تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری | با پیشرفت فناوری لیزر، جوشکاری با استفاده از پرتوهای لیزری به یکی از روش‌های موثر و مدرن در صنایع مختلف تبدیل شده است. یکی از عوامل کلیدی که بر کیفیت و عمق جوشکاری تاثیرگذار است، قطر و کیفیت پرتو لیزر است.

پرتو لیزر به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، مانند تمرکز بالای قدرت لیزر و قابلیت نفوذ در متریال‌های مختلف، توانایی ایجاد جوش‌های عمیق و با کیفیت را دارد. قطر پرتو لیزر، به عنوان یکی از پارامترهای مهم، می‌تواند تاثیر مستقیم بر روی عمق نفوذ و کیفیت جوش داشته باشد. به طور کلی، قطر کوچک‌تر پرتو لیزر منجر به تمرکز بیشتر قدرت و توان لیزر و در نتیجه عمق جوش بیشتر می‌شود، در حالی که قطر بزرگ‌تر ممکن است باعث توزیع قدرت لیزر و کاهش عمق جوش گردد.

علاوه بر قطر، کیفیت پرتو لیزر نیز نقش حیاتی در فرایند جوشکاری ایفا می‌کند. کیفیت پرتو به عواملی مانند توان خروجی، پایداری و یکنواختی آن بستگی دارد که هر یک می‌تواند بر روی عملکرد جوشکاری تاثیر بگذارد. جوشکاری با پرتو لیزر با کیفیت بالا، می‌تواند به جوش‌های یکنواخت و بدون نقص منجر شود که این امر به ویژه در صنایع حساس مانند هوافضا و پزشکی اهمیت دارد.

در این مطلب از شرکت روتک، به بررسی تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری و کیفیت نهایی جوش خواهیم پرداخت و چالش‌ها و فرصت‌های موجود در این زمینه را تحلیل خواهیم کرد.   

معرفی عوامل موثر جوشکاری لیزری: تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

در سال‌های گذشته، استفاده از لیزر فیبری برای جوشکاری نیازمند بررسی هزینه‌ها، قابلیت اطمینان و کیفیت لیزر بود. در آن زمان، تنها منبع تجاری موجود، لیزر Nd:YAG پمپ شده با لامپ بود. اما با پیشرفت‌های اخیر در تولید لیزرهای فیبری مادون قرمز CW، اکنون کاربران باید این نوع لیزرها را نیز در نظر بگیرند. لیزرهای Nd:YAG پمپ شده با دیود، لیزرهای فیبر Yb و لیزرهای دیسک نازک Yb:YAG با حداقل توان 4 کیلو وات در دسترس هستند.

مطالعه مقاله: جوشکاری قوس الکتریکی چیست

کیفیت و روشنایی پرتو لیزر از جمله چالش‌های جدید برای کاربران است. لیزرهای Nd:YAG پمپ شده با لامپ دارای پارامتر پرتویی حدود 20-25 میلی‌متر رادیان در 4 کیلو وات هستند، در حالی که فناوری‌های جدید می‌توانند پارامتر 2 میلی‌متر رادیان را ارائه دهند. کیفیت بالای پرتو باعث می‌شود که بتوان پرتو را در فیبر نوری با قطر کوچک متمرکز کرد و عمق تمرکز بیشتری ایجاد کرد.

جوشکاری لیزری به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود: جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری ذوب عمیق.

در جوشکاری هدایت حرارتی، چگالی توان کمتر از 10^4 تا 10^5 وات بر سانتی‌متر مربع است و عمق نفوذ و سرعت جوش پایین است. در مقابل، جوشکاری ذوب عمیق با چگالی توان بالاتر از 10^5 تا 10^7 وات بر سانتی‌متر مربع، عمق و سرعت جوش را افزایش می‌دهد.

به طور کلی مهم‌ترین عوامل اصلی موثر بر کیفیت جوشکاری همجوشی عمیق لیزر عبارت‌اند از:

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: میزان توان و قدرت لیزر

در جوشکاری لیزری با نفوذ عمیق، توان لیزر نقش کلیدی در تعیین عمق نفوذ و سرعت جوش دارد. عمق جوش به طور مستقیم به چگالی توان پرتو وابسته است و تحت تأثیر توان ورودی و نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد. به طور کلی، با افزایش قدرت پرتو لیزر با قطر مشخص، عمق نفوذ نیز افزایش می‌یابد.

بیشتر بدانید: چک لیست دستگاه‌ جوش لیزر

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: اندازه نقطه کانونی

اندازه نقطه کانونی یکی از مهم‌ترین عوامل در جوشکاری لیزری است، زیرا چگالی توان را تعیین می‌کند. اندازه‌گیری این نقطه در لیزرهای پرقدرت ممکن است دشوار باشد، اما روش‌های اندازه‌گیری غیرمستقیم متعددی وجود دارد. اندازه نقطه حدی پراش کانونی می‌تواند با استفاده از تئوری پراش محاسبه شود، اما به دلیل وجود بازتاب کانونی ضعیف، اندازه واقعی معمولا بزرگ‌تر از مقدار محاسبه‌شده است.

