كاربرد ليزر در ساخت جواهرات

ليزر واژه‌اي اختصاری برگرفته از “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” كه به معني افزايش نور و روشنايي از طريق پرتوافكني به شيوه انگيزشي مي‌باشد.

1- مقدمه:

ليزر واژه‌اي اختصاری برگرفته از “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” كه به معني افزايش نور و روشنايي از طريق پرتوافكني به شيوه انگيزشي مي‌باشد. یعنی قادر به ایجاد اشعه نور تقویت شده‌ای است که این اشعه خود به وسیله واکنش میان یک فوتون با اتم‌های فعال ایجاد شده است. فوتون مذکور محرک انتشار فوتون‌های دیگر با خاصیت تاثیر انبوه می‌شود؛ بنابراین تغییر به منبع انرژی خارجی مناسب نیازمند است که این مکانیزم تامین انرژی، “پمپ نوری” نامیده می‌شود.

1-1 ويژگي‌هاي اصلي اشعه ليزر

همرنگي 

منبع ليزر حاوي يك طيف باريك خروجي است كه بر روي مسير صدور متمركز شده است و طول موج nm1064(NAG = Yttrium Aluminum Garnet) مي‌باشد. 

تمركز 

مسیر انتشار اشعه ليزر به‌طورمستقیم است که به وسیله لنزهای متمرکز کننده می‌توان آن را به راحتی در یک نقطه متمرکز كرد. در قسمت زیر به کاربرد منابع لیزر در ساخت جواهرات به صورت اجمالی اشاره می‌شود: 
Nd●: ليزر YAG حاوي فيبر نوري و كلاهك متمركزکننده نور(تصوير 1) بوده و متوسط بازده انرژي آن 70 وات است كه اغلب در دستگاه‌هاي اتوماتيك ساخت زنجير كاربرد دارد.
● اشعه مستقيم Nd: ليزر YAG حاوي كلاهك متمرکزکننده(تصوير 2) با بازده متوسط نيرو 50 وات می‌باشد كه اغلب براي دستگاه‌هاي جوش دستي جهت ساخت جواهرات حاوي سنگ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اين قسمت براي تعيين محل و مشخص كردن هدف، از ميكروسكوپ استفاده مي‌شود.
●Nd: تصوير 3 (b و a)YAG CWQ – Switched DPSS tem  بازده متوسط نيرو 40 وات است. كاربرد اصلي آن در اموري همچون علامت گذاری، تزیین، تراش‌هاي ظريف و ایجاد سوراخ مي‌باشد.

●Pulsed Nd: ليزر YAG، پمپ لامپ، تصوير 4 (b و a). بازده متوسط انرژي يا نيرو 80 وات است و در اموري مانند علامت‌گذاري و حكاكي عمیق كاربرد دارد. هم‌اكنون منابع جديد ليزري Diode پمپ با بازده‌اي متعادل 100 وات در دسترس است.

1- 2:Pulsed Nd  ليزر YAG

تاريخچه و كاربرد

جوشكاري اتوماتیک، بدون فلز مغزي يا پراكنده، نوعي تكنولوژي ليزري است كه به طور وسيعي كاربرد دارد و كاربرد آن در طلاسازي 11 سال پيش آغاز شده است. اکنون بيش از 3000 دستگاه جوش ليزري در سراسر جهان استفاده مي‌شود. (تصوير 5). در صورت صرفنظر از شمش‌هاي طلا و طلايي مورد استفاده در صنایع پزشکی، بيش از 22 درصد از توليد طلاي جهان توسط ايتاليا تغيير شكل مي‌يابد. بنابراين اين كشور در زمينه توليد جواهرات در دنيا از جايگاه ويژه‌اي برخوردار است و كاربرد ليزر در آن به‌طورگسترده‌اي متداول مي‌باشد. تكنيك‌هاي ليزري، قابل اعتماد و اطمينان بوده و نتايج مثبتي داشته‌اند و مي‌توان از آن‌ها در حوزه‌هاي مختلف مانند: جوشكاري، علامت گذاری، تراش و غيره استفاده كرد که در زیر به صورت مختصر به آن می پردازیم:

جوشكاري

● جوشكاري حلقه‌هاي زنجير توسط دستگاه‌هاي اتوماتيك ساخت زنجير (تصوير 6- b و a).
● جوشكاري دستي براي ساخت جواهرات صنعتي و مزين به سنگ‌هاي قيمتي و گران‌قيمت (تصوير 7).
● تعمير نواقص ناشي از قالب‌گيري يا ريخته‌گري (پرسازي حفره‌ها) به كمك يا بدون كمك فلز مغزي.
● فلز مغزي اغلب تركيبي همانند فلز اصلي يا مادر دارد.

