فناوری لیزر

رابطه بین سرعت جوشکاری لیزری، توان و ضخامت ماده برای تعیین کیفیت و کارایی فرآیندهای جوشکاری بسیار حیاتی است. این سه عامل (سرعت جوشکاری، توان لیزر و ضخامت ماده) به هم وابسته هستند و باید بهینه شوند تا جوش‌های محکم و بدون نقصی به دست آید. درک نحوه تعامل این عوامل برای صنایعی مانند خودرو، هوافضا و تولید که دقت و یکپارچگی ماده از اهمیت بالایی برخوردار است، ضروری می‌باشد.

معرفی اولیه دستگاه جوشکاری لیزری

دستگاه جوشکاری لیزری از پالس‌های لیزری با انرژی بالا برای گرم کردن موضعی مواد در یک ناحیه کوچک استفاده می‌کند و از طریق هدایت حرارت، مواد را ذوب کرده و جوشکاری را انجام می‌دهد. اصل کار آن عمدتاً شامل موارد زیر است:

• تمرکز نوری: دستگاه جوشکاری لیزری از پرتو لیزر تولید شده توسط لیزر استفاده می‌کند و از طریق عدسی‌ها یا آینه‌ها و سایر اجزای نوری، انرژی لیزر را روی نقطه جوش متمرکز می‌کند.

• هدایت حرارتی: هنگامی که پرتو لیزر به سطح قطعه کار تابیده می‌شود، انرژی لیزر جذب شده و به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. این انرژی گرمایی از طریق هدایت حرارتی به تدریج در بخش‌های فلزی هادی اتصال جوش منتقل شده و دمای آن را افزایش می‌دهد.

• ذوب و اختلاط: هنگامی که سطح فلز به دمای کافی بالایی برسد، فلز شروع به ذوب شدن کرده و یک حوضچه مذاب تشکیل می‌دهد. تحت تأثیر پرتو لیزر، حوضچه مذاب به سرعت گسترش یافته و مخلوط می‌شود و بدین ترتیب اتصال فلزی ایجاد می‌شود.

• سرد شدن و انجماد: پس از توقف پرتو لیزر، حوضچه مذاب به تدریج سرد شده و در طول فرآیند انجماد، اتصال جوشکاری‌شده را تشکیل می‌دهد. در طول فرآیند انجماد، مولکول‌های فلزی دوباره آرایش یافته و کریستالیزه می‌شوند تا اتصال جوشکاری محکمی ایجاد شود.

مزایای دستگاه جوشکاری لیزر

• دقت بالا: قادر به دستیابی به دقت جوشکاری در سطح میکرون است و به‌ویژه برای نیازهای جوشکاری ساختارهای کوچک و پیچیده مناسب است.

• سرعت بالا: به‌ویژه در حالت جوشکاری ذوب عمیق، به دلیل تمرکز انرژی لیزر، حوضچه کوچک و عمیق است که منجر به سرعت جوشکاری بالا و بازدهی تولید زیاد می‌شود.

• تغییر شکل کم: در مقایسه با روش‌های سنتی جوشکاری، جوشکاری لیزری ورودی حرارتی کمتری دارد و تأثیر کمتری بر مواد اطراف دارد که به کاهش تغییر شکل پس از جوشکاری کمک می‌کند.

• منطقه تحت تأثیر حرارتی کوچک: می‌تواند آسیب حرارتی به مواد اطراف را کاهش دهد و کیفیت اتصالات جوشکاری‌شده را بهبود بخشد.

توان جوشکاری لیزری، سرعت و ضخامت ماده

1. منبع تغذیه جوشکاری لیزری

توان لیزر عامل تعیین‌کننده عمق نفوذ جوش و میزان کل انرژی ورودی در حین جوشکاری است. این پارامتر مقدار گرمای مورد نیاز برای ذوب مواد پایه و تشکیل حوضچه جوش را مشخص می‌کند. برای ورق‌های ضخیم‌تر، معمولاً به توان لیزر بالاتری برای دستیابی به عمق نفوذ کافی نیاز است، در حالی که مواد نازک‌تر را می‌توان با تنظیمات توان پایین‌تر از ذوب بیش‌ازحد یا سوراخ شدن محافظت کرد.

