چالش های جوشکاری لیزری مس

در دستگاه های حکاکی و برش لیزری قطعه ای با عملکرد یکطرفه سازی نور بنام Faraday Rotator وجود دارد که از برگشت نور به داخل لیزر جلوگیری می کند؛ اما در اکثر دستگاه‌های جوش لیزری، این قطعه وجود ندارد و این دستگاه ها در مقابل برگشن نور لیزر حساس ترند. بنابراین چالش های جوشکاری لیزری مس با کیفیت بالا بسیار زیاد است که موفقیت در این امر به درک و پیاده‌سازی راهکارهای مدرن بستگی دارد. در این مقاله استراتژی‌های لازم جهت رفع این چالشها را ارایه می دهیم.

حکاکی، برش و جوش لیزری به دلیل دقت، سرعت، سهولت کار و حداقل نیاز به پرداخت پس از لیزر کاری، یک راهکار مطلوب در صنایع مختلف است. با این حال، خواص ذاتی مس مانند بازتابندگی بالا در طول موج لیزر و رسانایی حرارتی بالا، پردازش لیزری این ماده را با مشکل مواجه کرده است. بازتابندگی بالای فلز مس منجر به برگشت نور به داخل سورس لیزر شده و احتمال آسیب دستگاه لیزر وجود دارد. رسانایی بالا هم باعث انتقال سریع حرارت شده و گرما فلز مس بصورت موضعی به سختی بالا می رود، همین موضوع منجر به کاهش کارایی پردازش لیزری می شود.

چرا جوشکاری لیزری مس چالش‌برانگیز است؟

همان‌طور که اشاره شد، چالش های جوشکاری لیزری مس زیاد است. این چالش‌ها ناشی از خواص فیزیکی ذاتی مس است که واکنش نامطلوبی به انرژی متمرکز پرتو لیزر نشان می‌دهد. چندین عامل کلیدی در این پیچیدگی نقش دارند و مانع از جوش‌های با کیفیت بالا می‌شوند.

رسانایی حرارتی بالا

مس رسانای بسیار خوبی برای گرما است. رسانایی حرارتی آن در دمای ۰ درجه سانتیگراد ۴۰۱ وات بر متر-کلوین و در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد ۳۸۴ وات بر متر-کلوین است. به این ترتیب، می‌تواند گرما را بسیار سریع‌تر، حتی سریع‌تر از آلومینیوم که رسانایی حرارتی آن ۲۳۷ وات بر متر-کلوین است، هدایت کند.

به دلیل رسانایی حرارتی بالا، گرمای تولید شده توسط لیزر به سرعت به سایر نواحی فلز منتقل می‌شود. تمرکز گرما فقط بر روی نقطه جوش دشوار است. با پخش شدن گرما در سایر نواحی، حوضچه مذاب به درستی تشکیل نمی‌شود. همجوشی ناقص است که منجر به جوش‌های ضعیف‌تر و ترک‌ها می‌شود. این یکی از بزرگترین چالش های جوشکاری لیزری مس محسوب می‌شود.

اگر برای تولید گرمای بیش از حد در نقطه جوش، توان لیزر را افزایش دهید، ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) بزرگ خواهد بود و منجر به تغییر شکل فلز یا سایر نواحی آن می‌شود. حتی ممکن است در نهایت به خود ماده آسیب برسانید. علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی بالا نیز وجود دارد، به این معنی که مواد در هنگام جذب گرما در مقایسه با سایر فلزات بیشتر منبسط می‌شوند. به این ترتیب، احتمال تغییر شکل، تاب برداشتن و حتی سوراخ شده مس وجود دارد.

بازتاب لیزر

چالش بزرگ دیگر، بازتاب پرتو لیزر از سطح مس است. مس بسیار بازتابنده است، به این معنی که تنها بخش کوچکی از انرژی لیزر توسط فلز جذب می‌شود و بقیه انرژی هدر می‌رود.

بنابراین، برای جوشکاری مس به یک لیزر با توان بالا نیاز دارید. تولید گرمای کافی، ذوب مس و ایجاد حوضچه مذاب ضروری است. اما باز هم، لیزرهای با توان بالا گران هستند و استفاده از توان بالاتر می‌تواند منجر به نقص در جوش شود.

بازتاب لیزر از مس در دمای مختلف یکسان نیست. در دمای معمولی، بیشتر انرژی لیزر را منعکس می‌کند. اما با افزایش دما، جذب نیز افزایش می‌یابد.

