در این بخش فرآیندهای ماشینکاری با لیزر را به همراه پارامترهای مهم آن ها بررسی می کنیم.

سوراخ کاری لیزری

این نوع سوراخ کاری خود به دو روش انجام می شود.

روش اول سوراخ کاری ضربه ای نام دارد که در این روش به طور معمول سوراخ کاری توسط لیزر Nd:YAG انجام می گیردچون این نوع لیزر در هر پالس انرژی بیشتری را تولید می کند.علاوه براین از این نوع لیزر برای ایجاد سوراخ هایی با قطر کم تر از 3/1 میلی متر در قطعاتی که ضخامت آن ها کم تر از 25 میلی متر استفاده می شود. در این روش سوراخ مانند زمانی که با کوبیدن میخ با چکش در قطعه ایجاد می شود توسط لیزر با تمرکز به یک نقطه ایجاد می شود. در این روش پارامترهای مهمی وجود دارد که در این جا با آن ها آشنا می شویم:

• توان : برای ایجاد سوراخ به روش ضربه ای به 100 تا 250 وات توان نیاز است.
• طول پالس : طول پالس در کیفیت ایجاد سوراخ بسیار اهمیت دارد. هر قدر مقدار طول پالس کم تر باشد ماکزیمم انرژی هر پالس کاهش می یابد. به طور معمول طول پالس ها از 5/0 تا 2 هزارم ثانیه می باشند.
• فرکانس پالس : فرکانس پالس در لیزر CO2 به طور ماکزیمم تا 100 هرتز است و در لیزر پاگ از 5 تا 20 هرتز است.
• انرژی پالس : انرژی پالس را براساس ضخامت قطعه و قطر سوراخ انتخاب می کنند. هر چقدر انرژی پالس افزایش پیدا کند نرخ سوراخ کاری هم زیاد می شود اما از کیفیت سوراخ کاری کم می شود.
• لنز متمرکزکننده ی لیزر : این لنز فاصله کانونی را تعیین می کند و براساس آن قطر سوراخ را تنظیم می کنند. زمانی که قطعه ضخامت بیشتری دارد باید از لنزهایی که فاصله کانونی بیشتری دارند استفاده شود. فاصله کانونی لنزها به طور معمول از 100 تا 250 میلی متر هستند.
• موقعیت نقطه کانونی یا محل تمرکز پرتو : نقطه ای که برای تمرکز پرتو انتخاب می شود می تواند بالاتر ,پایین تر و یا روی قطعه باشد البته معمولا در فاصله ی 5 تا 15 درصد ضخامت قطعه انتخاب می شود.
• جت گاز : سوراخ کاری ضربه ای به دو روش انجام می گیرد در یکروش بدون جت گاز و در روش دوم با کمک جت گاز انجام می گیرد. در این روش باید از لنز در مقابل ذرات مذاب و حرارت محافظت کرد. از گاز اکسیژن برای ایجاد حرارت بیش تر رو فلزات و افزایش نرخ سوراخ کاری بهره مب برند همچنین از هوا و گازهای بی اثر نیز به عنوان گازهای کمکی بهره می برند. در این روش قطر خروجی نازل از 5/2 تا 6 میلی متر است و فاصله ی آن تا قطعه کار 4 تا 40 میلی متر است.

در روش دوم که به آن سوراخ کاری با روش Trepanning می گویند به طور معمول برای ایجاد سوراخ های بالای یک میلی متر استفاده می شود . این نوع سوراخ کاری را می توان هم با لیزر CO2 و هم با لیزر پاگ در هر دو حالت خروجی پیوسته و پالسی انجام داد. در این روش به مرکزیت سوراخ نهایی و در ادامه محیط آن دایرهای نازکه به قطر لیزر بریده می شود و با خروج ماده میانی سوراخ پدیدار می شود. در این روش نیز پارامترهای مهمی وجود دارند که با آن ها آشنا می شویم :

