جوشکاری لیزری پلاستیک

شبیه سازی عددی جوشکاری انتقال لیزری؛ مروری بر میدان دما، میدان تنش، میدان جریان مذاب و تجزیه حرارتی

جوشکاری با انتقال لیزر (LTW) یک فرایند عالی برای اتصال پلاستیک است و به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شود. شبیه سازی عددی روش و حوزه مهمی برای مطالعه LTW است. این روش از آنجا که می‌تواند به طور موثر مدت زمان آزمایش را کاهش داده و هزینه‌های تحقیق را به حداقل برساند، به درک مکانیسم جوشکاری کمک کرده و دستیابی به پارامترهای فرایند ایده آل را بهبود می‌بخشد. به منظور درک بهتر، در این مقاله به بررسی مطالعات شبیه‌سازی عددی بر روی LTW و تسهیل تحقیقات در این زمینه پرداخته می‌شود. در اینجا مروری جامع بر پیشرفت‌های انجام شده در شبیه‌سازی عددی LTW ارائه شده است که این موارد را شامل می‌شود:

الف) ویژگی‌های سه مدل منبع حرارتی برای شبیه سازی میدان دمای LTW از جمله مدل منبع حرارت سطحی، مدل منبع حرارت حجمی و مدل منبع حرارت ترکیبی همراه با روش‌ها، نتایج و کاربردهای شبیه سازی میدان دما مبتنی بر این مدل‌ها و اعتبار سنجی تجربی؛

ب) شبیه سازی عددی تنش‌های حرارتی و پسماند باتوجه به میدان دما؛

ج) شبیه سازی عددی میدان جریان مذاب و

د) شبیه‌سازی پیش‌بینی‌کننده تجزیه مواد. درنهایت، به بیان نتایج حاصل از این مطالعه و چشم انداز تحقیقات بیشتر پرداخته می‌شود.

جوشکاری با انتقال لیزر (LTW) یک جوش بدون تماس، با راندمان بالا و بدون آلودگی است و فناوری اتصال پلاستیک انعطاف پذیر محسوب می‌شود. LTW نسبت به روش‌های سنتی از مزایایی مانند جوشکاری اصطکاکی، جوشکاری اولتراسونیک و جوشکاری مقاومتی برخوردار است. با توجه به این مزایا، LTW کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، مواد مصرفی پزشکی و بسته بندی مواد غذایی دارد. در فرایند LTW، دو قطعه‌ای که قرار است به هم متصل شوند باید جوش پذیری کافی داشته باشند؛ به این معنی که آنها باید بتوانند با استفاده از لیزر به یکدیگر جوش داده شوند. سپس دو قطعه پلاستیکی به هم چسبانده شده و همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، با یک گیره خارجی برای ایجاد تناسب بین دو قطعه محکم می‌شوند.

شکل 1:

قطعه بالایی نسبت به لیزر بسیار شفاف است و جذب انرژی لیزر در قطعه پایین نیز بالا است. پرتو لیزر پرانرژی از قطعه بالا عبور کرده و توسط قطعه پایین جذب می‌شود؛ در مدت زمان بسیار کوتاهی به گرما تبدیل شده و سپس گرما را به قطعه بالایی هدایت می‌کند. دمای بین رابط ها به سرعت افزایش یافته و باعث می شود که مواد دو قطعه بعد از ذوب شدن، پخش شده و هر دو قطعه با فشار و انبساط حرارتی به هم بچسبانند. زمانی که جذب لیزر در قطعه پایین کم باشد، افزایش جذب انرژی لیزر توسط روش معمولی به منظور پوشاندن سطح آن با جاذب‌هایی مانند کربن سیاه یا ذرات فلزی، یا با مخلوط و تزریق جاذب‌ها به قطعه پایین افزایش می‌یابد. LTW شامل جوشکاری کانتور، جوشکاری شبه سنکرون، جوشکاری سنکرون، جوشکاری ماسک، جوشکاری رادیال و غیره می‌شود. مواد مورد استفاده برای LTW معمولا مواد ترموپلاستیک قابل ذوب مجدد هستند. معمولا از تابش مادون قرمز موج پیوسته با طول موج 1.1-0.8 میکرومتر استفاده می‌شود. ظاهر جوش، ابعاد و استحکام اتصال فاکتورهای مهمی از کیفیت اتصالات جوشکاری هستند. در جوشکاری انتقال لیزر، اگر حرارت ورودی خیلی زیاد باشد، اتصال ممکن است به دلیل گرمای بیش از حد تخریب شود که در نهایت، منجر به کاهش قدرت اتصال می‌شود. بالعکس، اگر حرارت ورودی خیلی کم باشد، اتصال ممکن است به طور کامل ذوب نشود و همچنین منجر به کاهش استحکام مفصل نیز شود. گرمایش ناهموار قطعات جوش داده شده می‌تواند منجر به ترک خوردگی و تشکیل حباب شود که هر دو می‌توانند بر کیفیت اتصال جوشکاری تأثیر منفی بگذارند. دمای جوشکاری نه تنها نقش بسیار مهمی در تعیین کیفیت جوش دارد، بلکه به عوامل مختلفی همچون ماهیت و ترکیب پلیمر جوشکاری و جاذب، سیستم لیزر، روش جوشکاری و غیره بستگی دارد.

