تاثیر قطر و کیفیت پرتو در عمق جوشکاری لیزری

هرچه زمان جلوتر می‌رود، صنایع بیشتر به دنبال افزایش سرعت، دقت و کیفیت در فرآیندهای تولید هستند. جوشکاری لیزری هم از این قاعده پیروی می‌کند و به عنوان دقیق‌ترین و پیشرفته‌ترین روش جوش فلزات می‌خواهد بهره‌وری را در اوج تجربه کند. اما چه عواملی عمق نفوذ در جوش لیزری را تعیین می‌کنند؟ قطر پرتو و کیفیت پرتو (Beam Quality) دو عامل کلیدی هستند که مستقیما بر عمق جوش، کیفیت خروجی و حتی میزان پایداری اتصال تأثیرگذارند. به عبارت دیگر، هرگونه تغییر در این پارامترها به راحتی نتایج جوش لیزری را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

با نوین تاک همراه شوید تا تأثیر قطر و کیفیت پرتو در عملکرد دستگاه جوش لیزری را بررسی کنیم و توضیح دهیم که چطور تنظیم درست این پارامترها می‌تواند موجب افزایش بهره‌وری، بهینه‌سازی اتصالات و کاهش هزینه‌ها شود.

قطر، کیفیت و روشنایی پرتو در جوشکاری لیزری

قبل از اینکه تاثیر عوامل کلیدی را در بهینه‌سازی جوش لیزری بررسی کنیم، باید درک عمیقی از مفاهیم هرکدام داشته باشیم و نحوه اندازه‌گیری آن‌ها را بدانیم:

قطر پرتو لیزر (Laser Beam Diameter)

جوش لیزری بر مبنای پرتو لیزر عمل می‌کند و قطر پرتو یکی از مهم‌ترین پارامترهای آن است. در واقع قطر پرتو اندازه نور روی سطح قطعه کار را تعیین می‌کند. این پارامتر رابطه‌ای مستقیم با چگالی توان (Power Density) دارد؛ به این معنا که هرچه قطر پرتو کوچکتر باشد، انرژی بیشتری در واحد سطح متمرکز شده و در نتیجه، حرارت بیشتری به نقطه مورد نظر برای جوش خوردن وارد می‌شود.

تأثیر قطر پرتو بر چگالی توان با فرمول زیر مشخص می‌شود:

Power Density (W/cm²) = Laser Power (W) / Spot Area (cm²)

با توجه به این فرمول، اگر توان لیزر ثابت باشد، هرچه قطر پرتو لیزر را کوچکتر کنیم، چگالی توان بیشتر شده و در نتیجه، انرژی وارده و عمق نفوذ در جوشکاری بیشتر خواهد شد. این مسئله برای جوشکاری فلزات ضخیم یا در پروژه‌هایی که نیاز به نفوذ عمیق است، اهمیت حیاتی پیدا می‌کند.

کیفیت پرتو  (Beam Parameter Product)

کیفیت پرتو یا BPP معیاری است که از ترکیب عوامل دیگر به دست می‌آید. به بیان ساده‌تر، حاصل‌ضرب قطر نقطه کانونی پرتو دستگاه لیزر و زاویه واگرایی آن تعیین‌کننده کیفیت پرتو در دستگاه جوش لیزری است. این مولفه، توانایی پرتو در تمرکز دقیق و نفوذ در عمق بیشتر را نشان می‌دهد و مقدار کمتر آن اشاره به کیفیت بهتر پرتو و قابلیت تمرکز بالاتر آن دارد. کیفیت بالاتر پرتو منجر به ایجاد جوش‌هایی با عمق بیشتر و پهنای کمتر می‌شود که در سفارشات ظریف، حیاتی هستند.

روشنایی پرتو  (Laser Brightness) 

روشنایی پرتو یک شاخص ترکیبی دیگر است که نشان می‌دهد پرتو لیزر در زاویه‌های مختلف، چه میزان انرژی منتشر می‌کند. برای محاسبه این شاخص، نسبت چگالی توان به زاویه واگرایی پرتو را اندازه‌گیری می‌کنند و هرچه روشنایی بالاتر باشد، به معنای متمرکز بودن بیشتر انرژی در یک نقطه خاص است. روشنایی بالا برای نفوذ بهتر در فلزات سخت یا ضخیم اهمیت دارد و بخصوص در پروژه‌های تولیدی که سرعت عمل ملاک است و زمان تماس لیزر با قطعه‌کار محدود است، اهمیت پیدا می‌کند.

