اصل دستگاه جوشکاری جواهرات با لیزر چیست؟

دستگاه جوشکاری جواهرات با لیزر یک دستگاه پیشرفته است که از پرتو لیزر به عنوان منبع حرارتی برای اتصال دقیق قطعات فلزی جواهرات استفاده می‌کند. اصل کار آن بر اساس برهمکنش بین لیزر و ماده است. هسته این فرآیند، متمرکز کردن دقیق پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا روی ناحیه بسیار کوچکی از قطعه کار و ایجاد جوشکاری از طریق ذوب و انجماد سریع است.
الف. اصل اساسی کار: برهمکنش بین لیزر و فلز
جذب و تبدیل انرژی:
وقتی پرتو لیزر با طول موج مشخصی به سطح یک فلز تابانده شود، الکترون‌های آزاد در فلز انرژی فوتون‌ها را جذب می‌کنند. دستگاه‌های جوش‌کاری جواهرات معمولاً از لیزرهای Nd:YAG پالسی یا لیزرهای فیبری استفاده می‌کنند که نور مادون قرمز نزدیک (با طول موج تقریبی 1064 نانومتر) تولید می‌کنند و این نور توسط بیشتر فلزات جواهرات مانند طلا، نقره، پلاتین و پالادیوم به‌خوبی جذب می‌شود.
تجمع حرارت و ذوب:
الکترون‌هایی که انرژی را جذب کرده‌اند با شبکه بلوری برخورد می‌کنند و انرژی را به گرما تبدیل می‌کنند. در یک دوره زمانی بسیار کوتاه (معمولاً در مقیاس میلی‌ثانیه یا میکروثانیه)، دمای فلز در کانون لیزر به‌سرعت افزایش یافته و به سرعت به نقطه ذوب خود رسیده و از آن عبور می‌کند و یک حوضچه مذاب محلی ایجاد می‌شود. به دلیل تمرکز بالای انرژی لیزر، منطقه تحت تأثیر حرارتی بسیار کوچک است و مواد اطراف عملاً دچون آسیب حرارتی نمی‌شوند.
انجماد حوضچه مذاب و اتصال:
پس از پایان پالس لیزر، منبع حرارتی بلافاصله ناپدید می‌شود. فلز مذاب با هدایت سریع گرما از ماتریس اطراف، خنک شده و به حالت جامد درمی‌آید. فلز موجود در ناحیه ذوب‌شده و فلز پایه در فرآیند انجماد ساختار کریستالی مشترکی را تشکیل می‌دهند و بدین ترتیب اتصال متالورژیکی قوی‌ای ایجاد می‌شود.
II. اجزای کلیدی سیستم
مولد لیزر: جزء اصلی سیستم که مسئول تولید لیزر است. دستگاه‌های مدرن عمدتاً از لیزر فیبری استفاده می‌کنند که مزایایی مانند بازده بالا، کیفیت پرتوی خوب و عدم نیاز به نگهداری دارند.
سیستم هدایت و فوکوس نور: متشکل از آینه‌ها، فیبرهای نوری و عدسی‌های فوکوس. عملکرد آن این است که پرتو لیزر تولیدشده توسط مولد لیزر را به‌طور دقیق به سطح قطعه کار هدایت کرده و روی آن نقطه‌ای با چگالی انرژی بسیار بالا ایجاد کند.
میز کار و سیستم موقعیت‌یابی: مورد استفاده برای ثابت کردن و حرکت دقیق قطعات کار یا سر لیزری. معمولاً مجهز به میکروسکوپ، سیستم دوربین CCD یا نورهای هم‌محور جهت دستیابی به موقعیت‌یابی دقیق نقاط جوش است.
سیستم کنترل: از یک رایانه یکپارچه و نرم‌افزار برای تنظیم و تطبیق پارامترهای لیزر مانند انرژی پالس، عرض پالس، فرکانس و مسیر جوشکاری استفاده می‌شود و کل فرآیند جوشکاری را کنترل می‌کند.
سیستم گاز محافظ: در ناحیه جوشکاری، گاز بی‌اثر (مانند آرگون) وزش داده می‌شود تا از واکنش فلز داغ با اکسیژن هوای اطراف جلوگیری شود و نقطه جوش تمیز و درخشان باقی بماند.
III. فرآیند کار
عملکرد: قطعه جواهرسازی مورد نظر برای جوشکاری را روی میز کار محکم کنید و با استفاده از سیستم دید دقیق، فوکوس لیزر را با ناحیه جوشکاری تراز کنید.
تنظیم پارامترها: بر اساس جنس فلز، ضخامت و نیازهای جوشکاری، توان لیزر، مدت زمان پالس و فرکانس مناسب را در سیستم کنترل تنظیم کنید.
رها کردن گاز محافظ: خط گاز را راه‌اندازی کنید تا مطمئن شوید که گاز بی‌اثر، ناحیه جوشکاری را پوشش داده است.
راه‌اندازی لیزر: تجهیزات را روشن کنید، لیزر بر اساس پارامترهای از پیش تنظیم شده، پالس لیزری ساطع می‌کند که بر سطح قطعه کار اثر می‌گذارد.
تشکیل نقطه جوش: انرژی لیزر باعث ذوب سریع فلز و ایجاد حوضچه مذاب می‌شود. پس از توقف لیزر، حوضچه مذاب سرد شده و منجمد می‌شود و جوشکاری یک نقطه جوش را کامل می‌کند. با حرکت دادن قطعه کار یا سر لیزر، می‌توان جوشکاری نقطه‌ای متوالی یا جوشکاری درزی انجام داد.
چهارم. ویژگی‌های فنی و مزایای کاربردی
پردازش بدون تماس: سر لیزر با قطعه کار تماسی ندارد و بنابراین از ایجاد تنش مکانیکی جلوگیری می‌شود. این روش برای قطعات ظریف و کوچک جواهرات مناسب است.
منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک: انرژی به شدت متمرکز است و از گرمایش کلی قطعه کار جلوگیری می‌کند. این امر تضمین می‌کند که سنگ‌های قیمتی موجود (به ویژه سنگ‌های حساس به حرارت مانند تنزانت، عقیق و همچنین مواد مینه‌ای) دچار آسیب حرارتی نخواهند شد.
استحکام بالای جوشکاری: این روش یک پیوند متالورژیکی است و استحکام نقطه جوش به استحکام ماده پایه بسیار نزدیک است.
دقت بسیار بالا: قطر لکه می‌تواند به سطح میکرومتر برسد و جوشکاری تقریباً نامرئی را ممکن می‌سازد که پس از آن نیاز به کمترین میزان کار پولیش دارد.
دامنه وسیعی از مواد قابل اعمال: امکان استفاده از این روش برای جوشکاری فلزات رایج در صنعت جواهرسازی مانند طلای K، پلاتین، نقره و آلیاژ تیتانیوم وجود دارد.
اصل کار ماشین جوشکاری لیزری جواهرات استفاده از پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا برای گرم کردن موضعی و لحظه‌ای فلز، ذوب آن و ایجاد پیوند متالورژیکی است. هستهٔ این فناوری در کنترل دقیق انرژی لیزر نهفته است و بدین ترتیب اثر جوشکاری دقیق، تمیز و کارآمد مورد نیاز صنعت جواهرسازی حاصل می‌شود.