ماشین کاری با لیزر

ماشین کاری با لیزر: LBM

تعریف لیزر:
بسط و توسعه نور توسط نشر تشعشع تحریک شده می باشد.
نور لیزر:
تشکیل شده از یک هسته اشعه تک فرکانس موازی همفاز ودارای انرژی متمرکز در سطح مقطع کوچک.
کاربرد لیزر:
نور لیزر کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف از جمله تحقیقات فیزیک، اندازه گیری، پزشکی، ساخت و…

کاربرد در ساخت:
۱-جوشکاری ۲-مته کاری   ۳- برشکاری  ۴-عملیات حرارتی

تاریخچه اجمالی لیزر:
توضیح طبیعت نور توسط یونانیان
نظریه ذره ای نور نیوتن (قرن ۱۷ )
نظریه موجی نور هوک و هویگنس (۱۸۰۱م)
تئوری پرتو لیزر توسط اینشتین(اوایل قرن ۲۰ بر مبنای تئوری خواص)
تقویت نور با استفاده از تخلیه گازها(۱۹۴۰-۱۹۵۱توسط دانشمندان روسی)
تولید و تقویت فرکانسها بر اساس تشعشعات الکترومغناطیسی(۱۹۵۲ به طور مستقل توسط دانشمندان روس امریکاو کانادایی)
بردن ذرات به حالت ناپایدار توسط سیستمهای تحریک شده در سه تراز انرژی(۱۹۵۵ دانشمندان روس)
ساخت اولین لیزر یاقوتی (۱۹۶۰ توسط میمن)
اختراع اولین لیزرگازی که مخلوطی از گازهای هلیم و نیتروژن بود(۱۹۶۱ توسط دانشمند ایرانی الاصل علی جوان ودو دانشمند امریکایی)
استفاده از نیمه هادیها به عنوان ماده فعال در لیزر (۱۹۶۲ توسط دانشمندان روس)
استفاده از لیزر در تحقیقات فضایی(۱۹۶۳ شوروی سابق)

اصول تولید نور لیز:

بر مبنای تئوری اینشتین (تحریک اتم توسط انرژی خارجی)بنا نهاده شده است.
الکترون های مدار خارجی هر اتم بر اثر دریافت انرژی به مدارهای بالاتر می پرند در این حالت اتم را تحریک شده می گویند.اتم تحریک شده بلافاصله توسط الکترونش انرژی دریافتی خود به مدار قبلی بر می گردد در صورتی که اتم در حالت تحریک شده مجددا تحریک شود برگشت الکترون به مدار پایین سریع شده و دو موج کاملا مشابه همزمان با بازگشت الکترون به سطح قبلی انرژی خود از اتم خارج می شود این عمل را نشر تحریک گویند.
بدین صورت که امواج مشابه همدیگر را تقویت کرده و تقویت این امواج توسط نشر تحریک شده
اصول عملکرد لیزر است

ساختمان وفرایند سیستم لیزر:

محیط لیزری: ماده ای که به عنوان تقویت کننده نور عمل می کند

دمنده:یک چشمه انرژی خارجی است

تشدید گر:یک دسته آینه

به منظور تولید پرتو لیزری از لوله نوری استفاده می شود که سطح داخلی آن کاملا آینه ای بوده و دو طرف آزاد این لوله توسط دو سطح آینه ای دیگر مسدود شده که یکی از این سطوح ۱۰۰درصدآینه ای ودیگری ۹۰ درصد آینه ای بوده و یک منبع انرژی به منظور تولید انرژی لازم برای تحریک اتمها در داخل لوله نصب شده که معمولا انرژی نورانی تولید نموده امواج انرژی در برخورد با ماده لوله که معمولا گاز یا جامد است باعث تحریک اتمهای این جسم شده و این امواج در برخورد با جدارهای لوله مرتبا منعکس شده و امواج منعکس شده اتم را مجددا تحریک می کنند .بطوریکه وقت اکثر اتمها(از نصف بیشتر)به حالت نشر تحریک شده (فوتون)در آینه قرار می گیرند و پرتوی لیزری قابلیت عبور از سطح آینه ۹۰ درصد را پیدا می کند و آنچه خارج می شود به نام لیزر می نامیم .

