش در اين روش تا 20برابر روش برشكاري با اكسي استيلن است. در حال حاضر واحدهاي سيار برشكاري با قوس پلاسما , داراي منبع تغذيه, منبع گاز و مشعل ساخته شده اند كه مي توان آنها را به پريز برق تك فاز v220 وصل كرد و به كار انداخت.

[spow 44197]

جوشكاری ليزری

 

دستگاه اشعه ليزري داراي طول موجهاي يكسان ,موج نوسان ندارد و بصورت آرام مي باشد و روي يك سطح خيلي كوچك متمركز مي گردد. ليزرهاي جوشكاري اغلب به عنوان محيط موثر از يك مونو كريستال استفاده مي كنند .

انرژي نوراني تحريك كننده بوسيله يك لامپ فلاش محتوي گاز اگزنول كه مونو كريستال را احاطه كرده است تشكيل مي گردد و در داخل دستگاه دو آينه نيمه انعكاسي بطور موازي قرار دارند و به دسته هاي اشعه فرصت مي دهند كه خارج شوند. گاهي اوقات بجاي آينه يك منشور قرار داده مي شود و اغلب اوقات منشور دنباله همان مونوكريستال تشكيل مي شود.در اثر لامپ فلاش در محفظه يك ضربان نوري بوجود مي آيد كه زمان آن برحسب انرژي مصرفي مي باشد.

[spow 44197]

نكات مورد نظر در جوشكاری ليزری

 

1.شدت حرارت بالا از انواج نوراني ليزر بدست مي آيد.

2.هنگام تبديل اشعه ليزر به صورت نور مي تواند از دو محيطي مانند هوا خلاء , گازهاي خنثي.

3.نياز به تماس ميكانيكي با قطعه كار مانند روشهاي ديگرندارد و از طرفي قطعه مورد نظر براي جوشكاري نياز به قابليت هدايت الكتريكي ندارد.

4.هنگام متمركز شدن اشعه ليزري كه يك سيستم ساده است مي توان آنرا به سهولت خم ـ مستقيم و بصورت انعكاسي در آورد.

5.جوشكاري ليزري بوسيله انرژي ماكزيمم و مينيموم تعشعشعي آن و مدت ضربان و تعداد متوسط اين ضربه ها و نيز قدرت بزرگنمايي مشخص مي شود.

وقتي يك اشعه lazarروي يك سطح فلزي برخورد مي كند درجه حرارت آن سطح را تقريبا ً بطور آني اقزايش مي دهد و حرارت سريعا ً به داخل فلز منتقل ميشود جوشكاري ليزر بر اساس شدت تابش دسته هاي نوراني مي باشد كه از كريستال خارج مي شوند و با برخورد آن به قطعه كار تمركز اين پرتوها دو قطعه به همديگر پيوند مي خورند. مقدار حجم فلز بستگي به شدت و انرژي دارد كه بوسيله ستون ليزر منتقل مي گردد.

سرعت عمل جوشكاري و ضخامت فلز جوش دادني بستگي به سرعت حرارت دارد كه با فلز تماس پيدا ميكند. مقدار انرژي كه براي عمل جوشكاري لازم است مستقيما ً به حجم فلز بستگي دارد كه بايستي به نقطه ذوب برسد از طريق جوش ليزري مي توان اجسام مختلفي را بهم جوش داد مانند اجسام غير هم جنس فلزات نيكل , مس تانتالم ـ فولاد ضد زنگ ـ آلومنيم ـ

[spow 44197]

جوشكاری ( جوش زير پودری )

 