1-2- مزایای جوشكاري ليزري بر لحيم‌كاري

● عدم تغيير در عيار
در بیشتر مواقع، فلز مغزي كاربردي نداشته و جوشكاري در برخي نواحي جهت اتصال صورت مي‌گيرد.
● عدم آلوده سازی محیط زیست
از لحيم يا پودر “فلاكس Flux” استفاده نمي‌شود؛ همچنين مواد شيميايي يا محلول‌هاي آن در پاكسازي اقلام جوشكاري كاربردي ندارد و در نتيجه پس از انجام كار ضايعاتي نيز باقي نمي‌ماند.
● تسهيل مراحل توليد و ساخت
تركيب دستگاه‌هاي جوشكاري ليزري و زنجيرسازي در امر توليد جواهرات به كارآيي روند فعاليت كمك موثري مي‌کند، از اين‌رو صادرات دستگاه‌هاي سازنده زنجير در كشورهايي كه نيروي انساني ماهري ندارد بايد افزايش يابد. در اينجا توليد زنجير “باكس Box” يا زنجيرهاي مركب از 2 نوع فلز توصيه مي‌شود.
● کاهش مراحل توليد
اين اقدام، منابع مالي را به همراه دارد و بر سرعت عمل و تغيير شكل سريع فلزات گران‌بها در كارخانه مي‌افزايد.
● بهبود كيفي و زيباسازي زنجيرهايي كه از آلياژهايي به رنگ‌هاي متفاوت ساخته شده‌اند.
جوشكاري اتوماتیک و ليزري، امكان اتصال انواع فلزات را به يكديگر در رنگ‌ها و با عيارهاي متفاوت ميسر مي‌سازد. زنجيرهاي چند رنگي كه توسط ليزر متصل شده‌اند به راحتي قابل تشخيص هستند زيرا مرز بين رنگ‌هاي متفاوت مشخص است (تصوير 8) در حالي‌كه در لحيم‌كاري توسط كوره به علت حرارت اين تفاوت چندان بارز نمي‌باشد.
● جوشكاري به روش جوش قطعات به يكديگر
جوشكاري ليزري در اين نوع روش لحيم‌كاري نيز كاربرد دارد.
● گسترش فرایندهای توليد جديد
تكنولوژي ليزري، زمينه مساعدي را براي عرضه محصولات جديد فراهم کرده، نمونه آن ساخت زنجيرهاي طنابی مانند است كه در ايتاليا، خاور دور و ايالات متحده متداول شد و تاريخ آن به عصر اتروسكان‌ها باز مي‌گردد، با اين تفاوت كه تكنولوژي ليزر، توليد اين مدل زنجير را به طور اتوماتيك تسهيل مي‌سازد. طبيعي است كه ابداع محصولات جديد و معرفي تكنولوژي‌هاي توليدي نوين عامل موثري در امر افزايش فروش و در نتيجه ميزان سود در بازارهاي جديد و حتي قديمي خواهد بود.

2-2 كاربردهاي اخير

زنجير آويز 

اين نوع زنجيرها توليد جديد از شركت‌هاي به كار برنده ليزر YAG :Nd به شمار مي‌آيند و در آمريكا نيز شهرت يافته‌اند. نمونه‌ آن گردن‌بندهاي بلند 40 سانتي‌متري است كه قطر سيم يا بند آن 11 ميلي‌متر و وزنشان 1 گرم مي‌باشد (همراه با گيره). طراحي ابعادی تصوير 9  طرح، میزان کوچکی اتصالات را نشان می دهد. انتقال زنجيرهاي مذكور از دستگاه ساخت زنجیر به كوره لحيم‌کاری، حتي توسط طلاسازان ماهر حدود 30 درصد مرجوعی دارد، ولي جوشكاري حلقه‌هاي زنجير به وسیله دستگاه زنجيرسازي اين ميزان را به صفر تقليل مي‌دهد. به‌طور معمول سيم لحيم‌كاري شده در پروسه توليد زنجيرهاي آويز كاربرد دارد. از طريق جوشكاري ليزري به جاي اين قبيل سيم‌ها با آلياژهايي كه تحت حرارت بسيار ذوب شده‌اند و امكان توليد زنجيرهاي محكم‌تر را ميسر مي‌سازند، قرار مي‌گيرند و اين امر از بركت افزودن اندكي از آلياژ تيتانيوم قابل اجرا است. فايده ديگر به‌كارگيري آلياژ مذكور روشن‌تر كردن سيم است.