لیزر و اصل مبدلهای انرژی
دستگاه لیزر مانند مبدلهای انرژی عمل میکند .
انرژی را از یک پمپ بصورت توان بالا و شدت کم گرفته
وبه صورت توان پایین تر و شدت بالاتر در قالب شعاع لیزری گسیل می کند .
ساختمان کلی یک سیستم لیزری
مولد لیزر(محفظه تشدید کننده)که حاوی گاز با فشار کم است وبا اعمال ولتاژباعث تحریک وشتاب دادن الکترونها شده که با یونهای خنثی برخورد کرده وآنها را تحریک می کنند
منبع توان لیزریا منبع ولتاژ بالا
یز فرایند
کلگی شامل عدسیهای همگرا ساز و شیپوره
NC برای کنترل دقیق میز و نور لیزروجابجایی عدسی همگرا ساز
تابلوی عملیات برای کنترل کل سیستم
چیلربرای خنک کاری سیستم
سیلندر گازیکی برای محفظه تشدید ویکی برای گاز کمکی
هوا خنک کن هوای خنک را به محفظه لیزر و لوله انتقال لیزر می فرستد و آنرا در فشار جو تمیز نگه میدارد

لیزر پالسی و پیوسته و تولید لیزر با پالسهای کوتاه
لیزر را میتوان واداشت تا همه انرژی خود را بصورت پالسهای کوتاه گسیل کند .
این کار با استفاده از سلول پاکل انجام می شود که حرکت فوتونها را به سمت آینه جزئی سد میکند وهنگامی که تمام اتم هادی ماده برانگیخته شدند توسط یک پالس الکتریکی این سد شکسته شده و انرژی فراوان در مدت کوتاهتر از پیکو ثانیه آزاد می شود
لیزربا پالس بلند

انواع لیزر

لیزرهای حالت جامد
لیزرهای مایع
لیزرهای گازی
لیزرهای نیمه رسانا
لیزرهای الکترون آزاد
لیزرهای دو مورد آخر در مخابرات استفاده می شود(لیزر حالت جامد)
کاربرد:
مته کاری – برشکاری – جوشکاری
ویژگی:
معمولابصورت پالسی از لوله نوری خارج شده
بالاترین انرژی لیزری را داراست

طرز کار لیزر جامد
معمولا جسم جامد مورد استفاده کریستالهای اکسید آلومینیوم می باشدکه ۰٫۰۵% ناخالصی کروم دارد.برای تحریک این نوع لیزر از منابع نورانی استفاده می شود.
منبع نورانی برای تحریک یک فلاش لامپ است که شبیه فلاش دوربین عکاسی عمل می کندکه با نور شدید خود کریستالهای اکسید آلومینیوم را تحریک کرده و یونهای فعال ناخالص کروم جایگزین اتمهای ALدر شبکه می شود که تعداد بیش از نیمی از یونها باید در تراز بالاتر تحریک شوند واین تحریک بصورت پالسی است که راحت تر و هزینه کمتری دارد.وقتی اتمهای کروم تحریک شده به حالت اول خود بر می گردند از خود گرما و انرژی نورانی (فوتون)منتشر می کنند فوتونهای تولید شده با دیگر اتمها برخورد کرده و باعث تولید فوتونهای دیگر با طول موج های مشخص می شوند.این فوتونها به سمت جلو و عقب توسط آینه ها منعکس می شوند.در نتیجه تعداد فوتونها افزایش یافته و انرژی بیشتری تولید می شود تا اینکه از آینه جزئی عبور کرده و تفنگ لیزری را تولید می کند این نور از عدسی همگرا گذشته و روی یک نقطه متمرکز می شود.
لیزرهای مایع
کاربرد،تحقیق طیف نورو ویژگی همگنی آنها نسبت به جامدات بیشتر است
مشکل ساخت و سیرکولاسیون برای خنک سازی را ندارند
نسبت به گازها چگالی بیشتری دارند