یکی از ساده‌ترین روش‌ها، پروفیل ایزو دما است که قطر نقطه کانونی و سوراخ شدن را پس از سوختن کاغذ ضخیم و نفوذ از صفحه پلی‌پروپیلن اندازه‌ گیری می‌کند. این روش با تمرین اندازه‌گیری، بر توان لیزر و زمان عمل پرتو تسلط پیدا می‌کند.

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: گاز محافظ  نوع مورد استفاده آن

در جوشکاری لیزری، معمولا از گازهای محافظی مانند هلیوم، آرگون و نیتروژن برای جلوگیری از اکسید شدن قطعه کار استفاده می‌شود. این گازها همچنین از لنز فوکوس در برابر آلودگی ناشی از بخارات فلزی و پاشش قطرات مایع محافظت می‌کنند. به ویژه در جوشکاری لیزر پرقدرت، حفاظت از لنز اهمیت زیادی دارد.

یکی دیگر از نقش‌های گاز محافظ، تأثیر آن بر پراکندگی پلاسما است؛ بخار فلز پرتو لیزر را جذب کرده و به صورت ابر پلاسما یونیزه می‌شود. اگر پلاسما بیش از حد باشد، اشعه لیزر به نوعی توسط آن مصرف می‌شود که این امر منجر به کاهش عمق جوش و افزایش سطح حوضچه جوش می‌گردد.

بیشتر بخوانید: جوشکاری پلاسما چیست

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: عامل نرخ جذب

جذب لیزری متریال به ویژگی‌های مهمی مانند سرعت جذب، بازتاب‌ پذیری، هدایت حرارتی، دمای ذوب و دمای تبخیر وابسته است. از میان این عوامل، مهم‌ترین آن میزان جذب است.

دو عامل اصلی بر میزان جذب تاثیر می‌گذارند: اول، ضریب مقاومت ماده که نشان‌دهنده این است که نرخ جذب با جذر ضریب مقاومت متناسب است و این ضریب با دما تغییر می‌کند. دوم، وضعیت سطح ماده که تاثیر قابل توجهی بر میزان جذب دارد و بر کیفیت جوش اثر می‌گذارد. عوامل تاثیرگذار در کیفیت جوشکاری لیزری را در این مقاله بخوانید.

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: بررسی میزان سرعت جوش

سرعت جوش تاثیر زیادی بر عمق نفوذ دارد؛ افزایش سرعت معمولا منجر به کاهش عمق نفوذ می‌شود، اما اگر سرعت بسیار کم باشد، ممکن است باعث ذوب بیش از حد متریال و آسیب به قطعه کار گردد؛ بنابراین، برای هر ماده خاص با قدرت لیزر مشخص و ضخامت معین، یک محدوده مناسب از سرعت جوش وجود دارد که حداکثر عمق نفوذ را به دست می‌دهد.

مطالعه مقاله: آشنایی با اصطلاحات جوشکاری

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری: فاصله کانونی لنز فوکوس

لنز فوکوس معمولا در سر تفنگ جوشکاری نصب می‌شود و فاصله کانونی آن معمولا بین 63 تا 254 میلی‌متر یا قطر 2.5 تا 10 اینچ انتخاب می‌شود.

اندازه نقطه فوکوس با فاصله کانونی مرتبط است؛ هر چه فاصله کانونی کوتاه‌تر باشد، نقطه کوچک‌تر خواهد بود. با این حال، فاصله کانونی همچنین بر عمق فوکوس تأثیر می‌گذارد و عمق فوکوس با افزایش فاصله کانونی بیشتر می‌شود. در جوشکاری واقعی، حداقل فاصله کانونی معمولا 126 میلی‌متر یا قطر 5 اینچ است؛ همچنین، لنز با فاصله کانونی 254 میلی‌متر یا عددی دقیقا معادل 10 اینچ می‌تواند برای ایجاد درز بزرگ‌تر انتخاب گردد، اما برای دستیابی به نفوذ عمیق‌تر، به توان خروجی بالاتری نیاز است.

در مجموع، هر یک از این عوامل می‌توانند بر کیفیت و عمق جوشکاری لیزری تاثیرگذار باشند و بهینه‌ سازی آن‌ها می‌تواند به بهبود نتایج جوشکاری کمک کند.