بنابراین، اگر از یک لیزر با توان بالا در دمای معمولی برای تولید گرمای کافی استفاده می‌کنید، بیشتر انرژی توسط ماده منعکس می‌شود. با این حال، با افزایش دما، ماده قادر به جذب انرژی بیشتری خواهد بود. این امر به طور ناگهانی گرما را افزایش می‌دهد، که ناحیه متاثر از حرارت را گسترده‌تر می‌کند و می‌تواند ماده را تغییر شکل داده یا آسیب برساند.

حوضچه مذاب با ویسکوزیته پایین

در بیشتر فلزات، هنگامی که حوضچه مذاب ایجاد می‌شود، قطعات فلزی پس از انجماد به درستی جوش داده می‌شوند و هیچ پیچیدگی وجود ندارد. اما در مورد مس، دستیابی به جوش با کیفیت دشوار است.

حوضچه مذاب ایجاد شده دارای ویسکوزیته پایینی است. فلز مذاب به جلو و عقب جریان می‌یابد. لیزر همچنین در حوضچه مذاب موج ایجاد می‌کند. بنابراین، کنترل مواد مذاب بسیار دشوار است.

مس به سرعت جامد می‌شود که یک چالش دیگر برای پردازش این فلز است. هیچ فرصتی برای ته نشین شدن موج‌ها یا ارتعاشات وجود ندارد. بنابراین، جوش نهایی ناهموار است و در مکان‌های مختلف دارای مواد بیش از حد یا کمبود مواد است. شکاف جوش به دلیل تلاطم در همه جا به درستی یا به طور یکنواخت پر نشده است. همچنین یافتن یک ماده پرکننده مناسب برای پر کردن شکاف‌ها و ایجاد یک جوش قوی دشوار است.

راه حل‌هایی برای چالش‌های جوشکاری لیزری مس

جوشکاری لیزری موفقیت‌آمیز مس نیازمند یک رویکرد استراتژیک برای غلبه بر مشکلات ذاتی آن است. خوشبختانه، پیشرفت‌ها در فناوری لیزر و تکنیک‌های جوشکاری، راه حل‌های موثری ارائه می‌دهند.

با در نظر گرفتن دقیق انتخاب لیزر، حالت‌های عملکرد و پارامترهای فرایند، جوشکاران می‌توانند چالش‌های رسانایی حرارتی، بازتاب، کنترل حوضچه مذاب و اکسیداسیون را کاهش دهند. بیایید این استراتژی‌های کلیدی را مد نظر داشته باشید:

1. بهینه‌سازی طول موج لیزر برای جذب

مقابله با بازتابندگی بالای مس با انتخاب لیزر آغاز می‌شود. نرخ بازتاب به شدت تحت تأثیر طول موج قرار دارد. در حالی که لیزرهای معمولی با بازتابندگی بالای مس مشکل دارند (جذب به اندازه ۵٪ یا کمتر)، طول موج‌های کوتاه‌تر به طور چشمگیری نرخ جذب را بهبود می‌بخشند. لیزرهای سبز (۵۳۲ نانومتر) جذب بسیار بیشتری (تا ۳۵٪) ارائه می‌دهند و لیزرهای آبی (حدود ۴۴۵ نانومتر) بیشترین بهبود را ایجاد می‌کنند و جذب ۶۰٪ یا بالاتر را به دست می‌آورند. استفاده از این طول موج‌ها امکان ذوب کارآمد مس حتی در تنظیمات توان پایین‌تر را فراهم می‌کند.

2. انتخاب حالت عملکرد لیزر مناسب

انتخاب بین لیزرهای موج پیوسته (CW) و پالسی برای جوشکاری مس بسیار مهم است و به الزامات خاص کاربرد بستگی دارد. لیزرهای موج پیوسته (CW) به طور کلی برای جوشکاری مس ترجیح داده می‌شوند. ورودی حرارت ثابت آن‌ها باعث ایجاد جوشکاری نافذ عمیق‌تر می‌شود که برای ایجاد جوش‌های قوی و مقاوم در برابر ترک و تخلخل حیاتی است.

3. پیاده‌سازی استراتژی‌های پیش‌گرمایش

پیش‌گرمایش مس یک روش بسیار مؤثر برای کاهش بازتاب لیزر و افزایش جذب اولیه انرژی است. از آنجایی که نرخ جذب مس با دما افزایش می‌یابد، پیش‌گرمایش تضمین می‌کند که درصد بیشتری از انرژی لیزر از ابتدا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تکنیک نه تنها فرایند جوشکاری لیزری مس را تسریع می‌کند، بلکه با ترویج اتصال انرژی کارآمدتر، به بهبود کیفیت و یکنواختی جوش نیز کمک می‌کند.

