مشکلات رایج در جوشکاری لیزری و نحوه حل آنها با خنک‌کنندگی آبی

تجمع حرارت و تأثیر آن بر کیفیت جوش لیزری

مروری بر عیوب رایج: درزهای سیاه، تخلخل، ترک‌ها، پاشش، زیربر، و انحراف جوش

وقتی در طول جوش لیزر حرارت زیادی جمع می شود، مشکلات جدی ایجاد می کند که ساختار محصول نهایی را تضعیف می کند. خياط هاي سياه به نظر مي رسند چون گرماى شدید باعث اكسيد شدن ماده ذوب شده مي شود. سوراخ شدن زمانی اتفاق می افتد که حباب های گاز به عنوان فلز خیلی سریع خنک می شوند و ترک های کوچک در جایی که استرس حرارتی متمرکز است شکل می گیرند. پاشیدن یک مشکل دیگر است که فلز ذوب شده در واقع از استخر جوش پاش می شود، معمولاً وقتی چیزها خیلی داغ یا ناپایدار می شوند. انحرافات قطع و جوش نیز به مشکلات بیشتری تبدیل می شوند، عمدتا به دلیل اینکه قطعات مختلف در هنگام گرم شدن نامناسب با سرعت های مختلف گسترش می یابند. همه این مسائل نشان می دهد که چرا کنترل مناسب گرما در کاربردهای جوش لیزر در صنایع مختلف همچنان یک چالش است.

چگونه گرما بیش از حد باعث عدم ثبات در قدرت لیزر و سازگاری جوش می شود

وقتی دمای بیش از حد بالا می شود، آنها با اجزای مهم داخل لیزر مانند دیودها و عناصر نوری دست و پنجه نرم می کنند، و باعث می شود سطح قدرت به شدت تغییر کند، گاهی اوقات بیش از ۱۰ درصد. تحقیقات سال گذشته نشان داد که اگر رزناتور از 45 درجه سانتیگراد گرم شود، پرتوی لیزر دیگر به درستی متمرکز نمی شود و دقت آن حدود 32 درصد کاهش می یابد. بعدش چي ميشه؟ ماده ای که روی آن کار می شود، لکه هایی دارد که یا کاملاً سوخته است یا به سختی لمس شده است. این یک سردرد واقعی در هنگام کار با ترکیبات فلزی خاص است که حرارت را به طور نامناسب در سطوح خود هدایت می کند.

نقش مدیریت حرارتی در جلوگیری از انحراف فرآیند و از دست دادن کیفیت

سیستم‌های خنک‌شونده با آب، مؤلفه‌های لیزر را در محدوده دمای ایده‌آل خود نگه می‌دارند که معمولاً در حدود ۱٫۵ درجه سانتی‌گراد به صورت بالا یا پایین است. این سیستم‌ها از مدارهای بسته استفاده می‌کنند که قادر به عبور دادن تا ۲۵ لیتر در دقیقه از سیال در سیستم هستند و این امر به شدت مشکلات ناشی از انحراف حرارتی را کاهش می‌دهد. هنگامی که این راه‌حل‌های خنک‌کنندگی فعال را با روش‌های غیرفعال مقایسه می‌کنیم، اکثر تولیدکنندگان بهبودی در حدود ۸۰ تا ۹۰ درصدی در پایداری کلی فرآیند را گزارش می‌کنند. داده‌های صنعتی نشان می‌دهند که دستگاه‌های جوشکاری لیزری مدرن با خنک‌کنندگی آبی نیز به نرخ ثبات تقریباً کاملی دست یافته‌اند و برخی از آن‌ها به بیش از ۹۹٫۷ درصد جوش‌های یکنواخت در طول یک شیفت کامل ۸ ساعته دست یافته‌اند، زیرا از اعوجاج‌های حرارتی مزاحم رنج نمی‌برند. بهترین سیستم‌ها امروزه با الگوریتم‌های هوشمندی تجهیز شده‌اند که وضعیت حوضچه جوش را زیر نظر دارند و به‌طور خودکار و در زمان واقعی، پارامترهای خنک‌کنندگی را هر وقت لازم باشد تنظیم می‌کنند.