طرز کار لیزر مایع
انواع گوناگونی از مایعات به عنوان محیط لیزر ساخته شده ولی مفید ترین آنها رنگهای آلی هستند که در حلال مناسبی حل شده باشندچنین محلهایی شدیدا فلورسنس هستند.
به این صورت که مایع جریان پیدا کرده و لوله فلاش مولکولهای مایع رنگی را به انرژی بالاتر انتقال می دهد و فوتونها تولید می شوند فراین بصورت قابل تعدیل ادامه می یابد و آینه های خارجی فوتونها را منعکس می کنند و اتمها داخل لوله نوسان پیدا کرده تا اینکه مدار نور از آینه کم بازتاب عبور کرده و تشکیل تفنگ لیزر را میدهد

لیزرهای گازی
کاربرد
اندازه گیری-مته کاری-جوشکاری-عملیات حرارتی-فرایندهای علمی و…
ویژگی
چگالی کم( درنتیجه برای دستیابی به توان زیاد باید از لیزرهای گازی بزرگ استفاده کرد)
همگنی بیشتر نسبت به جامدات
سرمایش راحت تر نسبت به جامدات
تحریک راحت تر اتها در تخلیه گازی
طرز کار لیزر گازی

ولتاژی چند کیلو واتی به دو سر لوله ای که حاوی گاز با فشار کم است اعمال شده موجب تخلیه گاز می گردد. در این تخلیه الکترونها و یونهای زیادی بوجود آمده که الکترونها توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و در برخورد با یونها و اتمهای خنثی آنها را تحریک خواهند کرد . بقیه مراحل مانند طرز کار عموم لیزرها میباشد.

تقسیم بندی لیزرهای گازی
لیزراتمی
لیزریونی
لیزر مولکولی

لیزر اتمی
متداول ترین لیزراتمی HeNe است نوعاً مقدار HeبرابرNe است.
لیزرهای HeNeکوچک نسبتا ًارزان هستند وبی خطر(طول موج بالایی دارند) ودر مدارس و آزمایشگاه ها استفاده میشوند.
HeNeدر یک شیشه با دو انتهای زاویه دار جهت کاهش انعکاس پر شده اند.
بعنوان مدار بسته قدرت یک الکترود تخلیه در میان لوله ها جا گرفته است .
طرز کار لیزر اتمی
اتمهای Heبه سطوح انرژی بالاتحریک شده این اتمها با اتمهای Neبرخورد کرده وباعث می شوند آنها را به سطوح یکسان بیاورند وقتی اتمهای Neبه سطح انرژی پایینتر سقوط می کنند و فوتونهای قرمز رنگ نور لیزر را ساطع می کنند این عمل ادامه پیدا می کندتا زیاد شوند.نوسان اتمها به سمت جلو و عقب ادامه دارد تا مقداری نور از آینه ها که جزئی از اشعه ها را از خود عبور می دهد بصورت تفنگ قرمز رنگ بگذرد.
لیزرهای یونی
محل تحریک روی یونهای حاصل در یک گاز یونیزه انجام می شود
مثالی از این نوع لیزر Arاست

لیزر مولکولی(دی اکسید کربن)
متداولترین نوع لیزر مولکولی لیزر دی اکسید کربن است
بازده حدود ۳۰%
توان پیوسته بالا(تا چند ده کیلو وات)
کاربرد در جوشکاری-برشکاری فولاد-گداخت لیزری -کاربرد نظامی و….
ساخت این لیزر به صورت پالسی و پیوسته امکان پذیر است
با ولتاژ با تحریک می شود

لیزرهای نیمه رسانا
آمیزه ای از پیوند P-Nدارند
نسبت به لیزرهای جامد و گازی ارزانتر وکم حجم ترند
اغلب در ژیروسکوپها برای مخابرات وصنایع نظامی استفاده می شوند