• توان بالاتر: می‌تواند نفوذ عمیق‌تری ایجاد کند و برای جوشکاری مواد ضخیم‌تر مناسب است. با این حال، اگر توان روی ورق نازک بیش از حد زیاد باشد، ممکن است منجر به ناپایداری حفره، پاشش ذرات و حتی عیوب سوزنده شود.

• کاهش مصرف انرژی: برای ورق‌های نازک‌تر مناسب‌تر است و کنترل بهتری فراهم می‌کند و از تغییر شکل یا ذوب مواد ناشی از گرمای بیش‌ازحد جلوگیری می‌کند.

توان لیزر باید با دقت بر اساس ضخامت ماده انتخاب شود تا اطمینان حاصل شود که اتصال مناسب ایجاد شده و هیچ عیبی وجود ندارد.

2. سرعت لاستیکی

سرعت جوشکاری به نرخ حرکت لیزر در امتداد محل اتصال جوش داده‌شده اشاره دارد. این عامل بر میزان ورودی گرمایی به ازای هر واحد طول تأثیر می‌گذارد و عامل کلیدی در تعیین کیفیت جوش است. رابطه مستقیمی بین سرعت جوشکاری و توان لیزر وجود دارد؛ به‌طوری‌که افزایش یکی معمولاً نیازمند تنظیم دیگری است تا عملکرد مطلوب جوشکاری حفظ شود.

• سرعت جوشکاری بالاتر: ورودی گرمایی به ازای هر واحد طول جوش را کاهش می‌دهد که این امر برای مواد نازک مفید است و از داغ‌شدگی بیش‌ازحد و تغییر شکل جلوگیری می‌کند. با این حال، اگر سرعت برای توان مشخصی خیلی زیاد باشد، جوش ممکن است فاقد نفوذ کافی باشد و منجر به ایجاد اتصالات ضعیف یا عدم امتزاج کامل شود.

• کاهش سرعت جوشکاری: ورودی گرما را افزایش می‌دهد تا ماده بیشتری ذوب شده و نفوذ عمیق‌تری به داخل زیرلایه ایجاد شود. این امر برای ورق‌های ضخیم مزیت دارد، اما ممکن است باعث داغ‌شدگی بیش‌ازحد مواد نازک یا جریان بیش‌ازحد فلز مذاب شود.

استفاده از بهترین سرعت جوشکاری برای تعادل ورودی گرما و جلوگیری از عیوب رایج جوشکاری (مانند تخلخل، ترک‌خوردگی یا تغییر شکل) بسیار حیاتی است.

3. ضخامت ماده

ضخامت مواد جوشکاری نقش مهمی در تعیین توان مورد نیاز و سرعت‌های قابل قبول جوشکاری ایفا می‌کند. ورق‌های ضخیم‌تر برای دستیابی به نفوذ کامل به حرارت بیشتری نیاز دارند، بدین معنا که لیزر باید در سطوح توان بالاتری کار کند و ممکن است لازم باشد سرعت جوشکاری کاهش یابد تا زمان کافی برای جذب حرارت فراهم شود. در مقابل، ورق‌های نازک‌تر به توان کمتری و سرعت‌های بالاتری نیاز دارند تا از ورود حرارت اضافی که می‌تواند منجر به ذوب شدن یا سوراخ شدن شود، جلوگیری شود.

• ورق‌های ضخیم: برای دستیابی به نفوذ کامل، انرژی بیشتری مورد نیاز است. لیزر باید توان بالاتری فراهم کند و سرعت جوشکاری باید کندتر باشد تا انرژی کافی به ماده منتقل شود.