کاهش منطقه تحت تأثیر حرارت و اعوجاج با ماشین وصل لیزری با سیستم خنک‌کننده آبی سیستم ها

مکانیسم‌های تشکیل HAZ و پیچش مواد ناشی از خنک‌کاری نامنظم

وقتی در فرآیندهای جوشکاری گرما به‌صورت یکنواخت توزیع نشود، باعث ایجاد تنش در مناطق مختلف ماده می‌شود. این گرمای ناهموار، همان چیزی است که ما آن را منطقه تحت تأثیر حرارت یا HAZ می‌نامیم را گسترش می‌دهد و در نهایت پس از سرد شدن، منجر به پیچش قطعات می‌شود. مشکل اصلی زمانی رخ می‌دهد که برخی نقاط بیش از ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم شوند؛ امری که اغلب در محیط‌های صنعتی که سطح توان بالاتر تنظیم شده است، رخ می‌دهد. در این دماهای بسیار بالا، انقباض حرارتی در واقع بخش‌های نازک فلزی مانند پنل‌های بدنه خودرو را به میزان تقریباً نیم میلی‌متر در هر متر طول منحنی می‌کند. این مقدار شاید زیاد به نظر نرسد، مگر اینکه شما در حال سر هم کردن قطعات دقیق مهندسی‌شده باشید. دستگاه‌های جوشکاری لیزری با سیستم خنک‌کننده آبی به حل این مشکل کمک می‌کنند، چرا که به‌طور مداوم گرمای اضافی را از محل کار دفع می‌کنند. این سیستم‌ها دمای حوضچه جوش را در محدوده حدوداً ۲۵+ یا ۲۵- درجه سانتی‌گراد پایدار نگه می‌دارند. در نتیجه، این دستگاه‌ها گرادیان‌های تنش را در مقایسه با تجهیزات معمولی با خنک‌کنندگی هوایی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهند. برای تولیدکنندگانی که با تحملات بسیار کم کار می‌کنند، این امر تفاوت چشمگیری در کیفیت و کارایی تولید ایجاد می‌کند.

مطالعه موردی: به حداقل رساندن تحریف در قطعات خودرو با استفاده از سیستم های خنک کننده آب دقیق

در سال 2023، یک آزمایش انجام شده در یک کارخانه بزرگ خودرو در اروپا نشان داد که چگونه سیستم های خنک کننده آب می توانند در هنگام جوش دادن سینی های باتری آلومینیومی، انحراف را حدود 72٪ کاهش دهند. این فرآیند شامل کنترل دمای در سه مرحله متفاوت بود. اول، مواد پایه را تا حدود ۱۸ درجه سانتیگراد سرد کردند. بعد منطقه ی جوش واقعی را در حدود 22 درجه ثابت نگه داشت. در نهایت، بعد از جوش دادن آن را به سرعت با سرعت ۱۰ درجه در دقیقه سرد می کردند. این روش منجر به جوش هایی شد که فقط در فاصله 0.12 میلی متر از موقعیت مورد نظر خود در امتداد تمام بخیه های 1.5 متر طول داشتند. این سطح دقت بسیار فراتر از آنچه که معمولا برای خطوط مونتاژ خودروهای الکتریکی در این روزها مورد نیاز است.

از بین بردن حفره ها، ترک ها و لکه ها از طریق تنظیم گرما موثر

حفره پذیری و گیر شدن گاز: علل مرتبط با گرم شدن بیش از حد و حوضچه های ذوب ناپایدار

حفره پذیری زمانی شکل می گیرد که حباب های گاز در طول تثبیت سریع گیر می کنند، اغلب به دلیل واردات گرمای بیش از حد، به ویژه در بالاتر از 1200 °C در آلیاژ های فولاد. عدم ثبات حرارتی، حوضچه های ذوب آشفته ایجاد می کند، اجازه می دهد گازهای جوی مانند نیتروژن و اکسیژن به منطقه جوش نفوذ کنند و حفره هایی ایجاد کنند که قدرت مفصل را تضعیف می کنند.

چطور؟ ماشین وصل لیزری با سیستم خنک‌کننده آبی تنظیمات باعث کاهش شکل گیری حباب ها از طریق کنترل دمای اوج می شود

سیستم های آب خنک کننده دستگاه جوش لیزر دمای حوض جوش را در محدوده ±15°C از طریق خنک کننده حلقه بسته حفظ می کنند. با جلوگیری از گرم شدن بیش از حد محلی، آنها تبخیر عناصر آلیاژ فرسایشی مانند روی یا منیزیم را به حداقل می رسانند، که عوامل اصلی تشکیل حباب گاز هستند.

