در فرآیند جوشکاری لیزری، تولید گرما یکی از مهم‌ترین و در عین حال چالش‌برانگیزترین اتفاقاتی است که می‌تواند تفاوت بین یک اتصال باکیفیت و یک خروجی ناقص و پر از ایراد را رقم بزند. به عبارت ساده‌تر، اگر گرمای تولید شده توسط لیزر روی قطعه‌کار را مهار نکنید، حتی بهترین جوش هم با انحراف، ترک، تغییر ساختار فلز و حتی کاهش عمر قطعه همراه می‌شود.
در این صفحه، به شکل مرحله به مرحله بررسی می‌کنیم که 5 روش کارآمد خنک سازی و مدیریت گرما در کار با دستگاه جوش لیزر کدام‌اند، در چه شرایطی به کار می‌آیند و چطور به کمک آن‌ها می‌توانید هزینه تعمیرات و دوباره‌کاری را به حداقل برسانید.
اهمیت کنترل گرما در جوشکاری لیزری
در جوشکاری لیزری، انرژی متمرکز لیزر ناحیه خاصی از قطعه کار را ذوب کرده و در آن بخش حوضچه مذاب تشکیل می‌دهد. اما اگر این انرژی از حد مشخصی تجاوز کند، می‌تواند به نقطه ضعف تبدیل شده و خطر ترک خوردن و گسترش منطقه متاثر از حرارت (HAZ) را به همراه داشته باشد.
در دستگاه لیزر صنعتی، تنظیم توان و سرعت، قطر نقطه لیزر و خنک کاری با آب یا گاز، راهکارهای اصلی کنترل حرارت‌اند که دقت ابعادی و مقاومت مکانیکی لازم را در قطعه خروجی حفظ می‌کنند.
اصول حرارتی در جوشکاری لیزری
| عامل حرارتی | نقش عامل حرارتی در جوش لیزری | پیامد عدم کنترل |
| توان لیزر | تنظیم عمق و نرخ ذوب | نفوذ کم یا سوختگی |
| سرعت حرکت | تعیین زمان تماس گرما با قطعه | اتصال ناقص |
| قطر نقطه | کنترل چگالی انرژی | پاشش یا ناپایداری حوضچه |
| مد دستگاه جوش لیزری | تنظیم پیک حرارتی | HAZ بزرگ یا ترک گرم |
| سیستم خنک سازی | کاهش شوک حرارتی | تخلخل و ترک سرد |
چطور طی فرآیند جوشکاری لیزری، گرما را مدیریت کنیم؟
با توجه به اینکه کیفیت خروجی کار در جوشکاری لیزری تا حد زیادی به میزان حرارت بستگی دارد، قبل از اینکه قطعه‌کار را وارد پروسه جوش کنید باید نحوه مدیریت دقیق گرما را بدانید. 5 روش فنی و کاربردی که می‌توانند به عنوان راهکارهای خنک سازی یا کنترل حرارت در جوشکاری لیزری مورد استفاده قرار گیرند را در ادامه بخوانید و اگر در صنایع تولید قطعات فلزی فعالیت دارید، از آن‌ها بهره‌مند شوید.
کنترل ورودی انرژی از طریق تنظیم پارامترهای لیزر
یکی از ساده‌ترین و موثرترین روش‌ها برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دما و گسترش منطقه HAZ ، کاهش توان لیزر یا افزایش سرعت حرکت پرتو است.
در دستورالعمل بسیاری از انواع دستگاه جوش لیزری، تولیدکننده اشاره کرده که توان‌های پایین‌تر در محدوده ۵۰ تا ۳۰۰ وات، باعث نفوذ کمتر پرتو در قطعه‌کار می‌شوند. بنابراین؛ در قطعات نازک یا با مساحت حساس، این روش باید همراه با پایش دمایی دقیق صورت گیرد تا نفوذ کافی اتفاق بیفتد.
استفاده از مد پالسی
با تنظیم لیزر روی حالت پالسی، انرژی را در بازه‌های کوتاه به قطعه‌کار تزریق می‌کنید و به این وسیله خنک سازی طبیعی را امکان‌پذیر می‌کنید. این راهکار، سرعت بالا رفتن دما را کاهش داده و گرمای تجمع‌کرده در نقطه مشخص را کاهش می‌دهد. به طور کلی، سرعت تغییر دما و نرخ سرد شدن، اثر زیادی روی دانه‌بندی قطعه دارد.
استفاده از پایه حرارتی یا هیت سینک
یکی از روش‌های خنک سازی در جوشکاری لیزری، هست سینک است. در این روش، با قرار دادن قطعه‌کار روی یک صفحه فلزی با رسانایی بالا (مثل مس یا آلومینیوم) که گرما را گرفته و پخش می‌کند، دمای منطقه جوش و را کاهش می‌دهند. نکته قابل توجه در استفاده از پایه حرارتی این است که جنس و ضخامت این صفحه باید با ماده پایه و میزان گرمای تولیدی متناسب باشد.
