تاثیر قابل توجه بر نواحی مجاور، وجود دارد. از لیزر در فرآیندهایی نظیر برش، سوراخ کاری، جوشکاری وخمکاری استفاده می گردد. [2]
2-2- طبقه بندی فرآیند شکل دهی با لیزر
به طور کلی، فرآیند شکل دهی با لیزر، بسته مسیر پیمایش پرتو وشکل نهایی محصول، به دو دسته تقسیم می شود. [32]
2-2-1- شکل دهی دو بعدی با لیزر
شکل دهی دو بعدی با استفاده از لیزر شامل خمهای دو بعدی به منظور ایجاد یک شکل سه بعدی در قطعه نهایی می شود [33] . در این روش، پیمایش پرتو لیزر در راستای یک مسیر مستقیم انجام می گیرد. نمونه ای از قطعات شکل داده شده به این روش، در شکل2-1 نشان داده شده است.

شکل 2-1: نمونه ای از شکل دهی دو بعدی ورقهای فلزی با لیزر (شکل چپ) – ورق آلومینیوم که دارای شش قسمت مجزای شکل داده شده است.(شکل راست) خمش ورق وایجاد یک پروفیل [34]
2-2-2- شکل دهی سه بعدی با لیزر
شکل دهی سه بعدی با لیزر شامل ترکیبی از خمهای دو بعدی چند محوره خارج از صفحه و همچنین کوتاه کردن موضعی درون صفحه ای به منظور ایجاد یک شکل سه بعدی فضایی می شود. [35]. در این روش، پیمایش پرتو لیزر در راستای یک مسیر منحنی و یا ترکیبی از چند خط مستقیم انجام می گیرد. نمونه ای از قطعات شکل داده شده به این روش، در شکل2-2 نشان داده شده است.

شکل 2-2 : نمونه ای از شکل دهی سه بعدی ورقهای فلزی با لیزر(شکل چپ) دو نمونه شکل داده شده و متصل شده به هم (شکل راست) ایجاد شکل زینی در ورق [34]