• ورق‌های نازک: انرژی کمتری مورد نیاز است، بنابراین توان لیزر را می‌توان کاهش داد و سرعت جوشکاری را افزایش داد. مواد نازک به دفرمگیری ناشی از حرارت حساس‌تر هستند، بنابراین کنترل دقیق این متغیرها بسیار مهم است.

تعامل بین نیرو، سرعت و ضخامت

رابطه بین سرعت جوشکاری لیزری، توان و ضخامت ورق، عملیاتی متعادل‌کننده است. برای هر ضخامت ماده، ترکیب بهینه‌ای از توان لیزر و سرعت جوشکاری وجود دارد تا کیفیت بالای جوشکاری، عمق نفوذ مناسب و حداقل عیوب تضمین شود.

به عنوان مثال، هنگام جوشکاری ورق‌های فولادی ضخیم، افزایش توان لیزر بدون تنظیم سرعت جوشکاری ممکن است منجر به ورود حرارت بیش از حد شود و باعث عیوبی مانند پیچش یا زیادی شدن عرض خط جوش گردد. در مقابل، کاهش سرعت جوشکاری بدون افزایش توان ممکن است باعث شود جوش‌ها بیش از حد عمیق شوند و به طور بالقوه منجر به داغ‌شدگی بیش از حد ماده گردد. برای مواد نازک، توان بیش از حد ترکیب‌شده با سرعت جوشکاری کند ممکن است منجر به ذوب بیش از حد یا سوراخ‌شدن ماده گردد.

رابطه بین سرعت جوشکاری لیزری و ضخامت ورق

ورق‌های ضخیم به سرعت جوشکاری کمتری نیاز دارند

هنگام جوشکاری ورق‌های ضخیم با لیزر، مواد به حرارت بیشتری نیاز دارند تا نفوذ کامل حاصل شود و استحکام کافی در اتصال ایجاد گردد. بنابراین، کاهش سرعت جوشکاری برای فراهم کردن زمان کافی جهت انتقال انرژی لیزر در تمام ضخامت ماده بسیار مهم است. اگر سرعت جوشکاری خیلی زیاد باشد، انرژی لیزر به طور کامل نفوذ نخواهد کرد و این امر ممکن است منجر به عمق نفوذ ناکافی، جوش‌های ناپیوسته یا استحکام ناکافی در اتصال شود.

• ورق ضخیم (>6mm): سرعت جوشکاری باید کم باشد تا اطمینان حاصل شود که انرژی لیزر بتواند به طور کامل در تمام ضخامت ورق نفوذ کند و جوشی پایدار و با استحکام بالا ایجاد شود.

ورق‌های نازک را می‌توان با سرعت بیشتری جوش داد

در مقایسه با صفحات ضخیم، مواد ورق نازک (کمتر از ۲ میلی‌متر) به حرارت کمتری نیاز دارند که این امر باعث می‌شود لیزر به راحتی بتواند کل ضخامت را نفوذ کند. این موضوع امکان استفاده از سرعت جوشکاری بالاتری را فراهم می‌کند که به طور مؤثر از گرمای بیش از حد یا ذوب شدن زیاد جلوگیری کرده و بدین ترتیب از تغییر شکل یا سوراخ شدن محل جوش در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، سرعت‌های بالاتر جوشکاری می‌توانند به‌طور قابل توجهی کارایی کلی را افزایش دهند.

• صفحه نازک (<۲ میلی‌متر): سرعت جوشکاری باید سریع باشد تا از تغییر شکل، سوراخ شدن و سایر عیوب جوشکاری ناشی از گرمای بیش از حد ماده جلوگیری شود.

تأثیر توان لیزر بر سرعت جوشکاری و ضخامت صفحه

توان لیزر تعیین‌کننده میزان ورودی انرژی در حین جوشکاری است. لیزرهای پرتوان خروجی حرارتی قوی‌تری دارند و برای جوشکاری مواد ضخیم‌تر مناسب‌تر هستند، در حالی که لیزرهای کم‌توان برای صفحات نازک بهتر عمل می‌کنند. هنگام انتخاب سرعت جوشکاری، تطابق توان لیزر با ضخامت صفحه امری حیاتی است تا نفوذ کافی ایجاد شود بدون آنکه باعث گرمای بیش از حد ماده شود.

