جوشکاری لیزری یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های جوشکاری در صنعت مدرن است که به دلیل دقت بالا، کیفیت جوش فوق‌العاده، سرعت فرآیند و قابلیت اتوماسیون گسترده، به‌طور گسترده در صنایع خودروسازی، هوافضا، پزشکی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در قلب این فناوری، لیزر به‌عنوان منبع حرارتی ایفای نقش می‌کند. انتخاب نوع مناسب لیزر، تأثیر مستقیم بر کیفیت جوش، عمق نفوذ، سرعت فرآیند و کارایی کلی دارد. در این مقاله به معرفی انواع لیزرهای پرکاربرد در جوشکاری لیزری، مزایا و معایب هرکدام، و کاربردهای آن‌ها پرداخته می‌شود.
اصول کلی جوشکاری لیزری
در فرآیند جوشکاری لیزری، پرتو متمرکز لیزر بر روی سطح قطعه تابیده می‌شود. این پرتو انرژی زیادی را در ناحیه‌ای بسیار کوچک متمرکز می‌کند که باعث ذوب شدن فلز در آن نقطه می‌گردد. پس از خنک شدن، مواد به‌صورت یکپارچه به هم جوش می‌خورند. این روش می‌تواند به دو صورت انجام گیرد:
1. جوشکاری رسانشی (Conduction mode): در توان‌های پایین‌تر، گرما از سطح به داخل ماده هدایت می‌شود و عمق جوش کم است.
2. جوشکاری نفوذی (Keyhole mode): در توان‌های بالا، تبخیر موضعی فلز رخ می‌دهد و سوراخی بخارگونه (keyhole) ایجاد می‌شود که موجب نفوذ عمیق‌تر لیزر و جوش عمیق‌تر می‌گردد.
انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری لیزری
لیزر CO₂ (دی‌اکسید کربن)
لیزر CO₂ یکی از قدیمی‌ترین و درعین‌حال قدرتمندترین انواع لیزرهای گازی است که از مخلوطی از گازهای دی‌اکسید کربن (CO₂)، نیتروژن (N₂) و هلیوم (He) به‌عنوان محیط فعال استفاده می‌کند. این لیزر در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافت و هنوز هم در بسیاری از کاربردهای صنعتی به‌دلیل توان بالا، کارایی مناسب و قابلیت جوشکاری مواد غیر فلزی، پرکاربرد باقی مانده است.
ویژگی ها:
- طول موج: 10.6 میکرومتر
- منبع گازی
- توان بالا (تا چندین کیلووات)
مزایا:
- توان بالا و مناسب برای جوشکاری مواد ضخیم
- امکان جوشکاری با سرعت بالا
- مناسب برای جوشکاری مواد غیرفلزی مانند پلاستیک، شیشه و سرامیک
معایب:
- بازتاب زیاد از فلزات براق مانند آلومینیوم و مس
- نیاز به آینه‌های خاص برای هدایت پرتو
- حجم بالا و نگهداری پیچیده
کاربردها:
- صنایع سنگین، هوافضا، ساخت قطعات صنعتی بزرگ
لیزر Nd:YAG (نئودیمیم: یاقوت آلومینیومی)
لیزر Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet) یکی از معروف‌ترین و پرکاربردترین لیزرهای حالت جامد در صنعت جوشکاری لیزری است. محیط فعال این لیزر، یک بلور یاقوت مصنوعی از جنس YAG است که با یون‌های نئودیمیم (Nd³⁺) دوپ شده است. این لیزر در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافت و به دلیل توانایی بالا در تمرکز نور، کار در هر دو مد پالسی و پیوسته، و قابلیت انتقال از طریق فیبر نوری، تا مدت‌ها استاندارد طلایی در جوشکاری‌های دقیق بود.