جوش زير پودری يک فرايند جوش قوس الکتريکی است که در آن گرمای لازم برای جوشکاری توسط يک يا چند قوس بين يک فلز پوشش نشده، يک يا چند الکترود مصرفی و يک قطعه کار تامين می شود. قوس توسط لايه ای از فــلاکس پودری قابل ذوب شدن که فلز جوش مذاب و فلز پايه نزديک اتصال را پوشانده، و فلز جوش مذاب را از آلودگی های اتمسفر حفاظت می کند پوشيده می شود. اصول عمليات:درجوش زير پودری جريان الکتريکی از قوس و حوضچه مذاب جوش که ترکيبی از فلاکس مذاب و فلزجوش مذاب است می گذرد. فلاکس مذاب معمولا", هادی خوب جريان الکتريسته است، در حالی که فلاکس سرد, هادی نيست. پودر جوش می تواند اکسيدزداها و ناخالصی زداهايی که با فلز جوش واکنش شيميايی می دهند را نيز تامين کند علاوه براينکه يک لايه محافظ ايجاد می کند. فلاکس های جوش زير پودری فولادهای آلياژی همچنين می توانند حاوی عناصر آلياژی برای بهبود ترکيب شيميايی فلز جوش باشند. . جريان الکتريکی از يک ژنراتور (ترانسفورماتور يا رکتی فاير) تامين شده، از اتصالات عبور می کند تا قوسی را بين الکترود و فلز پايه بر قرار کند را ذوب می کند که حوضچه مذاب را برای پرکردن اتصال تشکيل دهند. . . درکليه انواع تجهيزات, غلطک های هدايـت با نيروی مکانيکی بطور پيوسته سيم الکترود مصرفی فلزی را از ميان لوله تماس (نازل) و توده فلاکس به اتصالی که بايد جوش شود می راند. سيم الکترود عموما" يک فولاد کم کربن با ترکيب شيميايی دقيق که در يک قرقره يا بشکه پيچيده شده می باشد. سيم الکترود در منطقه جوش ذوب شده و در طول اتصال رسوب می کند. فلاکس دانه ای در جلوی قوس ريخته شده و پس از انجماد فلز جوش، فلاکس ذوب نشده تــوسط سيستم مکش جمع کننده برای استفاده مجدد جمع آوری می شود. در جوش خودکار بازيابی فلاکس مجموعه ای از تجهيزات و يک لوله بازيابی فلاکس که درست پس از لوله تماس قرار گرفته است مي باشد. ..جوش زير پودری به هر دو روش نيمه خودکار و خودکار قابل انجام بوده و روش خودکار بخاطر مزايا بيشتر، استفاده گسترده تر دارد. در روش نيمه خودکار جوشکار بصورت دستی يک تفنگ جوشکاری (به انضمام مخزن فلاکس) که فلاکس و الکترود را به محل اتصال تغذيه مي کند را هدايـت کرده و خودش سرعت حرکت را کنترل مي کند. در روش جوش کاملا" خودکار دستگاه بصورت خودکار الکترود و فلاکس را در طول مسير جوش تغذيه و هدايـت کرده و نرخ رسوب را کنترل می کند.در کاربردهای خاصی جوش خودکار زير پودری دو يا چند الکترود بصورت متوالی در يک اتصال تغذيه می شوند. الکترودها ممکن است کنار يکديگر بوده و به يک حوضچه تغذيه شوند يا اينکه به اندازه کافی فاصله داشته تا پس از انجماد يکی حوضچه ديگری تشکيل شود و مستقلا" منجمد شوند. روش جديدتر جوش قوس های پشت سرهم است که جوش چند پاس را دريک شيار اتصال برای افزايش سرعت حرکت و نرخ رسوب جوشکاری تامين می کندمزايا و محدوديت ها ::روش های خودکار و نيمه خودکار جوش زير پودری در مقايسه با ساير روش های جوشکاری مزايا و معايب زير را دارند: اتصالات را مـــی توان با شيار کم عمق آمـاده نموده که باعث مصرف کمترفلز پرکننده می شود. (در برخی کاربردها نيازی به شيار برای اتصالات بين ورق های با ضخامت کمتر از "4/1 نيست).پوشش برای حفاظت اپراتور از قوس نياز نيست, اگرچه حفاظت چشمان اپراتور بخاطر احتمال پرتاب جرقه جوش توصيه می شود.جوش را می توان با سرعت حرکت و نرخ رسوب بالا و برروی سطح صاف يا استوانه ای يا لوله و از نظر تئوری با هر اندازه و ضخامتی انجام داد. اين روش برای سخت کردن سطحی نيز مناسب است.فـــلاکس به عنوان اکسيدزدا و آخال زدا برای خارج کردن ترکيبات ناخواسته از حوضچه جوش عمل می کند تا جوش سالم و باخواص مکانيکی مناسب ايجاد کند.سيم هـــای الکترود ارزان برای جوش فولادهای غيرآلياژی و کم کربن استفاده می شوند. (معمولا" سيم های فولادی کم کربن بدون پوشش يا با پوشش نازک مسی برای هدايت بهتر و جلوگيری از خوردگی می باشند). جوش زير پودری را می توان در زير وزش بادهای نسبتا" شديد جوشکاری نمود. ذرات فلاکس حفاظت بهتری انجام می دهند تا پوشش الکترود در روش جوشکاری الکترود دستی.