• توان : در این نوع سوراخ کاری قطعه و یا هد لیزر را جابه جا می شود تا محیط سوراخ را دوربری کنند به همین دلیل باید توان لیزر به حدی باشد تا در زمان جابه جایی هم قدرت برندگی خود را از دست ندهد.
• طول پالس : طول پالس که با توجه به ضخامت , جنس قطعه و هم چنین نوع لیزر انتخاب می شود. هر چقدر ضخامت قطعه افزایش پیدا می کند از طول پالس های بلندتر استفاده می شود. در لیزرهای پاگ و مونواکسیدکربن طول پالس کم تر از دوهزارم ثانیه می باشد.
• فرکانس پالس : فرکانس پالس نرخ سوراخ کاری را تنظیم می کند و هر چقدر میزان ضخامت قطعه افزایش پیدا می کند فرکانس پالس در مقادیر کم تر تنظیم می شود.
• فاصله کانونی لیزر : این فاصله با ضخامت قطعه تنظیم می شود . با افزایش ضخامت قطعه فاصله کانونی کاهش پیدا می کند تا به بازتابش قطعه کار غلبه کند. فاصله کانونی در لیزرهای پاگ مشابه فاصله کانونی در روش سوراخ کاری ضربه ای است و در لیزرهای CO2 روی 125 میلی متر و یا کم تر تنظیم می شوند.
• جت گاز : در این روش سوراخ کاری نیز از گازهای اکسیژن , بی اثر و هوا می توان بهره برد. فشار جت روی کیفیت سوراخ کاری تاثیر دارد و برای اکسیژن 10 تا 350 کیلوپاسکال و برای هوا و گازهای بی اثر 200 تا 620 کیلوپاسکال است. قطر خروجی گاز از 75/0 تا 5/2 میلی متر است و فاصله آن از قطعه کار هم از 0 تا 15 میلی متر تنظیم می شود . قطرخروجی و فاصله آن از قطعه کار به عواملی مانند نوع لیزر , طراحی نازل و دبی جریان بستگی دارد و در لیزرهای پاگ چیزی در حدود 5 میلی متر است.

برش لیزر

در دستگاه های برش لیزر از هر دو مادی فعال مونوکسیدکربن و پاگ و در دوحالت خروجی پیوسته و پالسی می توان استفاده کرد. دستگاه های برش لیزر مونوکسیدکربن نرخ برش کاری بالایی دارند به همین دلیل از این نوع لیزر بیشتر استفاده می شود برای برش قطعات ضخیم تردر حالت خروجی پیوسته قرار می گیرد و برای برش قطعات نازک تر در حالت پالسی استفاده می شود.
لیزر پاگ با خروجی پالسی را برای برش قطعات ضخیم سوپر آلیاژها استفاده می کنند علاوه براین بسیاری از فلزات سخت را تنها می توان با لیزر پاگ برش داد. در برش کاری با لیزر نیز پارامترهای مهمی وجود دارند که تعدادی از آن ها را عبارت اند از :