ویژگی‌ها:
- طول موج: 1.064 میکرومتر
- حالت جامد
- قابل استفاده در دو حالت پالسی و پیوسته
مزایا:
- مناسب برای جوشکاری فلزات بازتابنده
- قابلیت هدایت از طریق فیبر نوری
- مناسب برای کارهای دقیق و جوش نقطه‌ای
معایب:
- راندمان پایین (زیر 5 درصد)
- نگهداری پرهزینه
- نیاز به خنک‌سازی مناسب
کاربردها:
- جوشکاری قطعات الکترونیکی، صنایع پزشکی، ساعت‌سازی
لیزر دیودی (Diode Laser)
لیزر دیودی (Diode Laser) نوعی لیزر نیمه‌رسانا است که از دیودهای الکترونیکی برای تولید پرتو لیزر استفاده می‌کند. این لیزرها از نظر ساختار بسیار جمع‌وجور، سبک و کم‌مصرف هستند و به‌دلیل راندمان بالا و هزینه نگهداری پایین، امروزه به‌طور گسترده در صنایع مختلف، از جمله جوشکاری فلزات نازک و مواد غیرفلزی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اگرچه لیزر دیودی معمولاً توان پایین‌تری نسبت به لیزرهای CO₂ یا فیبری دارد، اما در بسیاری از کاربردهای سبک و دقیق، به‌ویژه در جوشکاری دقیق و جوشکاری با گرمای کنترل‌شده، یک انتخاب عالی محسوب می‌شود
ویژگی‌ها:
- طول موج متغیر (معمولاً بین 800 تا 1000 نانومتر)
- حالت جامد
- راندمان بالا
مزایا:
- ساختار جمع‌وجور و قابل حمل
- راندمان نوری-الکتریکی بالا (تا 50٪)
- مناسب برای جوشکاری با توان متوسط و نازک‌کاری
معایب:
- توان خروجی نسبتاً محدود (در مقایسه با لیزر فیبری یا CO₂)
- کیفیت پرتو کمتر در مدل‌های اولیه
کاربردها:
- پزشکی، بسته‌بندی، الکترونیک، جوشکاری قطعات پلاستیکی
لیزر فیبری (Fiber Laser)
لیزر فیبری (Fiber Laser) نسل جدیدی از لیزرهای حالت جامد است که در آن محیط فعال به جای بلور یا گاز، یک فیبر نوری دوپ‌شده با عناصر خاکی کمیاب (مانند Ytterbium، Erbium یا Thulium) است. لیزرهای فیبری به دلیل راندمان بالا، کیفیت پرتو فوق‌العاده، طول عمر زیاد، و نیاز کم به نگهداری، به‌سرعت به محبوب‌ترین نوع لیزر در جوشکاری صنعتی تبدیل شده‌اند. آن‌ها توانسته‌اند در بسیاری از کاربردها جایگزین لیزرهای سنتی مانند Nd:YAG و CO₂ شوند
ویژگی‌ها:
- طول موج: 1.06 میکرومتر
- تقویت در فیبر نوری دوپ‌شده با عناصر خاکی کمیاب (اغلب Ytterbium)
مزایا:
- راندمان بالا (بیش از 30٪)
- کیفیت پرتو بسیار خوب (مناسب برای تمرکز بالا)
- قابلیت انتقال از طریق فیبر نوری با حداقل افت توان
- نیاز به نگهداری کم، عمر طولانی
معایب:
- هزینه اولیه بالا
- حساسیت به شکست فیبر در شرایط سخت صنعتی
کاربردها:
- خودروسازی، هوافضا، تولید انبوه، جوشکاری فلزات نازک و ضخیم
لیزرهای دیسکی (Disc Laser)
این دسته از لیزرها با استفاده از ساختاری نازک و دیسکی‌شکل، پرتوهایی با توان بالا و کیفیت فوق‌العاده تولید می‌کنند. به همین دلیل، آن‌ها برای جوشکاری فلزات و ایجاد جوش‌های عمیق با سرعت بالا بسیار مناسب هستند.
مزایای لیزر دیسکی
- لیزرهای دیسکی نسبت به سایر انواع لیزرهای حالت جامد مانند لیزرهای میله‌ای یا فیبری مزایای متعددی دارند:
- توان بالا با کیفیت پرتو مطلوب: طراحی اپتیکی و گرمایی لیزر دیسکی امکان تولید پرتو با توان بالا و حالت تابشی نزدیک به گوسی را فراهم می‌کند.
- خنک‌سازی مؤثر: انتقال حرارت به صورت عمود بر مسیر اپتیکی باعث افزایش بهره‌وری خنک‌سازی و پایداری طولانی‌مدت می‌شود.
- مقیاس‌پذیری: با تکرار دیسک‌های فعال و افزایش توان پمپ، می‌توان توان خروجی را بدون افت کیفیت پرتو افزایش داد.
- کارایی بالا: استفاده از یبتروم-دوپ‌شده در ساختار فعال باعث بازدهی بالا در تبدیل نور پمپ به لیزر می‌شود.