زنجيرهاي چندگانه

زنجيرهاي چندگانه (3، 4 و 5 گانه) حاوي حلقه‌هاي درشت چكش‌كاري شده هستند که به صورت حلقه به حلقه توسط ليزر در نقطه مشخص به يكديگر جوش داده مي‌شوند. بنابراين زماني كه لحيم‌كاري مي‌شوند از باز شدن محل اتصال تحت تاثير حرارت جلوگیری به عمل مي‌آيد. اين شرايط بيانگر تركيب تكنولوژي ليزري و روش‌های سنتي يا لحيم‌كاري توسط كوره است كه در نهايت منجر به افزايش سرعت عمل و كاهش دفعات رجوع محصول مي‌گردد. در برخي از كارخانه‌هاي جواهرسازي، حلقه‌هاي زنجير به وسیله اشعه ليزر توسط دستگاه زنجيرسازي به يكديگر جوش داده مي‌شوند و اين به آن معناست که جوشكاري آن‌ها تنها در محل مشخص صورت نمي‌گيرد. در واقع زنجير جوش داده شده بايد در كوره بدون كاربرد پودر لحيم حرارت يابد تا سرد شود و گرم‌سازي(تبديل مجدد به كريستال) فلز امكان‌پذير گردد و در نتيجه استحكام زنجير تضمين شود.

2-3 پيشرفت‌هاي جديد

1) زنجير باكس 

حلقه‌هاي زنجير باكس در قسمت زيرين و به سمت داخل قرار مي‌گيرند. بر اساس پروسه جديد حلقه‌ها وارونه كار گذاشته مي‌شوند تا جوشكاري به كمك ليزر قبل از خم كردن آن‌ها و يا بستن حلقه بعدي امكان‌پذير گردد(تصوير 10). تاكنون تكنولوژي توليد زنجير مزبور تنها در چند كارخانه به اجرا درآمده است، حال به كمك ليزر و با رواج ساخت زنجيرهاي كوچك‌تر، شرايط براي ساخت زنجير مزبور ميسر شده است.

2) زنجير جفت يا بيس مارك 

انواع زنجيرهاي سنتي از طريق جوشكاري و به كمك منابع ليزري YAG:Nd قابل تركيب با يكديگر هستند. براي تضمين ارائه محصول با كيفيتي مطلوب، سيستم مناسب ليزري حاوي 1 يا 2 كلاهك متمركزكننده اشعه (تصوير 11) معرفي شده است. پيشرفت اخير سيستم‌هاي نوري حاوي عدسي‌هاي چندگانه متمركزكننده جوشكاري كامل زنجيرهاي جفت را طي يك مرحله امكان‌پذير مي‌سازد بدون آن‌كه نيازي به چرخش زنجير براي جوشكاري مرحله دوم باشد. كاربرد ليزر با سيستم نوري فوق امكان دستيابي به زنجيرهاي جوشكاري شده‌‌ای را فراهم می‌آورد كه به زنجيرهاي لحيم‌كاري شده و سنتي با مشعل شباهت دارند. (تصوير 12- b و a).
در تكنولوژي زنجير “بال Ball” شاهد گرايش به سوي اندازه‌هاي كوچك‌تر اين نوع زنجير هستيم. هم‌اكنون شركت‌هاي پيشرو توانسته‌اند زنجيرهاي حاوي گوي‌هاي 8/ 0 ميلي‌متر را نيز به بازار عرضه كنند.
در دوران اخير محصولات جديدي از زنجيرهاي گوي مانند در قالب چند رديف ارائه گرديده‌اند، نمونه آن زنجيرهاي لوله مانندي است كه از چند جفت گوي تشكيل شده‌اند و طرحي بسيار زيبا را به نمايش مي‌گذارند (تصوير 13- b و a).
به علاوه توالي عمليات جوشكاري و تراش، اين امكان را به ليزر مي‌دهد تا به‌طوراتوماتيك و به موقع، پنچره‌هايي را در اشكال و اندازه‌هاي متفاوت در بين زنجيرهاي حاوي گوي ايجاد كند و جلوه‌اي چشمگير به آن ببخشد. به كمك دستگاه تركيب‌كننده یا ارتباط‌دهنده به نتيجه‌ي موثرتري نيز دست مي‌يابيم به اين معنا كه اگر از ليزر استفاده كنيم آن هم زماني‌كه زنجير روي غلتك خم شده است، اشعه ليزر را مي‌توان بر روی بخش داخلي که تا حدودي غير قابل رويت است، متمرکز ساخت. هم اكنون دستگاه‌هاي مزبور مي‌توانند به كمك ليزر سبب اتصال قسمت‌هاي مورد نظر با نرخي بيش از 700 نقطه يا جفت شوند.