جوشکاری لیزری صفحات ضخیم با توان بالا

هنگام جوشکاری ورق‌های ضخیم‌تر، به توان لیزر بالاتری نیاز است تا انتقال حرارت کافی به ماده انجام شود و یک حوضچه مذاب پایدار تشکیل شود. با ترکیب سرعت جوشکاری پایین‌تر، انرژی لیزر می‌تواند مواد را به مدت طولانی‌تری به‌صورت یکنواخت گرم کند تا عمق ذوب تضمین شود.

• جوشکاری ورق ضخیم با توان 6 کیلووات: سرعت جوشکاری معمولاً بین 0.5 تا 1.2 متر بر دقیقه است.

جوشکاری لیزری ورق نازک با توان پایین

در جوشکاری ورق نازک، توان پایین‌تر و سرعت‌های بالاتر به جلوگیری از گرمای بیش‌ازحد و تغییر شکل جوش کمک می‌کند. معمولاً هنگامی که توان لیزر در محدوده 2 تا 3 کیلووات باشد، می‌توان ورق‌هایی با ضخامت کمتر از 2 میلی‌متر را پردازش کرد.

• جوشکاری ورق نازک با توان 2 کیلووات (1 میلی‌متر): سرعت جوشکاری معمولاً بین 5 تا 10 متر بر دقیقه است.

جدول مقایسه توان و سرعت دستگاه جوشکاری لیزری

در ادامه مقایسه‌ای از توان دستگاه جوشکاری لیزری و سرعت جوشکاری در شرایط مختلف ضخامت ورق آورده شده است:

• ورق نازک (1-2 میلی‌متر): ترکیب توان کم (2-3 کیلووات) و سرعت جوشکاری بالا (5-10 متر/دقیقه) برای این نوع جوشکاری مناسب است و عملیات سریعی را بدون تولید بیش‌ازحد گرما فراهم می‌کند.

• ورق متوسط و ضخیم (4-6 میلی‌متر): توان متوسط (4-6 کیلووات) همراه با سرعت جوشکاری متوسط (1-3 متر/دقیقه) می‌تواند عمق ذوب را تضمین کرده و از ایجاد منطقه تحت تأثیر حرارتی بیش‌ازحد جلوگیری کند.

• ورق‌های ضخیم (>6 میلی‌متر): برای ورق‌های ضخیم، از توان بالا (8-10 کیلووات) همراه با جوشکاری کند (0.5-1 متر/دقیقه) استفاده کنید تا گرمای کافی به داخل ماده نفوذ کند و اتصالی با استحکام بالا ایجاد شود.

جدول توان لیزری، ضخامت و سرعت جوشکاری

جوشکاری لیزری یک فناوری اتصال دقیق است که جوشکاری با سرعت بالا و کیفیت بالا را برای ضخامت‌های مختلف فلز فراهم می‌کند. رابطه بین توان لیزر، ضخامت ماده و سرعت جوشکاری برای دستیابی به نتایج بهینه بسیار مهم است. این یک جدول جامع است که این پارامترها را برای مواد متداول ارائه می‌دهد.

فولاد ملایم

فولاد ضد زنگ

آلومینیوم

مس

فلز زرد

ورق گالوانیزه

نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، صفحات ضخیم‌تر معمولاً به توان بیشتر و سرعت جوشکاری کندتر نیاز دارند، در حالی که مواد نازک‌تر به توان کمتر و سرعت جوشکاری سریع‌تر نیازمندند. این تعادل دقیق باعث استفاده کارآمد از انرژی و کیفیت برتر جوشکاری می‌شود. درک این روابط به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا فرآیندهای خود را برای کاربردهای خاص، مواد و ضخامت‌ها بهینه کنند و در نتیجه جوش‌های قوی‌تر و قابل اعتمادتری با عیوب کمتری تولید شود.