لیزرهای الکترون آزاد
ویژگی
توان خیلی بالا -بازده زیاد-بهای نسبتاًکم-قابلیت تنظیم طول موج عالی

اساس کار لیزر الکترون آزاد
منبع اصلی این نوع لیزر الکترونهایی هستند که سرعتی نزدیک به نور دارند.
تحت شرایط خاص الکترونها انرژی خود را بصورت یک پرتو فوتون در همان جهت القا می کنند.در میدان مغناطیسی متناوب الکترون هاتحت نوسانات عرضی قرار می گیرند که نتیجه اش گسیل خود به خودی الکترونها به سمت جلو ودر طول موج لاندا است.

برش کاری با لیزر
برش کاری از مهمتـریـن کـارهـای ماشـین کاری با لیزر است . یکی از برش کـاری های مخـصوص برش تیتـانیوم است که در کارهای فضایی کاربـرد دارد . در ابتـدای برش کاری پرتو لیزر روی سطح کار کانونی می شـود و نقـش یک قلـم برش را بازی می کند . هـدف در بـرش کاری تـبـخـیـر ماده در یک سطـح بسـیـار باریـک است . در بیـشتـر لیـزرهای برش کـاری از یک جـریـان گاز هم محـور با پرتو استـفاده می شـود که معمولا از اکسیژن اسـتفاده می کنـند . به این طـریق محل، ماشین کاری شده و باایجاد یک واکنش حرارتی، به دلیل ترکیـب اکسیژن با بخار
داغ فـلـز بـه عمـل براده بـرداری کـمـک کرده و سـرعـت بـرش را زیاد می کند . علاوه بر این گاز اکسیـژن کمـک می کند تا ماده مذاب از نقطه برش دور شود . در برش مواد سرامیکی ، پلاستیکی یا چوبی از مسئله اکسیداسیون باید اجتناب کرد و از جریان گاز های بی اثر استـفاده کرد ، در این حالـت فقط انـرژی لیـزر است که باعـث برش مـی شـود . جـدول زیر نرخ برش یا ماده برداشته شده توسط لیزر را نشان میدهد .

مزایای برش کاری با لیزر
۱- موقعیت دهی می تواند بسیار کوچک و مشخص باشد .
۲- سرعت بالا و فرسایش ابزار نداریم .
۳- براحتی اتوماسیون می شود .
۴- حذف ماشین کاری بعدی در اغلب مواد .
۵- مـواد وضـخـامت های مختـلف را می تـوان برش داد ، بـدون ایـنـکه احتیاج به هزینه زیاد وتعویض ابزار باشد .
ماشین کاری ظریف با لیزر
مقـاومـت به روش های مختـلفی ساخته می شود . یـکـی از این روش ها روش فـیــلم نازک است . در این عمـل ماده هـادی ، مثـل نیکـل کـروم ، اکسید قلع و یا نیترات تانتالیم ، روی یک ورق عایق مثل اکسید آلومینیم ( آلومین ) می نشانند وآنرا بیـن دو الکترود قرار می دهند و با برداشـتن ماده از روی سطح ، مقاومت افزایش می یابد و یا توسط برش یا سوراخ کردن ، مقاومت خاصی را ایجاد می کنند .

جوشکاری با لیزر: Laser Welding

جوشکاری یعنی گرم کردن ماده در محل اتصال و در نهایت جوش خوردن پس از سرد شدن.
در این فرآیند باید حرارت چنان کنترل شود که منطقه حرارت دیده تبخیر نشود که این مساله بیشتر در محلهایی که دارای نقاط ذوب مختلف است بیشتر نشان می دهد
فیزیک فرآیند جوشکاری با لیزر:
n شعاع لیزر با شدت ۱۰۰۰۰ وات بر متر مربع به سطح فلز می تابد که بیشتر نور تابیده شده بازتاب می شود و فقط کمی از لیزر جذب لایه های مرزی فلز می شود که با گذشت زمان کافی به کالبد جسم نفوذ پیدا می کند
n هر چی فلز گرمتر شود مقاومت آن ودر نتیجه میزان جذب انرژی بالاتر می رود.
n ناحبه ذوب تا حدودی به صورت نیمکره در می آید به علت جابجایی مذاب وپارامترهای دیگر پهنای جوش یکی دو برابر عمق آن می شود

