ماشینکاری با لیزر

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 و دارای انرژی متمرکز در سطح مقطع کوچک.
کاربرد لیزر :
نور لیزر کاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله تحقیقات فیزیک ، اندازه گیری ، پزشکی ، ساخت و… دارد

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 اینیشتین (اوایل قرن ۲۰ بر مبنای تئوری خواص)
تقویت نور با استفاده از تخلیه گازها (۱۹۴۰-۱۹۵۱ توسط دانشمندان روسی)
تولید و تقویت فرکانسها بر اساس تشعشعات الکترومغناطیسی (۱۹۵۲ به طور مستقل توسط دانشمندان روس امریکا و کانادایی)
بردن ذرات به حالت ناپایدار توسط سیستم های تحریک شده در سه تراز انرژی (۱۹۵۵ دانشمندان روس)
ساخت اولین لیزر یاقوتی (۱۹۶۰ توسط میمن)
اختراع اولین لیزر گازی که مخلوطی از گاز های هلیم و نیتروژن بود (۱۹۶۱ توسط دانشمند ایرانی الاصل علی جوان و دو 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 اینیشتین (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 و فرایند 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 ۱۰۰ درصد آینه 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 اتم های این جسم شده و این امواج در برخورد با جدار های لوله مرتبا منعکس شده و امواج منعکس شده اتم را مجددا تحریک می کنند . بطوریکه وقتی 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 .

انواع لیزر

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

طرز کار لیزر جامد
معمولا جسم جامد مورد استفاده کریستالهای اکسید آلومینیوم می باشد که 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 کند که با نور شدید خود کریستالهای اکسید آلومینیوم را تحریک کرده و یونهای فعال ناخالص کروم جایگزین اتمهای AL در شبکه می شود که تعداد بیش از نیمی از یونها باید در تراز بالاتر تحریک شوند و این 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 نور و 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 باشند چنین محل هایی 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 فرایند 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

لیزر های 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 اتم ها 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 لیزر های گازی
لیزر اتمی
لیزر یونی
لیزر مولکولی

لیزر اتمی
متداول ترین لیزر اتمی HeNe است نوعاً مقدار He برابر Ne است.
لیزر های HeNe کوچک نسبتا ًارزان هستند و بی خطر (طول موج بالایی دارند) و در مدارس و آزمایشگاه ها استفاده میشوند.
HeNe در 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 He به سطوح انرژی بالا تحریک شده این اتمها با اتمهای Ne برخورد کرده و باعث می شوند آنها را به سطوح یکسان بیاورند وقتی اتمهای Ne به 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.
لیزر های یونی
محل تحریک روی یونهای حاصل در یک گاز یونیزه انجام می شود
مثالی از این نوع لیزر Ar است

لیزر مولکولی (دی اکسید کربن)
متداول ترین 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

لیزر های نیمه رسانا
آمیزه ای از پیوند P-N دارند
نسبت به لیزر های جامد و گازی ارزانتر و کم حجم ترند
اغلب در ژیروسکوپها برای مخابرات وصنایع نظامی استفاده می شوند

لیزر های 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 ها تحت نوسانات عرضی قرار می گیرند که نتیجه اش گسیل خود به خودی الکترونها به سمت جلو و در 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 کار های 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 لیـزر های 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 با ایجاد 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 .

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 و تعویض 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

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 فاتی با دمای ذوب بالا
امکان جوشکاری فات غیر هم جنس
امکان جوشکاری فاتی 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 گاز های پوشی خاصی که معمولا از بین گازهای نادر می باشد عبور می کند (َAr-He که 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 فی 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
در لحیم کاری با لیزر میتوان تاثیرات حرارتی را محدود کرد
از مزایای این روش : کیفیت بالا و سرعت بالا و اطمینان بالاست

----------------------------------

موفق و پیروز باشید