جدول مقایسه‌ای مفاهیم کلیدی پرتو لیزر

تأثیر قطر پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

همانطور که پیش از این اشاره کردیم، قطر کمتر پرتو منجر به عمق بیشتر آن خواهد شد، اما ماجرا به همینجا ختم نمی‌شود. کاهش قطر پرتو لیزر تا حد مشخصی مفید است، اما در عمل، پیامدهایی به همراه دارد که باید به دقت کنترل شوند:

افزایش عمق نفوذ با کاهش قطر

در آزمایش‌هایی که بر روی فلزاتی مانند آلومینیوم و فولادهای کم‌کربن انجام شد، مشخص شد که کاهش قطر پرتو از 0.8 میلی‌متر به 0.4 میلی‌متر باعث افزایش عمق نفوذ از 1.5 میلی‌متر به بیش از 3 میلی‌متر می‌شود. اما در کاهش بیش از حد قطر پرتو، مشکلاتی مانند افزایش واگرایی پس از نقطه کانونی، ناپایداری حوضچه مذاب و احتمال خراب‌شدن قطعه‌کار نیز رخ می‌دهد. این وضعیت در آلیاژهایی مانند آلومینیوم که رسانایی حرارتی زیادی دارند، حتی منجر به تبخیر ناخواسته یا پاشش می‌شود. به همین خاطر در انواع دستگاه جوش لیزر حرفه‌ای از سیستم‌های دقیقی برای کنترل و تنظیم قطر پرتو بسته به جنس و ضخامت ماده استفاده می‌کنند.

تجربه نشان داده است که بهترین بازدهی عمق جوش لیزری  بدون خطر از دست رفتن قطعه، در قطرهایی بین 0.5 تا 0.7 میلی‌متر است.

تأثیر کیفیت پرتو لیزر (BPP) بر عمق جوشکاری

وقتی کیفیت پرتو لیزر عدد کمتری را نشان می‌دهد، به این معناست که پرتو لیزر با واگرایی کمتر و نقطه کانونی دقیق‌تری هدایت شده است. به زبان ساده، این تمرکز بهتر منجر به افزایش انرژی حرارتی در محل جوش شده و عمق نفوذ پرتو را بهبود می‌بخشد.

در آزمایش‌های صورت‌گرفته روی ورق‌های فولادی با ضخامت 2 میلی‌متر و با دو دستگاه جوش لیزر با توان یکسان 1000 وات ولی با BPP متفاوت، نتیجه‌ها نشان دادند که لیزر با کیفیت بهتر (BPP پایین‌تر) توانست تا عمق 3.8 میلی‌متری نفوذ کند، در حالی که لیزر با  BPP بیشتر حدود 2.1 میلی‌متر نفوذ داشت.

از سوی دیگر، افزایش کیفیت پرتو باعث کاهش نقص‌های ظاهری در قطعه‌کار هم می‌شود. ریسک بروز ایراداتی مانند حفره، ترک و سردجوشی در این شرایط کاهش پیدا می‌کند و  تمرکز بهتر پرتو به اپراتور اجازه می‌دهد با سرعت بالاتری حرکت کند.

عوامل مکمل مؤثر بر عمق جوش در جوشکاری لیزری

علاوه بر قطر و کیفیت پرتو، عوامل دیگری هم وجود دارند که بر عمق نفوذ در جوشکاری لیزری تأثیرگذار هستند:

• توان لیزر: افزایش توان لیزر باعث افزایش انرژی ورودی به سطح کار و در نتیجه پیشروی بیشتر در عمق آن می‌شود. این پارامتر را باید به گونه‌ای تنظیم کنید که با قطر پرتو تناسب داشته باشد و باعث سوختگی یا از هم پاشیدگی نقطه جوش نشود.
• سرعت جوشکاری: بالا رفتن سرعت حرکت دستگاه جوش لیزر نسبت به قطعه، فرصت کمتری برای نفوذ حرارت فراهم می‌کند و عمق جوش را کاهش می‌دهد.
• فاصله کانونی لنز: اگر فاصله کانونی را کمتر کنید، تمرکز انرژی در یک نقطه کوچک بیشتر شده و چگالی توان بالا می‌رود، اما عمق ناحیه فوکوس محدودتر می‌شود.

پرتو دقیق لیزر؛ جوش بی نقص و تمیز

در سال‌های اخیر فناوری لیزر به صنایع مختلف راه پیدا کرده و به دلیل دقت و سرعت زیاد و قابلیت استفاده در فرآیندهای متنوع، مورد توجه قرار گرفته است. اما همچنان تکنسین‌ها و اپراتورها برای دستیابی حداکثری به بهره‌وری این فناوری راهکارهای مختلف را امتحان می‌کنند. حقیقت این است که کیفیت خروجی تنها در گرو انتخاب دستگاه جوش لیزری پیشرفته و گران‌قیمت نیست؛ بلکه گاهی درک عمیق از پارامترهایی مانند قطر پرتو، کیفیت پرتو و سایر عوامل جانبی نقشی کلیدی در کنترل عمق نفوذ و بهترشدن کیفیت نهایی اتصال دارند.

اپراتورها باید با تنظیم صحیح این متغیرها مانع بروز ایرادات ظاهری در قطعه‌کار شوند و بهره‌وری را در خطوط تولید صنعتی بهبود ‌بخشد. اگر به دنبال انتخاب حرفه‌ای‌ترین دستگاه جوش لیزری متناسب با کاربرد موردنیازتان هستید، مشاوران فنی نوین تاک آماده‌اند تا شما را در این مسیر راهنمایی کنند.