• توان متوسط : در لیزر مونوکسیدکربن برای برش کاری در حالت خروجی پیوسته از 250 تا 5000 وات و در حالت پالسی از 100 تا 2000 وات لازم است . در لیزرهای پاگ نیز در حالت پالسی 100 تا 400 وات لازم است.
•  طول پالس : در هر دو نوع لیزر پاگ و مونوکسیدکربن طول پالس در برش لیزر یکسان است و حتی در قطعات نازک از طول کوج های کم تر از 75/0 هزارم ثانیه هم استفاده می شود. در طول پالس های کوتاه مقدار ماکزیمم انرژی آزاد شده در هر پالس کم می شود و در قطعات ضخیم تر از طول پالس های بلندتر و انرژی بیشتر استفاده می کنند.
•  فرکانس پالس : هرچه قطعه ای که می خواهیم برش کاری کنیم ضخیم تر باشد فرکانس پالس را روی مقادیر بیشتر تنظیم می کنیم. این مقادیر در لیزرهای مونوکسیدکربن از 200 تا 500 هرتز و در لیزرهای پاگ از 30 تا 100 هرتز است.
•  انرژی پالس : در قطعه های ضخیم همان طور که طول پالس افزایش می یابد انرژی پالس را نیز افزایش می دهند. لیزرهای مونوکسیدکربن در فرکانس های پایین به ازای هر پالس بلند دو ژول انرژی تولید می کنند. لیزرهای پاگ زمانی که از ماکزیمم توان دستگاه استفاده می کنند که 80 ژول می شود.
•  انتخاب لنز : بر اساس عواملی مانند قطرپرتوی لیزر, جنس و ضخامت قطعه کار لنزها را انتخاب می کنند.برای برش موادی مانند آلومینیوم باید خطوط برش پهنای بیش تری داشته باشند و از لنزهایی که فاصله کانونی زیادی دارند بهره برد. در لیزرهای مونوکسیدکربن برای برش قطعاتی که ضخامتشان از 6 میلی متر کم تر است از لنزهایی با فاصله کانونی 65 میلی متر استفاده می کنند. برای قطعات با ضخامت 5 تا 8/15 میلی متر از لنزهایی با فاصله کانونی 125 میلی متر و برا ضخامت های بیشتر از 13 میلی متر از لنزهایی با فاصله کانونی 190 تا 250 میلی متر استفاده می کنند. در لیزر پاگ برای قطعاتی با ضخامت کم تر از 3 میلی متر از لنزهایی با فاصله کانونی 100 میلی متر و برای قطعاتی با ضخامت 25 میلی متر از لنزهایی با فاصله کانونی 150 تا 250 میلی متر و برای قطعات ضخیم تر نیز از لنزهایی با فواصل کانونی بیشتر بهره می برند. البته همه این اعداد و ارقام برای مواقعی است که پرتوهای لیزر دارای قطر 13 تا 25 میلی متر باشند.
•  جت های گاز : در هنگام برش کاری با لیزر برای پاک کردن فلز ذوب شده از محل برش از گازهایی مانند اکسیژن , هوا و یا گاز خنثی استفاده می کنند که به طور معمول از گاز اکسیژن برای تولید حرارت و نرخ برش کاری بیش تر بهره می برند. زمانی که در برش لیزری از جت اکسیژن استفاده می کنند از فشار 100 تا 350 کیلوپاسکال و برای ایجاد سطوح برش خورده بدون اکسیداسیون از گازهای بی اثر مانند هلیوم با فشار 200 تا 620 کیلوپاسکال بهره می برند.

جوش کاری با لیزر

برای ایجاد جوش لیزر لبه ی قطعات را کنار هم قرار می دهند و حوضچه مشترک روی آن ها ایجاد می کنند که امکان اتصال دو قطعه به هم را فراهم می کند. عوامل زیادی در ایجاد این حوضچه ی مذاب و عمق و اندازه آن موثرند که اپراتور با بهینه سازی آن ها می تواند حوضچه ای کوچک و بهینه ایجاد کند و با استفاده از آن قطعات ظریف و حساسی مانند جواهرات و یا ورق های نازک فلزی طوری جوش کاری می کنند که در برخی مواقع حتی رد جوش لیزر دیده نمی شود. جوش لیزر را می توان با هر دو نوع لیزر مونوکسید و پاگ در دو حالت خروجی پیوسته و پالسی ایجاد کرد که بر اساس نوع ماده , ضخامت و طرح اتصال نوع آن را انتخاب می کنند.