[spow 44197]

محدوديتهای جوش زير پودری

 

محدوديتهای جوش زير پودری که برخی در روش های ديگر جوشکاری نيز وجود دارند به شرح زير است: پودرجوش: تجهيزات حمل فلاکس و سازه نگهدارنده مخزن پودر، اتصالات ديگر و همچنين صفحه نوار يا حلقه پشتبند نيز مورد نياز می باشد.پودر جوش ممکن است به آلودگی هايی آغشته شود که باعث تخلخل جوش شوند.برای دستيابی به يک جوش خوب فلز پايه بايد، يکنواخت بدون پوسته اکسيدی, زنگ, غبار و روغن و ساير آلودگی ها باشد.جداشدن سرباره از جوش در برخی موارد به سختی صورت می گيرد. در جوش های چند پاس پس از هر عبور بايد سرباره جوش برداشته شود تا از باقی ماندنش درون فلز جوش جلوگيری شود. اين روش معمولا" برای جوش فلزات با ضخامت کمتر از 3/16", بخاطر Burn Through مناسب نمی باشد.مگر در کاربردهای خاص شديدا " به مسطح بودن وضعيت جوشکاری محدود است، زيرا مسطح بودن و افقی بودن وضعيت برای جلوگيری از ريختن فلاکس لازم است.

فلزات مناسب جوش زير پودری:جوش زير پودری برای همه فلزات و آلياژها مناسب نيست. برای سهولت فلزات و آلياژها را می توان با توجه به مناسب بودن آنها برای جوش زير پودری به سه دسته تقسيم کرد: فلزات بسيارمناسب، فلزات اندکی مناسب و فلزات غيرمناسب فلزات بسيارمناسب: جوش زير پودری بيشترين استفاده را در جوش فولادهای غيرآلياژی (فولاد ساده ) کم کربن حاوی کمتر از %30/0 کربن, کمتر از% 5 0/0 فسفر و کمتر از % 5 0/0 گوگرد دارد. اغلب مثال های اين مقاله به اين فولادهامربوط است, که محدوده تنش تسليم آنها حدود 000/45 تا Psi 000/85 است و معمولا با فلاکس و الکترود AWS 15.17 – 69 (مشخصات فنی فلاکس ها و الکترودهای فولادهای آرام ساده برای جوش قوس زير پودری) جوش می شوند. فولادهای کربن متوسط و کم آلياژ ساختمانی در رده فولادهای مناسب جوش زير پودری هستند اگرچه اغلب به پيشگرم، پس گرم و استفاده از فلاکس و سيم الکترودهای ويژه نياز دارند. فولاد ضد زنگ, فولاد کربنی آلياژی قابل سخت شدن, و فولاد ساختمانی پراستحکام نيز با روش جوش زير پودری جوشکاری می شوند. روش جوشکاری اين فولادها مستقلا" در مقالات ديگر با عنوان جوشکاری فولادهای کربنی قابل سخت شدن, فولادهای آلياژی و فولادهای ضد زنگ توضيح داده شده است. جوش زير پودری همچنين برای ايجاد پوشش های مقاوم به سايش برای موقعيـت هايی که تحت سايش هستند بکار می رود. فلـــزات اندکی مناسب : بــرخی فلزات و آلياژهايی را که می شود به روش جوش زير پودری جوش داد، بيشتر با روش هايی جوش می دهند که منطقه حرارت داده شده باريک تر باشد. برخی فولادهای ساختمانی پراستحکام کم کـــربن جزء اين گروه هستند زيرا استحکام ضربه و کشش مورد نياز در روش جوش زير پودری به سختی بدست می آيند.

فولادهای پرکربن, فولادهای مار تنزيتی, و مس و آلياژهای مس نيز جزء اين گروه هستند. فلــزات نامناسب: چدن را معمولا" نمی توان به روش جوش زير پودری جوش داد, زيرا نمی تواند تنش های حرارتی ناشی از گرمای ورودی را تحمل کند. با اين حال مثال 241 در مقاله جوش قوس چدن, کاربردی را که در آن چدن ماليبل به فولاد کم کربن جوش شده است را تشريح می کند. مسائلی که در جوش فولاد آستنيته منگنزی و فولاد ابزار پرکربن رخ می دهند جوشکاری آنها را با هر روش معمولی دشوار می سازد.