بیشتر بدانید: انواع الکترودهای جوشکاری

روش‌های محاسبه و اندازه گیری در جوشکاری لیزری به چه صورت است؟

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری | در بین آزمایش‌های ارائه شده برای محاسبه و اندازه گیری مهم‌ترین آزمایش به شرح زیر است: 

در این آزمایش از چهار لیزر با پارامترهای پرتوی 4 تا 23 میلی‌متر رادیان استفاده شده است. این لیزرها هفت ترکیب مختلف با خروجی فیبر، لنز کولیمینگ و لنز فوکوس تولید کردند که پرتوهایی با قطر 0.14 تا 0.61 میلی‌متر ایجاد کردند. همچنین، چهار سیستم فوکوس به گونه‌ای پیکربندی شدند که کمره پرتو با قطر نزدیک به 0.4 میلی‌متر تولید کنند.

تمام آزمایش‌ها بر روی فولاد C-Mn و آلیاژ آلومینیوم 5083-O با ضخامت‌های 5 و 10 میلی‌متر انجام شد. نمونه‌ها به صورت مخروطی ماشین‌کاری شدند و با سمت ماشین‌کاری شده رو به پایین بسته شدند. برای محافظت از اپتیک فوکوس، از یک اسلاید پوشش مسطح و نازل هوا استفاده شد.

توان لیزر در تمامی آزمایش‌ها روی 4000 وات تنظیم شد و از پاور سنج Ophir 8000W برای اندازه‌گیری توان لیزر استفاده شد. برای جوشکاری آلومینیوم، از آرگون به عنوان محافظت استفاده شد، در حالی که برای جوش‌های فولادی، محافظ گاز به کار نرفت. معرفی 8 نوع گاز جوشکاری

انواع و مشخصات لیزر

جدول چهار نوع لیزر (Nd:YAG، Yb:Fibre، Yb:Fib re، Yb:YAG دیسک) را بر اساس پارامترهای مختلف مانند قطر فیبر تحویل، فواصل کانونی، دور کمر پرتو اسمی و اندازه ‌گیری شده، محصول پارامتر پرتو، Rayleigh مقایسه می‌کند؛ طول، توان لیزر در قطعه کار، چگالی توان و روشنایی.

معیارهای عملکرد

کمر پرتو: کمر پرتو کوچک‌تر منجر به چگالی توان و روشنایی بالاتر می‌شود که کارایی جوش لیزر را افزایش می‌دهد.

چگالی توان: در 4000 وات، لیزرهای مختلف چگالی توان متفاوتی را نشان می‌دهند که بر مناسب بودن آنها برای کاربردهای جوشکاری خاص تاثیر می‌گذارد.

بیشتر بدانید: جوشکاری CO2 چیست

عمق و سرعت جوشکاری

اثربخشی جوشکاری لیزر به طور قابل توجهی تحت تاثیر اندازه و سرعت پرتو است. اندازه پرتوهای کوچک‌تر می‌توانند در سرعت‌های پایین‌تر به نفوذ عمیق‌تر دست یابند.

افزایش سرعت جوشکاری بر عمق نفوذ تاثیر می‌گذارد و تفاوت‌های قابل‌توجهی در سرعت‌های بالاتر مشاهده می‌شود.

برنامه‌های کاربردی

این یافته‌ها به ویژه برای جوشکاری آلومینیوم و فولاد C-Mn مرتبط هستند و اهمیت پارامترهای لیزر را در دستیابی به نتایج جوشکاری مورد نظر برجسته می‌کنند.

عوامل اضافی

زاویه واگرایی پرتو و استفاده از گازهای محافظ نیز نقش مهمی در کیفیت جوش دارد.

این خلاصه یافته‌ها و مفاهیم اساسی فناوری جوش لیزری را بر اساس داده‌ها و بحث ارائه شده در بر می‌گیرد.

مطالعه مقاله: جوشکاری ورق نازک

تاثیر سرعت جوش بر عمق نفوذ در جوشکاری لیزری؛ بررسی رابطه و بهینه‌ سازی تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

به طور کلی با بررسی نمودارهای مربوط به نتایج زیر درباره تاثیر سرعت جوش بر عمق نفوذ در جوشکاری لیزری رسیدیم:

عمق نفوذ در مقابل سرعت جوشکاری

نمودارها رابطه بین سرعت جوش (بر حسب متر بر دقیقه) و عمق نفوذ (بر حسب میلی‌متر) را برای اندازه‌های مختلف نقطه نشان می‌دهند؛ با افزایش سرعت جوش، عمق نفوذ به طور کلی برای همه اندازه‌های نقطه کاهش می‌یابد.