2-3- مکانیزم های شکل دهی با لیزر
مکانیزم‌های فرآیند شکل‌دهی با لیزر بر اساس توزیع دمایی القا شده در اثر تابش پرتو لیزر تعیین می‌گردد. توزیع درجه‌حرارت در قطعه‌کار به پارامترهای مختلف فرآیندی نظیر توان لیزر، قطر پرتو، سرعت اسکن لیزر و ضخامت قطعه‌کار بستگی دارد. سه مکانیزم موجود شکل‌دهی در این فرآیند در ادامه توضیح داده شده است .[5]
2-3-1- مکانیزم گرادیان دمایی1
در این مکانیزم، قطر پرتو لیزر باید برابر با ضخامت ورق یا نزدیک به ضخامت ورق باشد؛ به طوری که انرژی لیزر تابشی بتواند یک گرادیان دمایی با شیب مناسب را در راستای ضخامت ایجاد نماید. بنابراین، اگر قطعه‌کار دارای ضریب رسانش بالا باشد، طول مسیر اسکن لیزر بایستی بزرگ‌تر باشد. مسیر حرکت پرتو لیزر بر روی ورق معمولا خط راست بوده و در تمام عرض یا طول ورق حرکت می‌کند.
در مرحله اول، گرمایش ورق به‌اندازه‌ای است که کرنش در محدوده‌ کاملا” الاستیک باقی می‌ماند. به عبارت دیگر، اگر گرمایش در این مرحله متوقف شود، برگشت فنری اتفاق افتاده و هیچ‌گونه کرنش در ورق باقی نخواهد ماند. به دلیل انبساط حرارتی بیش‌تر در لایه‌ بالایی ورق، یک «خمش منفی» در قطعه‌کار به وجود می‌آید. مقدار خمش منفی کوچک بوده و اندازه‌ آن بستگی به قطر پرتو لیزر دارد. ادامه‌ گرمایش باعث کاهش تنش جریان فلز در منطقه‌ گرمادیده شده و افزایش میزان انبساط حرارتی در سطح ورق را به‌همراه دارد. به‌این ترتیب، تا توقف حرارت ورودی ناشی از تابش لیزر، کرنش‌های حرارتی به کرنش پلاستیک فشاری تبدیل خواهد شد. درواقع، پس از عبور پرتو از یک نقطه معین، گرمایش در آن نقطه با اتمام می‌رسد و پس از آن، سرمایش آغاز می‌گردد. در شرایطی که شار حرارتی پرتو لیزر وارد سطح ورق می‌شود، پراکندگی و انتقال حرارت توسط تابش و همرفت کم بوده و قابل صرف‌نظر کردن می‌باشد.مرحله سرمایش در این فرآیند، پس از عبور پرتو و در اثر انتقال حرارت از ناحیه‌ حرارت‌دیده، طی حدود 10 الی 20 ثانیه انجام می‌شود؛ این درحالی است که مرحله‌ گرمایش در حدود 5/0ثانیه طول می‌کشد. در طول سرمایش، میزان انقباض لایه‌های بالایی ورق، که تحت پرتو لیزر و در ناحیه‌ تغییرشکلی پلاستیک قرار گرفته بود، در مقایسه با لایه‌های پایین‌تر بیشتر می‌باشد و به‌تبع آن، خمش در ورق اتفاق می‌افتد. میزان زاویه‌ خمش نهایی به مقدار انرژی ورودی به قطعه‌کار، هندسه‌ ورق و مشخصه‌های حرارتی و مکانیکی ماده‌ آن بستگی دارد. به‌طور معمول، مقدار زاویه خمش در این مکانیزم بین 0.1 الی 3 درجه به ازای هر پاس عبوری لیزر است. شمایی از مکانیزم گرادیان دمایی در شکل 2-3 آورده شده است.
به‌طور خلاصه، مکانیزم گرادیان دمایی از مراحل زیر تشکیل شده است:
1. گرمایش سطحی و انبساط حرارتی موضعی در لایه‌های بالایی سطح ورق فلزی
2. ادامه گرمایش سطحی، ایجاد و افزایش خمش منفی
3. ایجاد ناحیه پلاستیک در لایه‌های بالایی سطح ورق دراثر ممان خمشی وارده از ناحیه کشسان لایه‌های پایینی ورق
4. انتقال حرارت در ورق و ایجاد انقباض موضعی در ناحیه‌ گرم شده
5. افزایش خمش مثبت با گذشت زمان به علت انتقال حرارت