آلياژهای آلومينيوم و آلياژهای منيزيوم را نمی توان به روش زير پودری جوش داد زيرا فلاکس مناسب برای آن پيدا نمی شود. سرب و روی بخاطر نقطه ذوب پايين مناسب جوش زير پودری نيستند. تيـتانيوم در کاربردهای آزمايشگاهی به روش زير پودری جوشکاری شده ولی فلاکس مناسب برای جوش آن تاکنون ارائه نشده است. جنبه های متالورژيک :سه ويژگی جوش زير پودری در جريان های بالا نيازمند توجه ويژه است : الف) در صد بالای فلز پايه در جوش هنگامی که قطب معکوس جريان مستقيم استفاده شود. ب) مقدار زياد سرباره توليد شده در عمليات . ج) گرمای ورودی زياد که ريز ساختار را تحت تاثير قرارمی دهد. هنگامی که درصد فلز پايه در رسوب فلز جوش بالا باشد, به حداقل رساندن ناخالصی های مضر مانند فسفر و گوگرد بسيار اهميت دارد.مقدار زياد سرباره عموما" منبعی از سيليسيم يا منگنز است که ممکن است مقداری از آن به رسوب فلزجوش منتقل شود. لذا معمولا" هنگام استفاده از فلاکس های پرسيليسيم، از سيم الکترود کم سيليسيم (حداکثر % 05/0 سيليسيم) استفاده می شود تا از جذب سيليسيم اضافی توسط فلز جوش جلوگيری شـود. همچنين از سيم الکترود کم منگنز حاوی کمتر از 0.50% منگنز معمولا" بـــا فلاکس های پـٌر منگنز استفاده می شود. سيــــم الکترود پرمنگنز حاوی %2 منگنز عموما" با فلاکس های کم منگنز استفاده می شوند. گرمای ورودی زيادی که ازجوشکاری در جريان زياد ناشی می شود (تا حدود 1500 آمپر) در سرعت های حرکت پايين باعث تغيير ساختار در منطقه متاثر از حرارت شده و استحکام ضربه را کاهش و استحکام کششی و دمای تبديل تردی به نرمی را افزايش می دهد.

تغييرات ريز ساختار : افزايش تغييرات ساختار فلز پايه به چهار عامل وابسته است://حداکثر دمايی که فلز در آن قرارداده می شود //زمان آن دما//ترکيب شيميايی فلز پايه //سرعت سرد شدنساختار فلز جوش ستونی است زيرا از مرزجامد شروع شده و فقط در يک جهت امکان رشد دارد. در فولاد کربنی قابل سخت شدن امکان درشت شدن ساختار منطقه نزديک قسمت جوش از فلز پايه بخاطررسيدن به دمای حدود 2800 تا 2200 فارنهايت وجود دارد.فلزی که در دمای 1700 تا 2200 فارنهايت گرم شده نواری از دانه های نازک تر دارد. اگرچه اين منطقه در بيشتر از دمای دگرگونی فاز گرم شده, ولی زمان باقی ماندن در اين دما برای درشت ساختار شدن کافی نبوده است. منطقه بعدی 1700 تا1400 فارنهايت، منطقه ای است که فولاد باز پخت شده و به مقدار قابل توجهی نرم تر از منطقه مجاور جوش است. فلز پايه دورتر از اين منطقه نيز تغيير نکرده باقی می ماند. اندکی کاربيد کروی شده بخاطر باقی ماندن در حدود 1330 فارنهايت، ممکن است ايجاد شود. پيش گرم و پس گرم کردن, اصول پيش گرم کردن و پس گرم کردن برای جوش زير پودری مشابه ساير روش های جوشکاری است. پيش گرم و پس گرم برای فولادهای سختی پذير, مخصوصا" فولادهايی که کربن آنها از حدود %3/0 و ضخامت آنها بيشتر از "4/3 باشد بکار می رود.کاهش سرعت سردشدن که در اثر پيش گرم رخ می دهد، زمان ماندگاری در دمای بالاتر از شروع تغيير حالت مارتنزيتی را افزايش می دهد و لذا تغيير حالت آستنيت به پرليت ظريف تر بجای مارتنزيت سخت را افزايش می دهد. در منطقه جوشی که پيش گرم شده نسبت به جوش پيش گرم نشده احتمال کمتری وجود دارد که فاز سخت تشکيل شود. همچنين بخاطر سرعت سرد شدن کمتر در فولاد های پيش گرم شده, خطر ترکيدگی جوش و تنش های حرارتی کاهش پيدا می کند. پـــس گــرم کردن هنگام نياز به تنش زدايی حرارتی, بازپخت, نرمالايز کردن يا تمپرکردن بکارمی رود.

