پایان نامه بررسی جوشكاری لیزری در صنایع خودروسازی

پایان نامه بررسی جوشكاری لیزری در صنایع خودروسازی در 99 صفحه ورد قابل ویرایش 

پیشگفتار

فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی گروهی از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها حرارت مورد نیاز برای انجام جوشکاری به کمک تابش یک پرتو حاوی انرژی بر روی موضع اتصال تامین می شود. این پرتوها ممکن است مانند پرتو الکترونی حاوی ذرات پر انرژی باشند و یا این که یک تشعشع الکترومغناطیسی باشند. در این روشها نیاز به تماس نزدیک قطعه با منبع حرارت (که می تواند قوس، پلاسما یا شعله باشد) نیست و با تمرکز پرتو بر روی هر نقطه می توان حوضچه جوش را در آن نقطه به وجود آورد. فرآیندهای جوشکاری با پرتو الکترونی، جوشکاری با پرتو لیزر و جوشکاری با ریز موج ها مهمترین فرآیندهای جوشکاری هستند که در این گروه جای می گیرند.

در این پایان نامه سعی شده است که به طور خاص در مورد شاخه جوشکاری لیزری که بخشی از فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی می باشد، بحث شود. همچنین در ادامه این بحث به تحلیل المان های جوش پرداخته شده است.

در پایان از استاد گرامی جناب آقای مهندس فتحی که استاد راهنمای اینجانب در انجام این پروژه بوده اند، کمال تشکر را دارم.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                              صفحه

فصل اول   لیزر..........................................................................................(25-11)

1-1          مقدمه                                                                                        12

1-2          تاریخچه لیزر                                                                               13

1-3          همدوسی لیزر                                                                             15 

1-4          تولید اشعه لیزر                                                                            17

1-5          اصول فرایند جوشکاری با لیزر                                                           21

1-6          موارد کاربرد جوش لیزر                                                                    23 

فصل دوم  تقسیم لیزرها........................................................................ (36-26)

2-1          لیزر حالت جامد                                                                              27

2-2          لیزرهای گازی                                                                                32

2-3          دیود لیزرها                                                                                             36

فصل سوم  متغیر های فرایند جوشکاری با لیزر................................. .(44-37)

3-1   توان پرتو لیزر                                                                                 38

3-2  قطر پرتو لیزر                                                                                   39

3-3  قابلیت جذب پرتو                                                                              41

3-4  سرعت عبور پرتو                                                                               43

3-5  گاز محافظ                                                                                      44

فصل چهارم  انتخاب لیزرجهت جوشکاری.........................................   (51-45)

4-1          عوامل موثر در انتخاب لیزر مناسب                                                         46

4-2          جوشکاری فولادها                                                                            49

4-3          جوشکاری آ لومینیم و آلیاژهای آن                                                        50

4-4          جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن                                                                     51

فصل پنجم  لیزرهای توان پایین..........................................................  (55-52)

5-1          عوامل موثر در انتخاب لیزرهای توان پایین                                                53

5-2          نکات مهم دراستفاده از لیزرهای توان پایین                                                54

فصل ششم  جوشكاری ورق ST14 مورد استفاده در ساخت

 بدنه خودرو با استفاده از لیزر Nd:YAG پالسی.................................... (66-56)

6-1          چکیده                                                                                              57

6-2          چیدمان آزمایش                                                                           57

6-3          بررسی نتایج آزمایش                                                                     59

فصل هفتم  بررسی بیناب نشری پر پلاسما در جوشكاری ورق

 فلز st14 بوسیله لیزر Nd:YAG پالسی............................................(77-67)

7-1           چکیده                                        .                                               68

7-2           مقدمه                                                                                         68

7-3           مواد و وسایل و روش های آزمایش                                                         69

7-4           نتایج و بحث                                                                                  71

فصل هشتم  مزایا و محدودیت جوشکاری لیزری در مقایسه با

 سایر روشها............................................................................................(82-78)

8-1          مزایای فرایند جوشکاری با اشعه لیزر                                                      79

8-2          معایب فرایند جوشکاری با اشعه لیزر                                                      81

8-3          مسائل ایمنی استفاده از لیزر                                                                82

فصل نهم  تحلیل المان محدود..............................................................(99-83)

9-1          تعیین المان و خواص مواد                                                                  84

9-2          مدل سازی هندسی                                                                          84

9-3          مش زنی ( ساختن مدل اجزا محدود)                                                     86

9-4          اعمال شرایط مرزی و نیروها                                                                88

9-5          تنظیمات حل و گرفتن نتایج مورد نیاز                                                    89

نتیجه گیری و پیشنهادات.....................................................................(102-100)

فهرست شکل ها

شکل                                                                                               صفحه

1 -  نور همدوس و ناهمدوس                                                                    15

2 -  اجزای اصلی لیزر ساده                                                                      19

3 - تابش تحریک شده فوتونها که با یک اتم تحریک شده برخورد

      می کند و منجر به آزادی فوتون قبل از تابش خود به خودی می شود             20

4 - بازتاب فوتونها توسط آینه ها به منظور افزایش طول مسیر برای تابش

      تحریک شده و در نتیجه افزایش توان پرتو لیزر                                         20