مزایای جوشکاری با لیزر:
گرم کردن موضعی
فرآیندی غیر تماسی
قابلیت تکرار بالا
عدم فرسایش الکترود و آلودگی
در هوای آزاد می توان انجام داد
امکان جوشکاری فلزاتی با دمای ذوب بالا
امکان جوشکاری فلزات غیر هم جنس
امکان جوشکاری فلزاتی با اشکال هندسی پیچیده
شعاع لیزر تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار نمی گیرد
اعوجاج ناشی از اثرات حرارتی بسیار کم است.
شماتیکی از جوشکاری با لیزر:
تشعشع لیزر از بین گازهای پوشی خاصی که معمولا از بین گازهای نادر می باشد عبور می کند(َ(Ar-Heکه پس از کانونی شدن و عبور از نازل بر روی سطح قطعه قرار می گیرد
علت استفاده از این گاز پوشاندن منطقه جوش و جلوگیری از اکسیداسیون ماده است
همچنین باعث جابجایی مواد تبخیر شده اضافی می شود بخاطر اینکه اگر سطح فلزی خیلی گرم شود باعث یونیزه شدن و ایجاد یک محیط پلاسمایی در سطح قطعه می شود که مانع از رسیدن انرژی لیزر می شود

جوشکاری ظریف: Micro Welding
با توجه با کانونی بودن لیزر در حد چند میکرون قابلیت جوشکاری ظریف وجود دارد

که بیشترین کاربرد در صنعت الکترونیک برای جوشکاری و لحیم کاری است

برای مثال اتصال ترموکوپل به شی که می خواهیم درجه حرارت آن را اندازه گیری کنیم که به سرعت قابل اجراست
جوشکاری با عمق نفوذ:
پرتو پر توان لیزر در آغاز باعث تبخیر مواد در سطح شده و حفره ای به نامkeyhole بوجود می آورد که وقتی انرژی لیزر وارد می شود باعث نفوذ در ماده و عمیق تر شدن حفره می شود که این روش برای جوشکاری با لیزر پیوسته کاربرد دارد
لحیم کاری با لیزر:
در لحیم کاری با لیزر از دو نوع شعاع لیزر همزمان استفاده می شود که هر شعاع به صورت مستقل با موقعیت و انرژی کنترل شده بکار می رود
لحیم کاری با لیزر میتوان تاثیرات حرارتی را محدود کرد
از مزایای این روش :کیفیت بالا و سرعت بالا و اطمینان بالاست
مته کاری(سوراخ کاری):
یکی از قدیمی ترین روش های دریل کاری ظریف بوده که جهت ایجاد سوراخی به قطر ۴٫۷میلی متر روی الماس از لیزر یاقوت استفاده می شد که این سوراخ توسط این روش ۱۰دقیقه طول می کشد ولی توسط روش مکانیکی ۲۴ ساعت لازم است.
دریل کاری زمانی انجام می شود که maxتوان از نقطه جوش ماده بسیار بالاتر رود و مذاب و فشار بخار ماده بیرون می ریزد
پارامترهای اندازه گیری سوراخ:
۱-نسبت عمق سوراخ به قطر سوراخSpect Ratio
۲-قطر مدخل سوراخ به قطر وسط سوراخTaoer Ratio
پمپاژ نوری:
در سوراخکاری اغلب شرایطی بر پروفیل سوراخ اثر می گذارد که این اثر از بازتابش داخلی نور لبزر در هنگام عمیق تر شدن سورلخ حاصل می شود نور لیزر پس از وارد شدن به سوراخ واگرا شده واز دیواره های آن به علت زاویه برخورد کوچک بازتابش می کند زاویه برخورد در ته سوراخ تقریبا عمود است که باعث جذب بیشترین نور در این منطقه می شود
برای عمیق تر شدن سوراخ پس از هر پالس باید اشعه لیزر مجددا متمرکز شود
عیبی که در تمرکز مجدد است این است که با توجه به پمپاژ نوری سوراخ مستقیم بدست نمی آید.