[just work 12354]

با تشکر از ایجاد این تاپیک .

 

این حقیر ذیل درس " جوشکاری پیشرفته " موظف با تدوین کتاچه ای پیرامون جوشکاری پیشرفته شدیم .

 

در صورت اعلام نیاز دوستان ارائه خواهد شد .

 

راستی در صورت امکان پیرامون دستگاه جوش و برش درجا با یک دستگاه لیرز هم مطالب ارائه نمایید .

 

combi head laser weld and cut

[spow 44197]

منابع تغذیه درجوشکاری

 

منابغ تغذيه:منابع تغذيه جوش زير پودری عبارتند از:الف) موتور ژنراتور و ترانسفورماتور رکتی فاير, با خروجی جريان مستقيم (dc) . ب)ترانسفورماتور با خروجی جريان متناوب (ac) هر دو جريان های مستقيم و متناوب درجوش زير پودری نتايج قابل قبولی ارائه می دهند. اگرچه هر کدام در برخی کاربردهای خاص معايب ناخواسته ای دارند- بسته به شدت جريان، قطر سيم الکترود, و سرعت حرکت –که در ليست زير ذکر شده اند: جوش نيمه خودکار با الکترود "64 / 5 يا "32/3 در جريان مستقيم 300 تا 350آمپر، استفاده از جريان مستقيم ارحج است. جوش خودکار با يک الکترود در جريان پايين (300تا 500 آمپر) و سرعت حرکت بالا (40 تا 200 اينچ در دقيقه)، استفاده از جريان مستقيم ارحج است. جوش خودکار با يک الکترود و جريان متوسط (600 تا 900 آمپر) سرعت حرکت 10 تا 30 اينچ در دقيقه، هم جريان مستقيم و هم متناوب استفاده می شوند.

جوش خودکار با يک الکترود و جريان بالا (1200 تا 21500 آمپر) سرعت حرکت 5 تا 10 اينچ در دقيقه, استفاده از جريان متناوب ارحج است. جوش خودکار با بيش از يک الکترود و در حالت پشت سرهم و جريان هر کدام از الکترودها 500 تا 1000 آمپر با هم الکترودها، جريان متناوب (يا جريان مستقيم در الکترود جلويی ) استفاده می شود. جوش خودکار با دو الکترود در عرض هم, باهر دو جريان مستقيم و جريان متناوب استفاده می شود.

سيستم های تغذيه سيم جوش: تجهيز تغذيه سيم الکترود جوش زير پودری از دو نوع سيستم کنترلی برای کنترل سرعت تغـــذيه سيم (سيستم های حساس به ولتاژ و سيستم های سرعت ثابت) استفاده می کنند. سيستم های کنترلی حساس ولتاژ با منبع تغذيه های جريان ثابت و سيستم های کنترل سرعت ثابت با منبع تغذيه های ولتاژ ثابت استفاده می شوند. سيم الکترود جوش زير پــودری:سيم های الکترود جوش زير پودری فولاد در اندازه های مختلف توليد می شوند. پوشش نازکی از مس برای بهبود هدايت الکتريکی و بالا بردن مقاومت در برابرخوردگی بر روی سيم ايجاد می شود.ترکيب شيميائی سيم الکترود به ترکيب شيميائی فلز جوش و خواص مکانيکی و انتخاب نوع خاص الکترود و ترکيب آن به جنس فلز قطعه و نوع فلاکس وابسته است. برای رسيدن به نرخ رسوب بالاتر می توان از دو يا چند الکترود نازک تر بجای يک الکترود ضخيم تر استفاده کرد. کاهش قطر الکترود باعث افزايش چگالی جريان و فشار پلاسما جت و افزيش عمق نفوذ و باريک شدن باند جوش می شود.الف) همـــه الکترودها علاوه برمقادير جدول حداکثر دارای % 35 0/0 گوگرد, % 030/0 فسفر, %15/0مس (غيراز پوشش) و % 50/0 ساير عناصر می باشند. ب) به علاوه حاوی 05/0 - 15/0 تيتانيوم, 2 0/0 - 12/0 زيرکونينوم, 5 0/0 تا 15/0 آلومينيوم و تا 50/0 درصد ساير عناصر نيز می باشد. ساده ترين روش برای جلوگيری از تشکيل پرليت و فريت گوشه دار استفاده از حدود %5/0 موليبدن و %200/0 بــُر در ترکيب فولاد است, که با کاهش آهنگ تشکيل محصولات دگرگونی در دمای بالا باعث ايجاد فاز بينيت می شود. لذا استحکام کششی و تسليم را افزايش می دهد.