3- علامت ‌گذاری، كنده‌ كاري، تراش و سوراخ ‌کاری

منابع ليزرYAG CWQ – Switched DPSS tem Nd: از نوع “گاسين Gaussian” با بازده متوسط نيرويي معادل 40 وات براي علامت‌گذاري به عمق چند صد ميلي‌متر (Mils 0/39=mm0/01) قابل استفاده‌اند. علائم مورد نظر با سرعتي فوق‌العاده و تنها در يك مرحله بر روي ناحيه تعيين شده نقش خواهد بست. حكاكي نيز تا عمق   ميلي‌متر  بر روي سطوح صاف و منحني ميسر است. سيستم ليزري خاصي براي چنين اقدامي به كمك منبع ليزري YAG CWQ – Switched  Nd: حاوي كلاهك اسكن XY كه در آن آينه‌هاي “گالوو Galvo” به كمك نرم‌افزار حكاكي و كنده‌كاري حركت مي‌كنند در نظر گرفته مي‌شوند(تصوير 14).
حكاكي و تراش، بخشي از تكنولوژي علامت‌گذاري محسوب مي‌شوند كه عملكرد آن به بازده نيرو و خصوصيات نوري منبع ليزر بستگي دارد. حفاري صفحه نيز تابع عمليات تراش در فواصل بسيار كوتاه است كه ممكن است به   ميلي‌متر برسد و از اين جهت شباهت بسياري به تكنولوژي تراش دارد.

1-3 علامت‌گذاري و تزيين

به كمك ليزر مي‌توان سطح گوشواره‌، النگو و گردن‌بندها را علاوه بر تزيين، درخشان و شفاف كرد. از تكنيك مذكور در ايجاد سايه روشن جهت زينت بخشيدن به مدال‌ها استفاده می‌شود(تصوير 15). زیبایی سطوح فلزات گران‌بها و چند رنگي كه از طريق روش الکتروفرم روكش شده‌اند، بيش از حد تصور است. برخي قسمت‌هاي خاص از درخشش و شفافيت كمتري برخوردارند و اين امر توسط نرم‌افزارها براي بيشتر جلوه دادن تفاوت سنگ‌ها صورت گرفته است(تصاوير 16 و 17).

2-3 قلم زنی یا گراوورسازی 

در برخي موارد، منبع ليزر Q – Switched Nd: YAGCW  كه به شيوه Tem  به كار گرفته مي‌شود در شرايطي كه تمركز به خوبي صورت مي‌گيرد قطر محلي كه پرتو ليزر بر آن مي‌تابد را به 30 سانتي‌متر مي‌رساند. بنابراين عمليات گراوورسازی بر روي قطعات بسيار كوچك امکان‌پذیر می‌شود(تصوير 18). حك علائم و نشانه‌ها نيز بر روي قسمت‌هاي كوچك تا 1 ميلي‌متر مسير خواهد بود. به اين طريق امكان شخصي نمودن جواهرات فراهم مي‌شود، همچنين با علامت‌گذاري مجموعه‌هاي خاص از محصولات مي‌توان از هرگونه تقلب و جعل‌سازي جلوگيري به عمل آورد. در برخي كشورها با كسب مجوزهاي قانوني كاربرد تكنيك گراوورسازی به كمك ليزر به جاي استفاده از دستگاه‌هاي قديمي پانچ يا علامت‌گذاري مجاز مي‌باشد ولي از طريق روش گراوورسازی علامت‌گذاري عميق در قسمت داخلي انگشتر و غيره به سهولت انجام مي‌گيرد.

3-3 تراش

تراش، بخشي از تكنولوژي گراوورسازی به شمار مي‌آيد به خصوص هنگامی‌که عمق حکاکی بیش از ضخامت قطعه می‌باشد. يكي از كاربردهاي قديمي اشعه ليزر YAG تراش ورقه‌هاي نازك طلا است كه ضخامت آن‌ها به چند صدم ميلي‌متر مي‌رسد (Mils 0/39=mm0/01) و براي سهولت استفاده از آن‌ها مجموعه‌اي حاوي 10 ورقه روي يكديگر قرار مي‌گيرند. از اين ورقه‌ها بیشتر براي روكش‌ كردن قالب‌ها و مجسمه‌هاي طلايي بهره مي‌برند. تراش با چند بار عبور اشعه ليزر با توجه به ضخامت فلز قيمتي انجام مي‌گيرد كه مي‌تواند هر بار 1 ميلي‌متر را تحت پوشش خود قرار دهد. هم‌اكنون به منظور تعيين مالكيت و شخصي كردن جواهر مورد نظر (تصوير 19) تراش در قسمت Box زنجيرهاي Curb صورت مي‌گيرد. ما نیز موفق به تراش ورقه‌هاي طلا و نقره با ضخامت 3/ 0 ميلي‌متر به كمك سيستم‌هاي علامت‌گذاري شده‌ايم كه در آن از كلاهك‌هاي اسكن XY استفاده شده است(تصوير 20). با به‌كارگيري منابع قوي‌تر ليزري و متمركز نمودن مستقيم و تزريق اكسيژن به محل مجاور نقطه تراش، توانسته‌ايم ورقه آلياژ نقره را به ضخامت mm0/6-0/5  تراش دهيم.