کاربردها
- با توجه به ویژگی‌های فوق، لیزرهای دیسکی در زمینه‌های گوناگونی مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله:
- برش و جوشکاری صنعتی: توان بالا و دقت بالای این لیزرها برای برش فلزات ضخیم و جوشکاری قطعات حساس ایده‌آل است.
- پزشکی: در جراحی‌های دقیق و درمان‌های پوستی، استفاده از لیزرهای دیسکی در حال گسترش است.
- صنایع نظامی و هوافضا: برای سامانه‌های دفاعی، هدف‌گیری دقیق و سامانه‌های اپتوالکترونیکی پیشرفته.
- تحقیقات علمی: به دلیل کیفیت پرتو عالی، این لیزرها در تجربیات فیزیک پلاسما، طیف‌سنجی و لیزرهای فوق‌سریع استفاده می‌شوند.
لیزر نیتروژن (Nitrogen Laser)
این نوع لیزر معمولاً برای جوشکاری قطعات فلزی ضخیم در شرایط دمای پایین به کار گرفته می‌شود. با انتشار نور فرابنفش در حدود ۳۳۷ نانومتر، کاربردهای ویژه‌ای همچون طیف‌سنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS) و لایه‌برداری لیزری را ممکن می‌سازد؛ هرچند استفاده از آن در جوشکاری به موارد خاص محدود است.
مزایا
- ساختار ساده و بدون نیاز به کاواک نوری
- قیمت پایین در مقایسه با لیزرهای دیگر
- پالس‌های بسیار کوتاه برای کاربردهای زمانی
- توانایی تحریک لیزرهای دیگر (مانند رنگینه‌ای)
- عملکرد در فشار اتمسفری
معایب
- طول عمر نسبتاً کوتاه قطعات تخلیه الکتریکی
- نیاز به ولتاژ بالا برای راه‌اندازی
- کارایی پایین در تبدیل انرژی الکتریکی به نور لیزر
- فقط در ناحیه UV عمل می‌کند (طول موج محدود)
کاربردها
لیزر نیتروژن به دلیل ویژگی‌های خاص خود در زمینه‌های مختلفی استفاده می‌شود:
- تحقیقات علمی و آموزشی: به دلیل ساختار ساده، یکی از محبوب‌ترین لیزرها برای آموزش و پژوهش‌های دانشگاهی است.
- تحریک لیزرهای رنگینه‌ای: برای پمپ کردن (تحریک) لیزرهای رنگی که در طیف‌های مختلف کار می‌کنند.
- طیف‌سنجی فلورسانس (LIF): در تحقیقات پلاسما، محیط‌های شیمیایی و زیستی.
- تشخیص آلودگی‌ها و مواد شیمیایی: از طریق برانگیختن تابش فلورسانس مواد مختلف.
- تصویربرداری با وضوح بالا: به دلیل پالس کوتاه و انرژی بالا، برای ثبت رویدادهای سریع مانند جرقه، پلاسما یا برخورد ذرات.
لیزرهای اگزایمر (Excimer Laser)
این لیزرها با ساطع کردن نور فرابنفش (UV) به ویژه در فرایندهای میکروجوشکاری، همچون کاربردهای الکترونیک و پزشکی، کاربرد گسترده‌ای دارند.
ویژگی‌ها و مزایا
- پرتو UV پرانرژی: مناسب برای برش مواد بدون ایجاد حرارت زیاد (برش سرد).
- پالس‌های کوتاه و قدرتمند: زمان پالس معمولاً در حد نانوثانیه است.
- عدم آسیب حرارتی: مناسب برای مواد حساس به گرما.
- توانایی ایجاد ساختارهای دقیق در مقیاس نانو تا میکرون.
معایب
- نیاز به گازهای خطرناک (مثل فلوئور): ایمنی بالا و تهویه مناسب الزامی است.
- پیچیدگی و هزینه بالا: سیستم‌های راه‌اندازی، کنترل گاز و تخلیه نیازمند طراحی دقیق هستند.
- نگهداری پرهزینه: به دلیل واکنش‌پذیری بالا، قطعات داخلی نیاز به تعویض منظم دارند.
کاربردها
پزشکی:
- عمل جراحی چشم (LASIK): برای شکل‌دهی دقیق به قرنیه.
- درماتولوژی: درمان زخم‌ها و ضایعات پوستی با دقت بالا.