[spow 44197]

اشنایی با پودرهای جوشکاری:

 

پـودرهای جوش زير پودری :پودرهای جوش زير پودری به سه شکل وجود دارند. پودرهای ترکيب شده پودرهای چسبيده شده پودرهای آگلومره پودرهای ترکيب شده: برای توليد پودرهای ترکيب شده ابتدا اجزاء بصورت خشک مخلوط سپس دريک کوره الکتريکی ذوب و با پاشش آب سرد يا ريختن روی صفحه سرد منجمد می شود. مزايای اين نوع پودر عبارت است از :کاملا توزيع ترکيب شيميائی يکنواخت دارند. می توان خاکه آن را بدون تغيير در ترکيب شيميايی جدا کرد.محصول رطوبت گير نيست و مسائل ذخيره سازی و نگهداری ساده تر دارد.پودرهاي ذوب نشده را می توان چندين دور مورد استفاده قرار داد (بدون تغيير قابل توجه). مناسب برای جوشکاری با بيشترين سرعت محدوديت : محدوديت مهم اين پودر ها عدم امکان افزودن اکسيد زداها و فرو آلياژها بخاطر دمای حلاليت بالای آنها است.پودرهای چسبيده شده: برای توليد پودرهای چسبيده شده مواد خام تا اندازه D * 100 آسياب می شوند. بصورت خشک با هم مخلوط شده و با افزودن سيليکات پتاسيم يا سيليکات سديم به هم چسبيده می شوند.

مخلوط حاصل به شکل گلوله درآمده و در دمای پايين خشک می شوند و بصورت مکانيکی خرد شده و دانه بندی می شوند. مــزايــا :-بخاطر دمای توليد پايين, اکسيد زداها و فرو آلياژها دراين روش قابل افزوده شدن هستند.-چگالی پودر پايين تر است و امکان استفاده از لايه ضخيم تر فلاکس برروی منطقه جوش وجود دارد. -سرباره ايجاد شده بر روی جوش پس از سردشدن بهتر جدا می شود. محدوديت :محدوديت های مهم اين روش عدم امکان جداکردن خاکه بدون تغيير در ترکيب شيميايی و حساسيت بالا به جذب رطوبت است.پودرهای آگلومره: روش توليد مشابه پودرهای چسبيده شده است غير از اينکه از يک الک سراميکی استفاده می شود. در اين نوع پودر نيز برای استفاده از اکسيد زداها و فرو آلياژها بخاطر دمای Curing بالای الک (1400 oc) مانند پودرهای ترکيب شده محدوديت وجود دارد.دانه بندی: اندازه دانه های پودر جوش بخاطر تاثير برمصرف بهينه پودر جوش در جريان های جوش مختلف حائض اهميت است. در جريان های بيشتر از 1500 آمپر بايد از درصد ذرات ريز بيشتر و ذرات درشت کمتر استفاده کرد.