خنک کاری با مایع نزدیک محل جوش
حضور کانال‌های گردش آب یا مایع خنک‌کننده در نزدیکی قطعه‌کار باعث انتقال سریع گرما شده و از تجمع آن در مدت زمان کوتاه در یک نقطه، جلوگیری می‌کند. در خیلی از کارگاه‌های بزرگ با حجم تولید قابل توجه، برای دستگاه‌های لیزر با توان بالا از سیستم گردش آب حلقه بسته با مبدل حرارتی و ونتیلاتور استفاده می‌کنند.
خنک کاری با گازهای مناسب
در مواقعی که امکان اجرای سیستم خنک‌کننده مایع برای دستگاه جوش لیزر نیست، استفاده از جریان گاز یا هوای خشک می‌تواند گرما را کاهش دهد. دستگاه‌های جوش لیزری دستی گازی از فن برای هدایت هوا استفاده می‌کنند و برخلاف کانال‌های آبی، نصب ساده‌تر و وزن کمتری دارند.
این روش برای دستگاه‌های با توان متوسط مناسب‌تر است و امکان دارد در کاربردهای پرتوان کارایی لازم را ارائه ندهد.
خطاهای رایج در خنک سازی جوش لیزری
در کارگاه‌های جوش لیزری، مشکل همیشه هم مربوط به کمبود تجهیزات خنک‌کن نیست. بیشتر مواقع اشتباهات ظریفی که از روی ناآگاهی اپراتور در تنظیمات و رفتار حرارتی رخ می‌دهد، کیفیت نهایی را خراب می‌کند. اپراتورها معمولاً فکر می‌کنند هرچه فرایند جوشکاری در شرایط خنک‌تر باشد، بهتر است، اما واقعیت این است که جوش لیزری، نیاز به تعادل در سردسازی دارد، و نه افراط در آن. نمونه‌هایی از این خطاهای رایج در خنک سازی جوشکاری لیزری را در ادامه مرور می‌کنیم.
خنک کاری شدید و ناگهانی
سرد کردن ناگهانی و شدید قطعه، مثل وارد کردن هوای بسیار پر فشار یا آب سرد ناگهانی، می‌تواند باعث شوک حرارتی و در نتیجه ترک سرد ریز و افت ساختار دانه‌ها شود. این موضوع در قطعات آلومینیومی و فولادهای پرکربن بیشتر دیده می‌شود. بهترین کار، خنک سازی با شیب کنترل‌شده است.
استفاده بیش از حد گاز محافظ خنک
اپراتورها گاهی فکر می‌کنند افزایش دبی گاز، هم محافظت بهتری ارائه می‌دهد و هم خنک‌تر می‌کند. اما جریان زیاد گاز می‌تواند حوضچه را بی‌ثبات کند و حفره و نتیجه عکس بدهد. به این معنی که با پاشش زیاد کیفیت کار را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین؛ تنظیم فشار گاز باید متناسب با ضخامت و آلیاژ باشد.
نادیده گرفتن کنترل پالس و سرعت
گاهی مشکل از خود سیستم خنک‌کننده نیست و به تنظیمات لیزر ربط دارد. اگر پیک توان خیلی بالا باشد یا سرعت اسکن روی دور کم تنظیم شود، تجمع حرارت اتفاق می‌افتد. راه حل حرفه‌ای‌ها در چنین شرایطی این است که توان و سرعت دستگاه جوش لیزر را به طور پله‌ای و متناسب با محیط و جنس ماده تنظیم کنند.
بی‌توجهی به خنک سازی هد و اپتیک لیزر
بعضی از اپراتورهای ناوارد و تازه‌کار که آموزش کافی و به‌روز ندیده‌اند، حین جوشکاری با دستگاه فقط قطعه‌کار را خنک می‌کنند. اما هد دستگاه لیزر هم باید دمای پایدار داشته باشد؛ زیرا بارها تجربه نشان داده که گرم شدن اپتیک‌ها باعث افت فوکوس، تابش نامنظم و در نهایت کیفیت پایین‌تر جوش می‌شود. نگهداری سیستم چیلر و مسیر آب نیز، در این فرآیند ضروری است.
خنک کاری موضعی نامتقارن
یکی دیگر از رایج‌ترین خطاها در خنک کاری جوشکاری لیزری، خنک کاری نامنظم است. به این معنی که اگر فقط یک سمت قطعه را خنک کنید، تنش حرارتی یک‌طرفه ایجاد شده و احتمال تابیدگی بالا می‌رود.
کنترل گرما، مهارت اصلی در جوش لیزری است
در جوشکاری لیزری، یک اتصال بی‌نقص و تمیز حاصل مجموعه‌ای از معیارها از جمله مهارت اپراتور، تنظیمات صحیح و مدیریت حرارت است. رمز کسب و کارهای موفق در این حوزه، ایجاد تعادل میان معیارها و توجه به جزئیات در مدیریت حرارت است. با شناخت رفتار حرارتی فلزات، تنظیم دقیق پارامترهای لیزر و استفاده از سیستم‌های خنک سازی متناسب با جنس قطعه و توان لیزر، می‌توانید سطح نهایی جوش را به استانداردهای صنعتی رسانده و عمر قطعه‌کار تولیدشده را تضمین کنید.
بدون دیدگاه