تضمین ثبات قدرت لیزر و قابلیت اطمینان سیستم از طریق خنک سازی پیشرفته

گرم شدن بیش از حد اپتیک ها و دیودها: علت اصلی نوسانات قدرت و وقایع توقف

وقتی دیودهای لیزری و قطعات نوری دمایی بالاتر از حدود ۴۰ درجه سانتی‌گراد داشته باشند، راندمان آنها به سرعت کاهش می‌یابد. گزارش سال ۲۰۲۴ درباره لیزرهای توان بالا اشاره می‌کند که نوسانات توان در این شرایط می‌تواند به میزان ۱۵ درصد مثبت و منفی برسد. آنچه پس از آن اتفاق می‌افتد برای عمر تجهیزات بسیار مشکل‌ساز است. گرمای ایجاد شده باعث می‌شود پوشش‌های ظریف روی عدسی‌ها سریع‌تر تخریب شوند که این امر منجر به مشکلات مختلفی از جمله تغییر طول موج و عمق نفوذ نامنظم در مواد می‌شود. به همین دلیل امروزه بسیاری از تولیدکنندگان به سیستم‌های خنک‌کنندگی آبی برای دستگاه‌های جوش لیزری خود متکی هستند. این سیستم‌ها دمای تمام قطعات را تنها در حدود یک درجه سانتی‌گراد با دمای هدف فاصله نگه می‌دارند که این امر تفاوت بزرگی در حفظ کیفیت پایدار پرتو حتی در شرایط کار مداوم روزها و شب‌ها ایجاد می‌کند.

عملکرد دستگاه جوش لیزری خنک‌شونده با هوا در مقابل خنک‌شونده با آب تحت چرخه‌های کاری سنگین

افزایش ۴۰ درصدی زمان کارکرد موثر با فیلتراسیون فعال و سیستم خنک‌کنندگی چندمرحله‌ای آبی

فقط پنج قسمت در میلیون ناخالصی می‌تواند پس از تنها ۳۰۰ ساعت کارکرد، بازده مبادله‌گر حرارتی را حدود ۳۰٪ کاهش دهد. سیستم‌های واقعاً خوبی که امروزه موجود هستند، از عواملی مانند استریل‌کردن با اشعه ماوراء بنفش، فیلترهای ظریف ۱۰ میکرونی و چیلرهای دو مرحله‌ای به‌منظور حفظ مقاومت الکتریکی آب بسیار بالاتر از مرز ۱ مگااهم-سانتیمتر ترکیب می‌کنند. ما این موضوع را سال گذشته به‌صورت عملی شاهد بودیم، زمانی که یک تولیدکننده قطعات خودرو مطالعه‌ای انجام داد. نتایج آنها چیزهای قابل توجهی نشان داد — توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده از حدود ۱۱٪ به تنها ۴٪ از کل زمان تولید کاهش یافت. همچنین توانستند هزینه‌های انرژی را تقریباً ۲۰٪ کاهش دهند که تفاوت بزرگی در بودجه عملیاتی ایجاد می‌کند.

بهترین روش‌ها: سنسورهای با افزونگی و نگهداری پیش‌بینانه

سنسورهای دمای ثانویه در اتصالات حیاتی، امکان اعتبارسنجی بلادرنگ را فراهم می‌کنند و ۹۲٪ از خرابی‌های اولیه پمپ‌ها را تشخیص می‌دهند. ادغام سنسورهای دبی با مدل‌های یادگیری ماشین، اشباع فیلتر را ۵۰ ساعت قبل از رسیدن به آستانه‌های فشار پیش‌بینی می‌کند. این استراتژی پیشگیرانه، هدررفت خنک‌کننده را نسبت به نگهداری با فواصل ثابت ۶۰٪ کاهش می‌دهد.

‫سوالات متداول‬

معایب رایج جوشکاری لیزری ناشی از تجمع حرارت چیست؟

معایب رایج شامل درزهای سیاه، تخلخل، ترک، پاشش، زیربرد، و انحراف جوش است. این مشکلات عموماً ناشی از گرمای ناهموار و تنش حرارتی بیش از حد هستند.

ثبات دما چگونه بر کیفیت جوشکاری لیزری تأثیر می‌گذارد؟

ثبات دما برای جلوگیری از مشکلاتی مانند نوسانات توان و ناسازگاری جوش ضروری است که می‌تواند منجر به عیوب ماده و ناکارآمدی در فرآیند جوشکاری شود.

سیستم‌های جوشکاری لیزری با خنک‌کنندگی آبی چگونه نتایج جوشکاری را بهبود می‌بخشند؟

سیستم‌های خنک‌شونده با آب کنترل دقیق دما را فراهم می‌کنند و باعث کاهش نقص‌ها از جمله تخلخل و ترک‌خوردگی، کاهش تاب‌برداشتن مواد و بهبود یکنواختی کلی جوش می‌شوند.

تأثیر داغ شدن بیش از حد اجزای لیزری چیست؟

داغ شدن بیش از حد اجزای لیزری مانند دیودها و اپتیک‌ها می‌تواند منجر به کاهش بازده، نوسانات توان، توقف سیستم و آسیب بالقوه تجهیزات شود.