خط اندازی :
خط حساب شده ای روی سطح کار توسط توسط لیزر ایجاد می شود که مقدمه شکستن است به مانند برش شیشه توسط لیزر

از لیزر بیشتر برای جدا کردن المانهایی روی سیلیکون و یا مدارهای مجتمع کاربرد دارد که خیلی دقیق تر از جدا کردن با الماس است
حکاکی:
n در این فرآیند باید مقدار کمی از لیزر به سطح کار به شکل جارو کردن(scan) برخورد کند که معمولا توسط کامپیوتر قابل کنترل است.
در این روش از لیزر پالس و CO2 پالس و پیوسته استفاده می شود
کنده کاری:
در این روش مواد تردی مثل شیشه و سیلیسیم و سرامیک در طول یک مسیر کنده کاری می شود و برداشته می شود
روش کار به این صورت است کا وقتیکه تنش روی جسم به اندازه کافی زیاد شود شکستی در طول مسیر رخ می دهد .
عملیات حرارتی به کمک لیزر:
الف :سخت کاری سطحی:surface Harding
عمده ترین کاربرد عملیات حرارتی با لیزر سخت کاری سطحی است که برای مواد آهنی به صورت گرم کردن تا نقطه بحرانی و سرد کردن سریع می باشد.

به این صورت که در استیل ۴% کربن فاز آستنیت از ۷۲۳ درجه سانتیگراد شروع می شود و در ۸۰۰ درجه سانتیگراد کامل می شود(در آستنیت کربنها به صورت یکنواخت توزیع می شوند) اگر فاز آستنیت سریعا سرد شود مارتنزیت بدست می آید.

در عملیات حرارتی به کمک لیزر دو مشکل وجود دارد:
۱٫درجه حرارت بیش از حد مورد نیاز برای فاز آستنیت
۲٫خاموش کردن این فاز (به کمک سیستم های خنک کننده سریع)
آلیاژ دهی و روکش دهی سطحی:
در این فرآیند ابتدا سطح مذاب شده و در نهایت مواد آلیاژ دهی به سطح اضافه می شود تا ترکیب شیمیایی دهد که توسط دانسیته سطحی توان و زمان فرآیند کنترل می شود.(با نرخ تبرید بالا سطح قطعه ساختمان ریز و همگن بدست می آید)

توان و زمان فرآیند هم ۲الی۳برابر سختی دهی سطحی است.
ویژگیها:
۱٫تک رنگی عالی:دارای یک فرکانس و طول موج یکسان است.
۲٫موازی بودن عالی:انحراف خیلی ناچیز در حد ۰٫۰۱تا۰٫۰۰۰۱
۳٫قابلیت تمرکز شدید با چگالی قدرت زیاد: S=f.
۴٫درخشان بودن
۵٫پیوسته بودن:هم فاز و هم فرکانس
مزایا:
عدم تماس ابزار با قطعه
مکان جوشکاری مناطق دور از دسترس
امکان ذوب هر قطعه ای
قابلیت جوشکاری مواد ناهمگون
قابلیت جوشکاری مواد سخت و شکننده
قابلیت جوشکاری در هر شرایط جوی
ناحیه حرارت دیده کوچکتر
امکان ماشین کاری وسوراخ کاری کوچک و جوشکاری دقیق
استفاده از مواد شفاف و قابل رویت در محل ماشین کاری
انجام فرآیند با سرعت بالا
صدا و ارتعاش در کمترین حد است
شعاع لیزر تحت تاثیر میدانهای الکتریکی و مغناطیسی قرار نمی گیرد

معایب:
مخروطی شدن سوراخ
مشکل بودن کنترل اندازه سوراخ
عمر کم لامپهای مولد
هزینه بالای اولیه دستگاه
نیاز به اپراتور ورزیده