بازتاب، انتقال و جذب نور لیزر تحت تأثیر رنگدانه، پرکننده و افزودنی پلیمر قرار دارد که به نوبه خود بر جذب انرژی لیزر برای جوشکاری تاثیر می‌گذارد. پارامترهایی مانند توان لیزر، سرعت اسکن و قطر پرتو ورودی این انرژی لیزر را تحت تأثیر قرار می‌دهد. روش‌های جوشکاری ازجمله شکل پرتو و طول موج نیز بر توزیع و جذب انرژی لیزر و در نهایت، بر کیفیت جوش تاثیر می‌گذارند. بسیاری از ادبیات به مطالعه ترکیب پلیمرها در LTW ازجمله تاثیر جاذب‌ها بر کیفیت جوش، مواد شفاف مختلف، برخی از مواد پراکنده، و جوشکاری پلیمرها و فلزات پرداخته‌اند. به منظور بهبود قدرت و کیفیت اتصالات، مطالعات متعددی با هدف تعیین پارامترهای جوشکاری بهینه مانند قدرت جوش، سرعت اسکن، محتوای جاذب و غیره انجام شد. علاوه براین، محققان روش‌های جوشکاری جایگزین برای LTW از جمله تغییر طول موج و شکل پرتو و همچنین روش‌های جوشکاری نوسانی را توسعه داده‌اند. مطالعات فوق نه تنها بر آزمایشات متکی بودند بلکه از شبیه سازی عددی به‌عنوان یک رویکرد استفاده کردند. معرفی شبیه‌سازی عددی می‌تواند به طور موثر هزینه آزمایشات را کاهش دهد؛ زمان آزمایش فرایند را به حداقل می‌رساند؛ پارامترهای فرایند ایده‌آل را ارائه داده و در نهایت، کیفیت جوش را بهبود می‌بخشد. شبیه سازی عددی مبنای تئوری-شبیه سازی-تولید را برای فناوری LTW فراهم نموده و نقش مهمی در مطالعه تئوری و فرایندهای جوشکاری لیزری ایفا می‌کند. در اینجا، از شبیه سازی‌های عددی به طور کلی برای مطالعه تأثیر مواد مختلف جوشکاری و پارامترهای فرایند بر میدان دما، میدان جریان مذاب و میدان تنش به صورت جداگانه و ترکیبی استفاده می‌شود. این تحلیل به درک تأثیر هر عامل بر کیفیت جوشکاری کمک کرده و مکانیسم ارتباط و فرایند جوشکاری لیزری بهینه را کشف می‌کند. این مقاله یک مرور کلی از شبیه‌سازی عددی LTW از جمله شبیه‌سازی میدان دما با استفاده از مدل‌های مختلف منبع حرارتی LTW به همراه اعتبارسنجی تجربی، شبیه‌سازی میدان تنش و آزمایش، شبیه‌سازی و اعتبارسنجی میدان جریان، و شبیه‌سازی تجزیه حرارتی ارائه می‌دهد. هدف کلی از این مقاله ارائه مقدمه‌ای جامع از مکانیسم جوشکاری و پارامترهای فرایند LTW است.

چشم انداز

این مقاله شبیه‌سازی عددی LTW را تفسیر کرده و روش شبیه‌سازی مورد استفاده در میدان دما، میدان جریان، میدان تنش، پیش‌بینی تخریب، نتایج شبیه سازی و اعتبارسنجی، و همچنین استفاده از شبیه سازی عددی را پوشش می‌دهد. باتوجه به یافته‌های زیر، به مطالعه بیشتر شبیه سازی LTW در آینده نیاز است:

1- مدل‌های بسیار مقاوم، روش‌های شبیه سازی سریع و همچنین ادغام سایر روش‌های آماری بایستی در مطالعات آتی LTW گنجانده شوند. در شبیه‌سازی LTW، مدل‌های بسیار مقاوم بیشتر می‌توانند شبیه سازی دقیق و موثر فرایند جوشکاری، تجسم روند کیفیت جوش همانطور که پارامترهای فرایند تغییر می‌کنند، و تولید فرایند را تقلید کنند.

2- به کشف ابزار اندازه گیری ساده تر و دقیق تری نیاز است. اعتبار سنجی شبیه سازی عددی باید بر اساس نتایج تجربی حاصل شده انجام شود. صحت مدل و فرایند شبیه سازی فقط می‌تواند بسیار نزدیک به واقعیت باشند. با این حال، همچنان برخی اختلافات باز هم وجود خواهد داشت. روش‌های اعتبارسنجی تجربی موجود مانند اندازه گیری میدان دما و تنش همچنان دارای محدودیت‌هایی هستند. روش‌های آزمایش میدان‌های دمای جوشکاری، تنش‌های فرایند و تنش‌های پسماند به درستی قابل اندازه گیری نیستند.

3- از مطالعات شبیه‌سازی می‌توان برای بررسی LTW در مواد کامپوزیت مختلف با عملکرد بالا، مواد ترموپلاستیک، مواد فلزی و سایر مواد و همچنین برای کشف فرایندهای جوشکاری جدید و بررسی بیشتر مکانیسم جوشکاری و پارامترهای فرایندی استفاده کرد.