شکل 2-3 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم گرادیان دمایی (a) پیش از تابش پرتو؛ (b) مرحله‌ حرارت‌دهی (وقوع خمش منفی)؛ (c) مرحله‌ سرمایش (وقوع خمش مثبت)[6].
2-3-2- مکانیزم کمانش1
در مکانیزم کمانش، عرض ورق فلزی به‌وسیله پرتو لیزر، که قطر آن در مقایسه با ضخامت ورق فلزی بزرگ می‌باشد، با سرعت کم اسکن می‌گردد. در نتیجه‌ حرکت آرام لیزر، یک گرادیان دمایی با شیب بسیار کم در راستای صخامت ایجاد می‌شود. در اثر انبساط حرارتی منطقه‌ حرارت‌دیده، تنش‌های فشاری در این ناحیه به‌وجود می‌آید. اگر ناحیه‌ حرارت‌دیده به‌اندازه کافی بزرگ باشد، یک ناپایداری خمشی ناشی از کمانش به وقوع می‌پیوندد. جهت خمش ورق به فاکتورهای متعددی نظیر وجود/عدم وجود خمش اولیه بستگی دارد.
در مرکز ناحیه‌ کمانش‌یافته یا محل خمش ورق، درجه‌حرارت ورق بسیار بالا می‌باشد و مقدار تنش سیلان در این ناحیه کم خواهد بود. بنابراین، خمش این ناحیه از نوع خمش پلاستیک می‌باشد. در طرف مقابل، درجه‌حرارت ریشه‌ ناحیه‌ خمش‌یافته، که از مرکز تابش پرتو لیزر دور است، کمتر افزایش می‌یابد. درنتیجه، مقدار تنش جریان ناحیه‌ ریشه، نسبت به مقدار متناظر در مرکز خمش بیشتر خواهد بود و خمش در این ناحیه از نوع کاملا” الاستیک می‌باشد. با ادامه‌ گرمایش، میزان انبساط حرارتی ورق افزایش یافته و ارتفاع خمش نیز بیشتر می‌گردد. با اتمام تابش پرتو، کرنش الاستیک کاملا برطرف شده، تنها تغییرشکل ناحیه‌ مرکزی کمانش‌یافته باقی می‌ماند.
خمش ورق توسط مکانیزم خمش کمانشی به اندازه 1 الی 15 درجه می‌باشد. این مقدار خمش در مقایسه با مکانیزم گرادیان دمایی بزرگ‌تر است. هرچند، نمی‌توان نتیجه گرفت که این روش بازده‌ بالاتری نسبت به مکانیزم گرادیان دمایی دارد. زیرا مقدار انرژی مصرفی، به‌ازای هر مرحله‌ اسکن، به مراتب بالاتر است. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، مکانیزم خمش کمانشی زمانی اتفاق می‌افتد که قطر پرتو لیزر نسبت به ضخامت ورق بسیار بزرگ‌تر باشد. همچنین، سرعت عبور پرتو لیزر در این فرآیند بسیار پایین بوده و در نتیجه شیب گرادیان دمایی در راستای ضخامت بسیار کم است. مجموعه این شرایط می‌تواند به وسیله ترکیب پارامترهای مختلف ایجاد شود. شمایی از مکانیزم خمش کمانشی در ‏0 2-4 آورده شده است.
به‌طور خلاصه، مراحل انجام شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش به شرح زیر می‌باشد:
1. گرمایش منطقه بزرگی از ورق فلزی و افزایش تنش فشاری
2. شروع کمانش یا خمش
3. ادامه کمانش یا خمش
4. حرکت و گسترش ناحیه‌ خمش در عرض ورق فلزی
5. آزاد شدن کرنش‌های الاستیک
6. باقی‌ماندن کرنش‌های پلاستیک در ورق، و تغییرشکل نهایی ورق

شکل 2-4 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم کمانش (چپ) تابش پرتو لیزر؛ (وسط) مرحله‌ گسترش کمانش؛ (راست) تشکیل زاویه‌ خم ‎[7]
2-3-3- مکانیزم کوتاه کردن1
اگر (الف) قطر پرتو لیزر برابر با ضخامت ورق یا کمی بزرگ‌تر از ضخامت ورق باشد، (ب) اسکن کردن با سرعت کم در عرض ورق انجام گیرد یا ضریب هدایت حرارتی ماده پایین باشد و (پ) هندسه ورق به شکلی باشد که مکانیزم خمش کمانشی اتفاق نیافتد، مکانیزم مزبور را مکانیزم کوتاه کردن می‌نامند. این روش مخصوص ورق‌های بسیار ضخیم و همچنین برای سازه‌هایی با سفتی بالا به‌کار برده می‌شود.
باتوجه به پایین بودن سرعت اسکن در این مکانیزم، قطعه‌کار به‌صورت همگن در راستای ضخامت گرم می‌شود. با افزایش دما و به‌تبع آن، پایین آمدن تنش جریان در منطقه‌ حرارت‌دیده، و به‌سبب آن‌که انبساط آزاد نواحی حرارت‌دیده توسط مواد خنک‌تر اطراف محدود شده است، کرنش‌های ناشی از انبساط حرارتی از نوع کرنش پلاستیک فشاری خواهد بود. به علت گرادیان دمایی بسیار کم در جهت ضخامت ورق، قطعه‌کار به هنگام سرد شدن منقبض می‌گردد. این مکانیزم می‌تواند برای کوتاه کردن چهارچوب‌های و قطعات کوچک به‌کار برده شود. درواقع، این مکانیزم یک روش بسیار مفید برای تولید با دقت میکرون است. شمایی از مکانیزم کوتاه کردن درشکل 2-5 آورده شده است.

