جوشکاری سرامیک های سخت به کمک تکنولوژی لیزر

کاربرد فناوری لیزر در جوشکاری سرامیک های سخت

تلفن ‌های هوشمندی که هیچ خراشی در آن ها به وجود نمی آید و اصلا نمی شکنند! ساخت دستگاه کنترل ضربان قلب بدون به کارگیری حتی ذره ای فلز! ملزومات الکترونیکی غیرفلزی پیچیده برای کاربردهای فضایی و جنگی! این ها همگی با استفاده از تکنولوژی جدید «جوشکاری لیزر سرامیک ها» که توسط تیمی از مهندسین دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا و دانشگاه ریورساید کالیفرنیا توسعه داده شده ممکن خواهد شد.

جزئیات فناوری جدید جوشکاری لیزر سرامیک اخیرا و در تاریخ ۲۳ اوت ۲۰۱۹ منتشر شده ‌است. در این فرایند از یک لیزر پالسی برای ذوب مواد سرامیکی در امتداد فصل مشترک استفاده می شود. این امتزاج در حالت مایع، سبب می شود تا مواد سرامیکی با هم ترکیب شوند. در این تکنولوژی بیش از ۵۰ وات قدرت لیزر به کار گرفته می شود و آن را عملی تر از روش ‌های جوشکاری با سرامیک کنونی می‌سازد که نیازمند گرم کردن ابتدایی قطعات در کوره است.

“خاویر ای گری” محقق ارشد این پروژه توضیح می‌دهد: «به طور اساسی جوشکاری و اتصال سرامیک ها به بحثی چالش برانگیز در مهندسی مواد و مکانیک تبدیل شده است. چرا که این مواد به دمای بسیار بالایی نیاز دارند تا ذوب شوند. حرارت بالا سرامیک ها را در معرض گرادیان (شیب) شدید دمایی قرار می دهد. این گرادیان دمایی در اغلب موارد باعث ایجاد ترک و شکاف در قطعات می گردد.»

پروفسور گری استاد دانشکده‌ی مهندسی مکانیک و علوم مواد دانشگاه کالیفرنیا این پژوهش را با همراهی پروفسور “گیلرمو آگیلار” انجام داده است. این گروه تحقیقاتی به علت محبوبیت چشمگیری که سرامیک ها دارند، زمان زیادی است که روی این مواد تحقیق می کنند. خواصی مانند استحکام و سختی بالا، زیست سازگاری عالی و مقاومت به ضربه‌ی شگفت انگیز، سرامیک ‌ها را برای ایمپلنت های پزشکی و بدنه ‌های محافظ الکترونیکی ایده‌آل می‌سازند. همین محبوبیت اکنون این تیم تحقیقاتی را به فناوری جدید جوشکاری لیزر سرامیک رسانده است. گری خاطر نشان می کند: «تاکنون هیچ راهی برای جوشکاری یا آب ‌بندی قطعات الکترونیکی سرامیکی وجود نداشت. چرا که شما باید کل مونتاژ را درون یک کوره پیش گرم قرار می دادید. مطمئنا همین موضوع منجر به سوختن لوازم الکترونیکی نیز خواهد شد.»

برای عملی شدن این پروژه، گری و همکارانش یک سری پالس ‌های لیزری کوتاه را در امتداد فصل مشترک میان دو قسمت سرامیکی هدف قرار دادند. با این تدبیر، حرارت تنها در فصل مشترک ایجاد شده و باعث ذوب شدن موضعی در نقطه اتصال و نفوذ اتم ها می شود. این گروه تحقیقاتی روش خود را “جوشکاری پالسی فوق سریع لیزر” نامیده اند. برای انجام این کار، محققین باید جنبه‌ی اصلی پژوهش یعنی پارامتر های لیزر را بهینه‌سازی می کردند. معیارهایی نظیر زمان کلی تابش، تعداد پالس ‌های اعمالی لیزری و مدت‌ زمان هر پالس ابتدا باید مشخص شود. علاوه بر این موارد، شفافیت و قابلیت بازتاب مواد سرامیکی را باید در نظر گرفت. با ترکیب مناسبی از پارامتر های فوق، جوشکاری لیزر سرامیک با استفاده از قدرت لیزر کم (کم‌تر از ۵۰ وات) در دمای اتاق قابل اجراست. حالت بهینه‌ی پالس دهی لیزر در این تحقیق، دو پیکو ثانیه همراه با فرکانس تکرار یک مگاهرتز بوده است.

به عقیده‌ی پروفسور آگیلار، روش جدید جوشکاری لیزر سرامیک قطر ناحیه ذوب و اثرات سرمایش مواد را به حداقل می‌رساند. در ضمن با تمرکز درست بر روی فصل مشترک مورد نظر، از ایجاد گرادیان دمایی در سراسر ماده سرامیکی اجتناب می‌ شود. محققان این پژوهش به عنوان اثباتی بر طرح خود، یک کلاهک سرامیکی به شکل استوانه و شفاف را به داخل لوله سرامیکی جوش دادند. قطعه‌ی حاصل برای کاربرد حفظ خلأ طراحی شده بود که به خوبی از عهده‌ی این وظیفه برآمد. نتایج نشان داده است که این جوش‌ها به اندازه کافی قوی هستند و در صنعت بر روی دستگاه‌ های الکترونیکی و فوتوالکترونیکی قابلیت استفاده دارند.

در هر حال این فرآیند تاکنون تنها برای جوش دادن قطعات کوچک سرامیکی استفاده شده ‌است که ابعادی کم‌تر از ۲ سانتی متر دارند. برنامه‌ های آینده تکنولوژی جوشکاری لیزر سرامیک ها شامل بهینه ‌سازی روش برای مقیاس‌ های بزرگ ‌تر و نیز انواع مختلف مواد و هندسه ‌هاست.

Journal Reference:

E. H. Penilla, L. F. Devia-Cruz, A. T. Wieg, P. Martinez-Torres, N. Cuando-Espitia, P. Sellappan, Y. Kodera, G. Aguilar, J. E. Garay. Ultrafast Laser Welding of Ceramics. Science, 2019 DOI: ۱۰٫۱۱۲۶/science.aaw6699.