بیشتر بخوانید: رفع عیوب جوشکاری با دستگاه جوش لیزری

تاثیر اندازه نقطه

اندازه‌های لکه‌های کوچک‌تر (به عنوان مثال، 0.14 میلی‌متر، 0.40 میلی‌متر) در مقایسه با اندازه‌های لکه‌های بزرگ‌تر (مثلا 0.44 میلی‌متر، 0.61 میلی‌متر) تمایل به دستیابی به عمق نفوذ بیشتر در سرعت‌های پایین‌تر دارند. بر اساس داده‌ها موجود به این نتیجه رسیدیم که هر چه اندازه نقطه کوچک‌تر باشد، اجازه می‌دهد تا توان لیزر تمرکز بیشتری داشته باشد و نفوذ را افزایش دهد.

افزایش نسبی نفوذ

یک نمودار افزایش نسبی درصد نفوذ را با افزایش سرعت جوش نشان می‌دهد که نشان می‌دهد در سرعت‌های بالاتر، نفوذ می‌تواند پس از رسیدن به یک آستانه به طور قابل توجهی افزایش یابد.

مطالعه مقاله: مقایسه جوش لیزری و جوش آرگون

رابطه معکوس

روند کلی در سراسر نمودارها رابطه معکوس بین سرعت جوش و عمق نفوذ را نشان می‌دهد و بر اهمیت بهینه سازی این پارامترها برای جوشکاری موثر تاکید می‌کند.

مفهوم عملی

این یافته‌ها برای بهینه سازی فرایندهای جوشکاری لیزری، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق بر عمق نفوذ و سرعت جوشکاری دارند، بسیار مهم هستند. این خلاصه یافته‌های ضروری مربوط به پارامترهای جوشکاری لیزر را بر اساس نمودارهای ارائه شده در بر می‌گیرد.

معرفی بهترین دستگاه جوش لیزری

دستگاه جوش لیزری فایبر

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری | دستگاه جوش لیزری برای جوشکاری متریال‌های فلزی مانند آهن، استیل، آلومینیوم و سایر آلیاژها استفاده می‌شود و در صنایع متنوعی کاربرد دارد. این دستگاه با فناوری لیزر فایبر، قابلیت جوشکاری، تمیز کاری و برش فلزات را داراست.

مزایای اصلی این دستگاه شامل:

• کیفیت و سرعت: جوش یکنواخت و با کیفیت، سرعت جوش تقریباً دو برابر روش‌های سنتی.
• قابلیت‌های متنوع: امکان انجام انواع جوش‌ها (خطی، نقطه‌ای، دورانی و …).
• کاهش هزینه‌ها: مصرف برق 80 تا 90 درصد کمتر و نیاز به حداقل دو جوشکار.
• آموزش آسان: یادگیری کار با دستگاه کمتر از یک هفته.
• انعطاف‌پذیری: هد دستی و قابلیت جوشکاری در اندازه‌های مختلف و زوایای متناسب.

این دستگاه در صنایع مختلف از جمله تجهیزات پزشکی، هوافضا، و تولید لوازم‌خانگی کاربرد دارد و به دلیل طراحی بهینه و عدم نیاز به متخصص، کاربری آسانی دارد.

جمع بندی موضوع تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری یکی از جنبه‌های کلیدی در بهینه ‌سازی فرایندهای جوشکاری با لیزر است. قطر پرتو لیزر به طور مستقیم بر تمرکز قدرت لیزر و در نتیجه عمق نفوذ جوش تاثیر دارد. پرتوهای با قطر کوچک‌تر قادر به ایجاد نفوذ عمیق‌تری در متریال‌های مختلف هستند، در حالی که پرتوهای با قطر بزرگ‌تر ممکن است توان و قدرت لیزر را به طور یکنواخت‌تری توزیع کنند و عمق جوش را کاهش دهند.

علاوه بر قطر، کیفیت پرتو لیزر نیز اهمیت بالایی دارد. عواملی مانند توان خروجی، یکنواختی و پایداری پرتو می‌توانند بر روی کیفیت جوش و یکنواختی آن تاثیر بگذارند. جوشکاری با پرتوهای با کیفیت بالا منجر به جوش‌های بدون نقص و با استحکام بالا می‌شود که در صنایع حساس، مانند هوافضا و پزشکی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

در نهایت، درک دقیق و بهینه‌ سازی این دو پارامتر می‌تواند به بهبود کیفیت و کارایی فرایندهای جوشکاری لیزری کمک کند و به کاهش هزینه‌ها و زمان تولید منجر شود؛ بنابراین، توجه به قطر و کیفیت پرتو لیزر در طراحی و اجرای پروژه‌های جوشکاری امری ضروری است.

 در این مطلب از شرکت روتک، به بررسی موضوع تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری پرداختیم.

شما می‌توانید با دریافت مشاوره از کارشناسان مجرب ما، مناسب‌ترین دستگاه را تهیه کنید. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره خرید دستگاه جوش لیزری و برای آشنایی با دستگاه‌ برش لیزری به سایت روتک سر بزنید یا با ما تماس حاصل کنید.