پودرهای چسبيده شده که در جريان های کمتر استفاده می شوند بستگی کمتری به اندازه ذرات دارند و عمدتا" در يک سايز توليد می شوند. حداکثر جريان مناسب برای اين نوع پودر 800 تا 1000 آمپر است. در حالی که برخی انواع پودر ترکيب شده (انواع سيليکات کليسم اصلاح شده ) را تا 2000 آمپر نيز می توان بکار برد. ترکيب پودرهای جوش::درزمان پيشرفت فرايند جوش زير پودری در اواسط دهه 1930 پودرهای ترکيب شده حاوی ترکيبات سيليکاتی استفاده می شدند که عمدتا" حاوی آلومينا سيليکات منيزيم، کلسيم و منگنز بودند. ترکيبات مورد مصرف در سراسر دنيا ترکيبات سيليکات منگنز ارائه شده درجدول1 بودند. برای تنظيم محدوده ذوب و ساختار آن از دياگرام MnO – SiO2 استفاده می شد. نتيجه جوشکاری با پودرهای چسبيده شده تقويت شده، پس از ذوب و انجماد جوش در فلز جوش مشابه پودر ترکيب شده است. فروسيليم و اکسيد منگنز و سيلسيم فلاکس ترکيب می شوند. لذا مقدار MnO نسبت به SiO2 که برای جوش زير پودری مناسب است در قسمت جوش باقی می ماند.انواع پودرهايي که در جدول1 توضيح داده شده برای دستيابی به خواص پيشرفته تر و هزينه اقتصادی تر و ظاهر مناسب تر گرده جوش در مقادير کمتر منگنز اصلاح شده اند. برخی ترکيبات پودرها با بازيسيته بيشتر (که مقادير CaF2, CaO دارند) خواص مکانيکی بهتری در فلز جوش ارائه می دهند و افزودن تيتانيوم پايداری قوس بيشتر و اکسيد فلزات خاص ظاهر جوش را در فولادهای آلياژی بهبود می دهند. برای رسيدن به ظاهر جوش مناسب در جوشکاری پرسرعت ورق ها خواص دمايی گرانروی فلاکس را بايد تنظيم کرد. فلاکس های کاربردهای خاص برای منظورهای خاص طراحی می شوند. مقايسه پودر جوش زير پـــودری با پوشش الکترود:پودرهای جوش زير پودری در مقايسه با مواد بکار رفته در پوشش الکترودهای جوشکاری الکترود دستی چند تفاوت عمده دارند. فلاکس های جوش الکترود دستی حاوی ترکيباتی مانند سلولز برای ايجاد گاز محافظ است. همچنين ترکيباتی با تابع کاری پايين مانند اکسيد سديم و اکسيد پتاسيم برای کمک به شروع قوس و پايداری آن و مواد ديگری برای تقويت نفوذ, نرخ ذوب و استفاده از قطب های مختلف جريان به پوشش الکترود اضافه شوند. که پودرهای جوش زير پودری غالبا" به اين ترکيبات نيازی ندارند, زيرا وجود سرباره مذاب و دانه های کروی پودر از قوس حفاظت کرده و نيازی به گاز محافظ نيست. وجود ترکيبات سيليس و فلورايد عموما"پايداری مطلوب قوس را تضمين می کند و حداقل %10 فلورايد کلسيم برای بهبود سياليست فلاکس مذاب به سيليکات های فلزی پودر اضافه می شوند.پوشش های الکترود های جوش قوس الکترود دستی بخاطر اينکه بايد قابل اکسترود باشد و ساير ملزومات توليد دارای فــرمول پيچيده اند وبرعکس آن پودرهای جوش زير پودری ازترکيبات معدنی ساده و از سيستم های دوتايی, سه تايی و يا چهار تايی انتخاب می شوند. رايج ترين فلاکس ها از سيستم MnO – SiO2 و يا CaO - SiO2 تشکيل شده انـــد که می توانند با اکسيدهای آلومينيم, منيزيم, زيرکونيوم و تيتانيوم ترکيب شود و فلاکس های کاربردهای خاص را به وجود آورند.فلاکس های الکترودهای پوشش و فلاکس های جوش زير پودری به روش های متفاوتی دسته بندی می شوند.