پارامترهای موثر بر جوش لیزر

•  توان : در جوش لیزر توان بر میزان نفوذ اشعه و نرخ باردهی تاثیر زیادی دارد. لیزرهای مونوکسیدکربن نسبت به لیزرهای پاگ میانگین توان خروجی بیشتری دارند و توانایی ایجاد جوش های عمیق تر را نیز دارا هستند.
•  طول پالس : در جوشکاری لیزری طول پالس باید به گونه ای تنظیم شود که علاوه بر کنترل حجم مذاب , نرخ خنک کاری را نیز بهینه باشد. طول پالس در لیزرهای پاگ از 2 تا 10 هزارم ثانیه و در لیزرهای مونوکسیدکربن از مقادیر کم تر از 5/0 تا 5 هزارم ثانیه است. هر چقدر میزان طول پالس افزایش پیدا می کند نرخ خنک کاری و تنش های ناشی از انجماد مذاب کاهش پیدا می کند به همین دلیل در قطعات حساس طول پالس های بلندتر را انتخاب می کنند.
•  فرکانس پالس : این پارامتر بر عواملی مانند سرعت جوش کاری , نرخ خنک کاری و میزان همپوشانی موثر است.
•  انرژی پالس : در جوش کاری با لیزر به انرژی کم تری نسبت به برش کاری نیاز است انرژی بیش از اندازه در جوش کاری موجب می شود حجم مواد مذاب افزایش پیدا کند و کیفیت جوش کاری پایین بیاید.
•  لنز : لنز انتخابی برای جوش کاری به روی اندازه ی حوضچه ی مذاب تاثیر می گذارد. در مواردی که لبه های قطعات با هم فیت نیستند برای جوشکاری نیاز به حوضچه ی مذاب بزرگتری است که برای ایجاد حوضچه بزرگتر باید از لنزهایی که دارای فواصل کانونی بیشتر استفاده کرد. در لیزرهای مونوکسیدکربن برای توان های کم تر از لنزهایی استفاده می کنند که فاصله کانونی 125 میلی متر دارند و در لیزرهای پاگ از لنزهایی با فواصل کانونی 63 تا 200 میلی متر استفاده می کنند. هر چقدر توان افزایش پیدا کند فواصل کانونی لنزهای مصرفی نیزافزایش پیدا می کند.

نوسان های پرتو لیزر

همان طور که قبل از این اشاره کردیم درجوش کاری قطعاتی که لبه های قطعات با هم فیت نیستند نیاز به حوضچه های جوش بزرگتر داریم. برای این کار می توان با تاباندن طولانی پرتوی لیزر در یک نقطه ثابت حوضچه ای بزرگتر و عمیق تر را ایجاد کرد. اما بهتر این است که با حرکت دورانی و یا خطی پرتوی لیزر و یا قطعه کار حوضچه ای ایجاد کرد که قطر بیش تر و عمق کم تری داشته باشد تا کیفیت جوش کاری افزایش پیدا کند. به طور کلی یکی از روش های ایجاد حوضچه های سطحی حرکات دورانی و خطی هد لیزر است.

جت گاز

از جت گاز برای جلوگیری از آسیب لنزها در مقابل پاشیدن ذرات مذاب و حرارت و هم چنین جلوگیری از واکنش مواد مذاب با هوا به کار گرفته می شود. قطر دریچه خروجی گاز به طور معمول در حدود 5/2 تا 4/6 میلی متر است و از قطعه کار 2/3 تا 5/9 میلی متر فاصله دارد.

عملیات سطحی با لیزر

به اصلاح سطوح قطعات متناسب با عملکرد آن ها عملیات سطحی می گویند که فرآیند های زیر را شامل می شود:

عملیات حرارتی : این عملیات شامل سخت کاری و آنیل کردن سطوح قطعات با لیزر می شود.

روکش دهی : در این فرآیند ماده ی ثانویه را به ماده ی اولیه با جنس متفاوت اضافه می کنند که این کار موجب افزایش عمر قطعه می شود.

سطح سازی : در این فرآیند ماده ثانویه را به ماده ی اولیه با جنس یکسان اضافه می کنند تا شکل قطعه و سطوح را تغییر بدهند.

صیقل کاری : در این فرآیند دمای قطعه را از دمای ذوب آن بیش تر می کنند تا حالت مذاب پیدا کند و عیوب سطحی آن را از بین ببرند.

حکاکی : در این فرآیند روی قطعات نشان گذاری می شود که به طور معمول توسط لیزرهای پاک انجام می شود.