4. استفاده از گاز محافظ برای جلوگیری از اکسیداسیون

اکسیداسیون یک نگرانی قابل توجه در جوشکاری لیزری مس در دماهای بالاست. برای حفظ یکپارچگی جوش، استفاده از یک گاز محافظ مناسب ضروری است. گاز محافظ یک اتمسفر محافظ در اطراف ناحیه جوش و حوضچه مذاب ایجاد می‌کند و از واکنش اکسیژن موجود در هوا با مس جلوگیری می‌کند.

5. استفاده از تکنیک‌های جوشکاری دایره ای (Wobble Welding)

برای مقابله با چالش‌های حوضچه مذاب با ویسکوزیته پایین مس و تمایل آن به جریان آشفته، استفاده از الگوی جوشکاری دایره ای (نوسانی) بسیار سودمند است.

6. استخدام اپراتورهای بسیار ماهر

جوشکاری لیزری مس فرایندی برای افراد مبتدی نیست. ظرافت‌های دستیابی به جوش‌های با کیفیت بالا نیازمند مهارت، دانش و تجربه عملی قابل توجهی است. یک جوشکار لیزر ماهر درک عمیقی از انتخاب پارامترهای بهینه، کنترل دقیق لیزر و عوامل حیاتی که به کیفیت بی‌عیب و نقص جوش کمک می‌کنند، دارد.

لیزرهای پیشنهادی برای جوشکاری مس

لیزر آبی

لیزر آبی یک گزینه ایده‌آل برای جوشکاری مس است. دلیل این امر جذب بالای آن است. حدود ۶۰ تا ۶۵ درصد انرژی لیزر توسط ماده جذب می‌شود. طول موج لیزر آبی حدود ۴۴۵ نانومتر است و نوعی لیزر دیودی است. لیزر آبی یک گزینه ارزان و مناسب برای کارهای ظریف مانند ترمینال‌های باتری و الکترونیک است.

با استفاده از لیزر آبی، تمرکز بر روی نقطه جوش امکان پذیر است زیرا فقط ناحیه مورد نیاز را گرم می‌کند، بنابراین ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) کوچکتر است. این امر احتمال تغییر شکل مواد را کاهش می‌دهد.

کاربران می‌توانند پارامترهای لیزر را به طور دقیق کنترل کنند. این لیزر در مورد سرعت، توان و سایر متغیرها بسیار دقیق است. بنابراین، دستیابی به جوش‌های خوب آسان‌تر می‌شود. اما به خاطر داشته باشید که توان لیزر آبی محدود است. و هنگام استفاده از توان بالاتر، کیفیت پرتو به خطر می‌افتد. بنابراین، کارایی و دقت آن کاهش می‌یابد.

لیزر سبز

دومین گزینه مناسب برای جوشکاری لیزری مس، لیزر سبز است. این لیزر نیز مانند لیزر آبی یک لیزر دیودی است، اما طول موج آن ۵۰۰ تا ۵۳۰ نانومتر است. جذب آن در مقایسه با لیزرهای مادون قرمز بهتر است، اما از لیزر آبی پایین‌تر است. در جوشکاری مس تا ۳۰ تا ۳۵ درصد جذب را ارائه می‌دهد.

این لیزر برای جوش‌های با دقت و کیفیت بالا ترجیح داده می‌شود. نه تنها برای مس خالص بلکه می‌توان از لیزر سبز برای آلیاژهای مس نیز استفاده کرد. لیزرهای سبز مزایای مشابه لیزرهای آبی را دارند؛ آن‌ها ناحیه کوچکی را تحت تأثیر قرار می‌دهند و کنترل فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهند، با این حال توان آن‌ها محدود است.

لیزر فایبر

لیزرهای فایبر نیز می‌توانند برای جوشکاری مس استفاده شوند. اگرچه جذب آن‌ها تنها ۵ درصد است، اما به دلیل توان بسیار زیادشان هنوز برای این منظور استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند مس را به خوبی جوش دهند و در مقایسه با لیزرهای دیودی (لیزرهای آبی و سبز) کنترل و دقت بهتری را ارائه می‌دهند. جوش به دلیل نفوذ عمیق، فوق‌العاده تمیز و قوی است.

برای کسانی که ترجیح می‌دهند مواد مختلف (به غیر از مس) را جوش دهند، لیزر فایبر یک گزینه متنوع است و می‌تواند روی مواد نازک و ضخیم کار کند و نتایج عالی ارائه دهد. با این حال، در مقایسه با سایر لیزرها کمی گران است.