صنعت:
- میکرولیتوگرافی در ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی: استفاده از لیزر ArF در لیتوگرافی نوری پیشرفته (EUV پیش از EUV).
- برش و حکاکی مواد حساس مانند پلیمرها، شیشه، و سرامیک.
علوم و پژوهش:
- طیف‌سنجی جذب گذرا و تحریک فلورسانس.
- ایجاد پلاسما یا تجزیه مواد در تحقیقات محیطی.
لیزر دایود (Diode Laser)
لیزر دایود اغلب به‌عنوان انتخابی مناسب برای جوشکاری قطعات فلزی با ضخامت کمتر از ۲ میلی‌متر مطرح است. این دستگاه با بهره‌گیری از دیودهای نیمه‌هادی، پرتوهایی با طیف‌های متنوع نوری تولید می‌کند. طراحی جمع و جور و کارآمد این لیزرها همراه با کیفیت بالای پرتو، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای جوشکاری نقطه‌ای و درزهای فلزی تبدیل کرده است.
مزایا
- هزینه تولید پایین
- طول عمر بالا (تا ده‌ها هزار ساعت)
- قابل حمل و سبک
- مصرف انرژی پایین
- پاسخ سریع (مناسب برای مدولاسیون پرسرعت)
معایب
- واگرایی زیاد پرتو خروجی
- حساسیت به دما (تغییر طول موج با تغییر دما)
- نویز فازی در برخی مدل‌ها
- کیفیت پرتو پایین‌تر نسبت به لیزرهای حالت جامد یا گازی
کاربردها
1. الکترونیک مصرفی:
اسکنر بارکد، نشانگر لیزری، ماوس لیزری
2. مخابرات نوری:
ارسال اطلاعات از طریق فیبر نوری با سرعت بالا
3. پزشکی:
جراحی بافت نرم، درمان درد، حذف موهای زائد
عوامل تعیین‌کننده در انتخاب روش های جوشکاری لیزری
- تطبیق‌پذیری مواد
هر ماده دارای خصوصیات و ضخامت‌های منحصر به فردی است. بررسی دقیق مشخصات ماده پیش از تعیین نوع لیزر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. لیزرهای فایبر به دلیل تطبیق‌پذیری بالا با طیف وسیعی از مواد، برای ایجاد جوش‌های عمیق بسیار مناسب هستند.
- تنظیمات یکپارچه
ویژگی‌های اتصال یا نوع جوش، در تعیین روش مناسب جوشکاری نقش بسزایی دارند. برخی از انواع لیزر برای اجرای جوش‌های تخصصی کارایی بهتری دارند. استفاده از جوش فایبر می‌تواند گزینه‌ای ممتاز برای دستیابی به کیفیت بالا در جوشکاری به شمار رود.
- سرعت فرایند جوشکاری
نیازهای تولید و میزان حجم کار، عوامل مهمی در انتخاب روش جوشکاری محسوب می‌شوند. چندین نوع لیزر به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند عملیات تولید را با سرعت و حجم بالا پشتیبانی کنند. لیزرهای فایبر دیسکی، به واسطه کیفیت برتر پرتو، قادر به ایجاد جوش‌هایی هم‌زمان سریع و با کیفیت هستند.
- اثرات حرارتی
تأثیر حرارت بر اجزای مجاور نیز نباید نادیده گرفته شود. روش‌های مشخصی وجود دارند که تولید حرارت کمتری دارند و به کاهش ناحیه تحت تأثیر حرارتی کمک می‌کنند. به دلیل تأثیر حرارتی اندک بر محیط اطراف، جوشکاری لیزری پالسی به عنوان گزینه مناسبی شناخته می‌شود.
در پایان
انتخاب منبع لیزر مناسب برای جوشکاری به عوامل مختلفی نظیر جنس ماده، ضخامت، کیفیت مورد نظر، سرعت فرآیند و هزینه‌های نگهداری بستگی دارد. لیزر فیبری در حال حاضر به‌دلیل راندمان بالا، کیفیت پرتو ممتاز و انعطاف‌پذیری بالا، یکی از پرکاربردترین منابع در جوشکاری صنعتی مدرن است. با این حال، هر نوع لیزر جایگاه خاص خود را دارد و در کاربردهایی مانند جوشکاری غیر فلزات، یا نیاز به توان بسیار بالا، لیزر CO₂ همچنان گزینه مناسبی باقی می‌ماند.