5 -  مقطع مدهای اصلی پرتوی لیزری                                                         21

6- یاتاقان هیدرولیکی قسمت جلو برنده موشک که با اشعه لیزرجوش

    کاری میشود. .                                                                                   25

7- وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتومها تولید شد با رفت و برگشت

     بین آینه ها متمرکز می شود.                                                                             28

8- طرح شماتیک لیزر Nd:YAG                                                             32

9- طرح شماتیک یک لیزر CO2  با جریان محوری                                              34

10- طرح شماتیک یک لیزر CO2  با جریان متقاطع                                     35

11- تصویر چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده در جوشکاری لیزری                             58

12- تغییرات عمق نفوذ جوش بر حسب پهنای پالس لیزر                                 60

13- عمق نفوذ جوش در پهنای پالس لیزر                                                    61

14- تصویر همپوشانی پالسهای لیزر                                                            64

15- نتایج آزمایشهای تنش – کرنش                                                          65

16- تصویر نمونه ای قطعه ای که تحت آزمایش تنش-کرنش قرار گرفته است.       66

17- تصویری از چیدمان استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری                  71

18- نمونه ای از بیناب نشری پر پلاسمای ناشی از جوش لیزری                         72

19-  تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات پهنای پالس                   74

20- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات گاز محافظ                      74

21- تغییرات دما و انحراف معیار دما بر حسب تغییرات شارش گاز                      76

22-مدل سازی هندسی                                                                           85

23-مش زنی                                                                                        86

24- اعمال شرایط مرزی و نیروها                                                               89

25- حالت های مختلف کرنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها                      90

26- حالت های مختلف تنش در اثر اعمال شرایط مرزی و نیروها                        95

فهرست جداول

جدول                                                                                             صفحه

1-  تاثیر توان پرتو برعمق نفوذ با سرعتهای مختلف جوشکاری در فولاد 304        39

2- ترکیب شیمیایی نمونه ورق فلز ST14                                                   59

3- شرایط و مقادیر پارامترهای آزمایش                                                        60

4- عناصر تشکیل دهنده ST14  بر حسب درصد وزنی                                   69

5-شرایط کاری استفاده شده در آزمایش های جوش لیزری                              70

6- مشخصات خطوط تابشی انتخابی برای محاسبه دمای الکترون اتم آهن خنثی     73

لیزر

1-1 : مقدمه

لیزر یک دسته اشعه موازی شده و پیوسته از جنس نور می باشد که تمام این اشعه دارای طول موج واحدی می باشد. البته این اشعه با اشعه نوری ناپیوسته ای که از خورشید تشعشع می کند بسیار متفاوت است. نور خورشید دارای طول موج های بسیار متفاوت و متنوع می باشد که در تمام جهات منتشر می شود. نور با طول موج های متفاوت می تواند روی یک نقطه مادی متمرکز شود و انرژی خود را به صورت انرژی حرارتی آزاد کند. اشعه لیزر یک اشعه به شدت موازی شده و کوهرنت می باشد که هر چه موازی تر و پیوسته تر باشد در نقطه کوچک تری می تواند متمرکز شود و انرژی حرارتی بیشتری را نیز تولید می کند.

این ویژگی اشعه لیزر باعث تقویت ایده استفاده از آن در جوشکاری به عنوان یک منبع منحصر به فرد انرژی شد. جوشکاری با اشعه لیزر یکی از جدیدترین تکنیک های جوشکاری است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. این فرآیند برای ساخت و تولید برخی قطعات صنعتی شرایطی را فراهم آورده است که تا قبل از آن، ساخت این قطعات غیر ممکن و یا بسیار مشکل بوده است. این فرآیند یک فرآیند جوشکاری ذوبی می باشد هر چند از نظر نوع تجهیزات و نوع فرآیند با فرآیند های جوشکاری ذوبی معمولی بسیار متفاوت است. با یک سری تغییرات و تجهیزات اضافی، می توان از لیزر برای برشکاری نیز با دقت و سرعت بسیار بالا استفاده نمود.

اولین دستگاه های جوش لیزر که ساخته شدند به ندرت مورد استفاده قرار می گرفتند و تنها در جاهایی از آنها استفاده می شد که چاره ای جز استفاده از آن نداشتند. علت این امر مشکل بودن استفاده از دستگاه، بالا بودن هزینه، عدم وجود امکانات ایمنی و عدم دسترسی به اپراتور ماهر و کارآمد بود. اما به مرور زمان علم و تکنولوژی لیزر پیشرفت کرد و دستگاه های بسیار پیشرفته ای ساخته شدند و دامنه استفاده از لیزر به طور چشم گیری افزایش یافت.

1-2: تاریخچه لیزر

کلمه لیزر مخفف عبارت Light Amplification Stimulated by Emission of Radiation به معنی تقویت نور تحریک شده با انتشار پرتوافکنی می باشد و بر روش تولید این نور دلالت دارد. مفهوم این لغت در زبان انگلیسی گسترش یافته و از لیزر به عنوان اسم و به معنی دستگاهی که لیزر تولید می کند استفاده می شود پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.
اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (3NH) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه ‌هادی مطرح گردید.