[spow 44197]

تقسیم بندی الکترودهای جوشکاری براساس استاندارد AWS A5.1-6

 

استانـــدارد AWS A5.1-6 الکترودهـــا را برحسب نوع مواد پوشش فلاکس دسته بندی می کند. و استاندارد A 5.1 7-69 برای دسته بندی پودر جوش زير پودری به طبيعت شيميايی فلاکس ارتباطی ندارد فقط به خواص مکانيکی رسوب جوش که با الکترود مخصوص به وجود می آيد مربوط است. در عمل بيشتر الکترود و فلاکس جوش زير پودری از روی ظاهر جوش انتخاب می شوند تا در نظر گرفتن جنبه های فنی. نقطه ذوب و نرخ ذوب پودرهــای جوش:يک پودر جوش موثر بايد دردمای بالا به خوبی سيال باشد و لايه روان و محافظ برروی فلز جوش ايجاد نمايد و آنرا از اکسيد شدن حفاظت کرده ولی در دمای اتاق ترد باشد و به آسانی از روی جوش جدا شود. نقطه ذوب و چگالی فلاکس نيز بايد کمتراز فلز جوش باشد که گازهای توليد شده بين فلز و سرباره بتوانند وارد سرباره شوند و برای تکميل وظيفه سرباره سازی بايد فلاکس پس از تکميل انجماد فلز جوش منجمد شود. لذا حد بالايی دامنه ذوب پودر جوش زير پودری حدود 1300 oC می باشد. مقدار فلاکس ذوب شده در هر دقيقه به ولتاژ و جريان جوش بستگی دارد و در جريان ثابت مقدار پودر ذوب شده در هر دقيقه با افزايش ولتاژ جوش افزايش می يابد. در عمل معمولا" وزن فلاکس ذوب شده و وزن الکترود ذوب شده برابرند. تاثير فلاکس بر ترکيب فلز جوش:واکنش های بين فلز جوش مذاب و پودر جوش ذوب شده در ضمن جوشکاری زير پودری شبيه واکنش بين مذاب و سرباره در فولاد سازی است. و لذا وظيفه سرباره مذاب کاهش ناخالصی های فلز جوش و تامين عناصری مانند منگنز و سيليکون برای فلز جوش است. چنانچه در قسمت الف شکل 4 مشاهده می شود با افزايش MnO درسرباره تا حدود 10 درصد مقدار منگنز فلز جوش افزايش سريع دارد که به تدريج مقدار اين افزايش کم می شود. لذا بسياری از فلاکس ها حاوی حدود %10 اکسيد منگنز است. رابطه مقدار SiO2 موجود در فلاکس و مقدارSi فلز جـــوش متفاوت است و تا هنگامـــی که SiO2 موجود در سرباره حدود %40 باشد سيليسم اندکی جذب نمی شود لذا فلاکس های تجاری و مخصوصا" فلاکس هايی که برای جوش های با چند پاس توليد می شوند مقدار زياد حدود %40, SiO2 دارند. برخی فلاکس ها می توانند فروآلياژها را برای جوش تامين کنند. اکسيدهای فلزی موجود در پودر مانند NiO, MnO3, Cr2O3 باعث انتقال عناصر فلزی از سرباره به فلز جوش شوند. مقدار Cr2O3 فلاکس, ترکيب الکترود, ترکيب فلز پايه ای که بر روی آن فلز جوش رسوب می کند بر مقدار سيليسم باقي مانده در فلز جوش تاثير می گذارند.همه عواملی که زمان واکنش فلز - سرباره يا متوسط دمای حوضچه جوش را تغيير دهد, برتوزيع عناصر آلياژی باقی مانده در فلز جوش تاثير خواهد گذاشت. در شرايط طبيعی جوشکاری, سرعت حرکت مهمترين عامل در رسوب عناصر آلياژی است و نيز افزايش ولتاژ عموما" باعث افزايش عناصر فلزی منتقل شده به فلز جوش می شود.*****گرانروی و هدايت سرباره ها :برای اينکه فلاکس در برابر نفوذ گازهای اتمسفری مقاوم باشد بايد گرانروی آن در منطقه جوش به اندازه کافی بالا باشد که در ضمن بتواند از سرريز شدن فلز مذاب و حرکت آن به سمت جلوی قوس که ممکن است باعث حبس سرباره در زير فلز جوش مذاب شود جلوگيری کند. از طرف ديگر به اندازه کافی سيال باشد که حل شدن سريع اجزاء غير فلزی مانند اکسيدها و خارج شدن گازها از فلز مذاب را ممکن سازد. ويسکوزيته فلاکس مذاب در دمای oC1400 در حدود 2 تا 7 poises می باشد.دانه های پودر جوش در دمای اتاق عايق الکتريکی هستند و مقاومت آنها با افزايش دما کاهش می يابد و سرباره های مذاب در دمای حوضچه جوش بسيار هادی هستند.