شکل 2-5 : مراحل فرآیند شکل‌دهی با لیزر توسط مکانیزم کوتاه کردن (چپ) تابش پرتو (مرحله‌ حرارت‌دهی)؛ (راست) کوتاه‌شدن قطعه‌کار (مرحله‌ سرمایش)
به‌طور خلاصه، مراحل مختلف مکانیزم کوتاه کردن به این صورت است:
1. گرمایش مقطع و انبساط حرارتی
2. افزایش انبساط حرارتی و عبور از کرنش الاستیک
3. ایجاد یک فشار در اثر وارد شدن مقطع به ناحیه‌ پلاستیک
4. سرمایش قطعه همراه/ بدون یک کرنش کششی کوچک
خلاصه‌ مکانیزم‌های ذکر شده به‌همراه شرایط، مقدار شکل‌دهی و برخی از مشخصه‌های آنها در جدول2-1آورده شده است.
جدول2-1 : مکانیزم‌های فرآیند شکل‌دهی با استفاده از پرتو لیزر [8]
مکانیزم
شرایط
مقدار شکل‌دهی
نتیجه
شیب دمایی
– قطر پرتو ~ ضخامت ورق
– سرعت اسکن بالا
– قابل استفاده در ورق‌های نازک
یک تا دو درجه به ازای هر پاس پیمایش
کنترل بالا
بازده کم
خمش کمانشی
– قطر پرتو بزرگ‌تر از ضخامت
– سرعت اسکن پایین
– قابل استفاده در ورق‌های نازک
تا پانزده درجه به ازای هر پاس پیمایش
بازده بالا
کنترل کم
کوتاه کردن
– قطر پرتو ~ ضخامت ورق
– قابل استفاده در ورق‌های سفت (عدم کمانش)
انقباض میکرونی به ازای هر پاس پیمایش
به‌منظور کوتاه کردن و افزایش سطح مقطع ورق
2-4- مدل‌های تحلیلی برای پیش‌بینی مقدار تغییرشکل
2-4-1- مکانیزم گرادیان دمایی
ولرتسن[9] رابطه‌ای به‌منظور پیش‌بینی زاویه‌ خمش در مکانیزم گرادیان دمایی به دست آورده و ‌همچنین، شرایط بهینه‌ مربوط به فرآیند شکل‌دهی با لیزر در مسیر مستقیم را توصیف نموده است. در این رابطه‌ تحلیلی، ارتباط بین زاویه‌ خمش و برخی از ویژگی‌های ماده، هندسه‌ قطعه‌کار و پارامترهای مربوط به فرآیند به دست آمده است. در این مدل، قطعه‌کار به صورت تیر ساده فرض شده و از روش انرژی برای بیان میدان درجه‌حرارت استفاده شده است. اساس این مدل و پارامترهای استفاده شده در ‏0شکل 2-6 آورده شده است. زاویه‌ خمش براساس هندسه‌ شکل نهایی و همچنین، تفاوت کرنش بین لایه‌های بالایی و پایینی قطعه تعریف شده است (رابطه‌ ‏0).
2-1

در این رابطه، bα برابر با زاویه ی خمش، thα برابر با ضریب رسانش حرارتی جنس قطعه‌کار، P برابر با توان لیزر تابشی، A برابر با ضریب جذب سطح، ρ برابر با دانسیته ورق، cp برابر با ظرفیت حرارتی ویژه، v برابر با سرعت اسکن پرتو و s معادل ضخامت قطعه است.
یائو[10] مشابه به مدل ارائه ‌شده‌ ولرتسن، از یک روش مدل دولایه به‌منظور درنظر گرفتن اثر خمش منفی استفاده کرده است. به‌این‌ترتیب، مقداری از تغییرشکل از نوع الاستیک به‌حساب آورده شده است. این اصلاح در روابط، نتیجتا” شامل دو معادله است؛ یکی برای زاویه‌ خمش منفی و دیگری برای زاویه‌ خمش در انتهای چرخه‌ سرمایش. به‌این ترتیب، رابطه‌ نهایی زاویه‌ خم (یعنی تفاضل زاویه خم مثبت و زاویه خمش منفی)، براساس معادله میدان دمایی در مدل یائو در رابطه2-2

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید