انواع لیزرهای مورد استفاده در جوش لیزری

در دنیای امروز که صنایع مختلف با سرعتی خیره‌کننده در حال پیشرفت هستند نیاز به روش‌های پیشرفته و مطمئن برای اتصال قطعات فلزی یا غیرفلزی ضرورتی اجتناب‌ناپذیر محسوب می‌شود. در این میان جوش لیزری به‌عنوان یکی از مدرن‌ترین و کارآمدترین روش‌های اتصال توانسته جایگاه ویژه‌ای را در صنایع مختلف به دست آورد.

اگر بخواهیم پاسخ کوتاه و مستقیمی به سؤال «چرا جوش لیزری به انتخابی جذاب برای شرکت‌ها و کارگاه‌های صنعتی تبدیل شده است؟» بدهیم می‌توان گفت این فناوری امکان انجام جوشی با دقت بالا سرعت مطلوب و کمترین تغییر شکل حرارتی را فراهم می‌کند. چنین مزیت‌هایی باعث شده تا بسیاری از صنایع اعم از خودروسازی صنایع پزشکی و الکترونیکی به استفاده از این روش پیشرفته روی بیاورند و از مزایای کاربردی آن بهره‌مند شوند. به‌همین دلیل در این مطلب جامع قصد داریم شما را با انواع لیزرهای پرکاربرد روش‌ها و مراحل کاری دستگاه جوش لیزر آشنا کنیم تا دید روشنی از این فناوری نوآورانه داشته باشید.

چرا شناخت انواع لیزرهای مورد استفاده در جوش لیزری اهمیت دارد؟

شناخت انواع لیزرهایی که در جوش لیزری کاربرد دارند از این جهت حائز اهمیت است که هر کدام از این لیزرها با توجه به طول موج توان خروجی و ویژگی‌های پرتو عملکردی منحصربه‌فرد ارائه می‌دهند. اگر می‌خواهید بهترین و دقیق‌ترین انتخاب را داشته باشید لازم است بدانید کدام نوع لیزر با جنس قطعه کار ضخامت و حتی شکل هندسی آن سازگارتر است. گاهی انتخاب اشتباه منبع لیزر می‌تواند هزینه‌های غیرضروری ایجاد کند یا حتی موجب خرابی قطعه شود. بنابراین برای افزایش راندمان کار و دستیابی به نتیجه‌ای ایدئال توصیه می‌شود پیش از خرید دستگاه یا استفاده از تجهیزات موجود به این بخش توجه ویژه داشته باشید.

از سوی دیگر کاربرد دستگاه جوش لیزری با منبع پرتوهای متفاوت می‌تواند نتایج بسیار متنوعی به همراه داشته باشد. برای مثال برخی انواع لیزرها برای کار روی فلزات دارای رسانایی حرارتی بالا مثل مس یا آلومینیوم مناسب ‌تر هستند.   

در مقابل برخی دیگر برای جوش دقیق قطعات ظریف از جمله جواهرات یا قطعات الکترونیکی به کار می‌روند. همین تنوع گسترده سبب شده است تا در صنایع مختلف هر کدام از انواع لیزرها به‌صورت اختصاصی مورد استفاده قرار گیرند. به بیان دیگر منبع لیزر دستگاه جوش بسته به نیاز پروژه می‌تواند عملکرد دستگاه را در راستای آن نیاز بهینه کند.

علاوه بر این آگاهی از تنوع انواع جوش لیزری و منابع لیزر مربوطه به شما کمک می‌کند تا مزیت‌های هریک را با دیگری مقایسه کرده و درنهایت بهترین تصمیم ممکن را اتخاذ کنید. عوامل تعیین‌کننده در این مقایسه شامل توان لیزر طول موج ر وش تولید پرتو و حتی شکل دهانه پرتودهی است. نتیجه این بررسی‌ها راهنمایی همه‌جانبه برای متخصصانی است که به دنبال مزایای جوشکاری حرفه‌ای و پیشرفته هستند. به همین دلیل در ادامه مطلب قصد داریم انواع رایج لیزرهایی را که برای جوش استفاده می‌شوند معرفی کرده   و ویژگی‌های کلیدی هر کدام را روشن کنیم.

چگونه جوش لیزری می‌تواند کیفیت تولید را افزایش دهد؟

پیش از ورود به جزئیات انواع لیزر بهتر است برای درک بهتر نگاهی به این سؤال مهم بیندازیم که چگونه جوش لیزری می‌تواند کیفیت تولید را در سطح قابل‌توجهی ارتقا دهد. واقعیت این است که لیزرها قابلیت تمرکز بالا و دقت میلی‌متری دارند و این ویژگی به‌گونه‌ای است که تغییر شکل‌های ناخواسته در قطعه را به حداقل می‌رسانند. کاهش تغییر شکل حرارتی به‌ویژه در صنایع حساس مانند خودروسازی یا صنایع پزشکی حائز اهمیت بالاست. در گذشته یکی از چالش‌های جدی روش‌های سنتی جوشکاری ایجاد اعوجاج سوختگی موضعی یا حتی ترک در محل اتصال بود؛ اما با توسعه روش جوش لیزری این مشکلات تا حد زیادی برطرف شده است.

1. تمرکز گرمایی بالا: پرتو لیزر به‌صورت مستقیم روی ناحیه کوچک و تعریف‌شده‌ای تابیده می‌شود. این کار موجب ذوب دقیق فلز می‌ گردد و اطراف آن کمتر تحت تأثیر حرارت قرار می‌گیرند.
2. سرعت و راندمان: بسیاری از پروژه‌ها ازجمله خطوط تولید انبوه در کارخانجات نیازمند سرعت بالا و تکرار پذیری کیفیت هستند که با روش جوش لیزری قابل‌دستیابی است.
3. حداقل نیاز به تمیزکاری پس از جوش: در روش‌های مرسوم باقی‌مانده‌های جوش و آخال‌ها نیازمند سنباده‌زنی یا ماشین‌کاری‌های اضافه بودند؛ اما لیزر با تمرکز دقیق خود میزان باقی‌مانده‌های ناخواسته را کاهش می‌دهد.
4. سیستم کنترل و رباتیک: امکان ترکیب فناوری لیزر با سیستم ‌های کنترل رباتیک باعث می‌شود فرایند جوشکاری تکرارپذیری بالایی داشته باشد و نیروی انسانی صرفاً بر نظارت و مدیریت متمرکز شود.

درنهایت این کاهش خطاها سرعت بالاتر و کیفیت خروجی مطلوب منجر به کاهش هزینه‌های تولید و افزایش سودآوری می‌شود. آن‌هم در شرایطی که محصول نهایی از نظر استحکام و دقت در بالاترین سطح ممکن قرار دارد. به بیانی ساده‌تر با انتخاب و به‌کارگیری صحیح جوش لیزری می‌توانید مطمئن باشید که سرمایه‌گذاری شما در راستای افزایش استاندارد ها و بهبود فرایند تولید صرف می‌شود.

لیزرهای حالت جامد چه جایگاهی در جوش لیزری دارند و کدام انواع آنها پرکاربردترند؟

لیزر Nd:YAG  

وقتی صحبت از لیزرهای حالت جامد در زمینه جوش لیزری می‌شود دو نام بیشتر از همه به گوش می‌رسد: لیزر Nd:YAG و لیزر فایبر. لیزر Nd:YAG یا (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) از جنس بلور خاصی است که با نئودیمیوم دوپ شده است. این لیزر به‌خاطر طول موج حدود 1.06 میکرومتری که دارد توانایی جذب قابل‌قبولی در بسیاری از فلزات دارد. همین ویژگی باعث شده تا در پروژه‌های مختلف ازجمله صنایع خودروسازی الکترونیک و حتی صنعت طلا و جواهرات حضور پررنگی پیدا کند.

لیزر فایبر

از سوی دیگر دستگاه جوش لیزری فایبر (Fiber Laser) نسل جدیدتر و پیشرفته‌تری از لیزرهای حالت جامد است که از الیاف نوری دوپ‌شده با عنصری مانند اربیوم یا ایتر ytterbium برای تولید پرتو لیزر استفاده می‌کند. این لیزرها عمدتاً به دلیل راندمان انرژی بالا طول عمر طولانی و هزینه‌های نگهداری کمتر گزینه‌های بسیار جذابی برای خطوط تولید انبوه محسوب می‌شوند. علاوه بر این پرتو خروجی لیزر فایبر به‌صورت مستقیم و با توان بالا از طریق فیبر نوری به هد جوش منتقل می‌شود. این انتقال مستقیم باعث می‌شود تا دستگاه از لحاظ طراحی بسیار انعطاف‌پذیر باشد و حتی امکان به‌کارگیری در ربات‌های جوشکار را نیز فراهم سازد.

در پاسخ به این سؤال که «مزایای جوشکاری با لیزر فایبر در مقایسه با لیزر Nd:YAG چیست؟» باید گفت که لیزر فایبر در بسیاری موارد از نظر مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی برتری دارد. اما لیزر Nd:YAG ممکن است بسته به ساختار بلور و نوع تجهیز در برخی کاربرد  های خاص مانند جوش لایه‌های نازک فلزی یا کار روی قطعات الکترونیک ظریف قابلیت‌ های منحصربه‌فردی داشته باشد. بنابراین انتخاب نهایی به نوع کاربرد و نیاز پروژه بستگی دارد. فراموش نکنیم که انواع جوش لیزری با استفاده از این دو نوع لیزر تنوعی گسترده در حوزه‌های صنعتی مختلف ایجاد کرده‌ اند و هر کدام مزایای منحصربه‌فرد خود را به صنایع ارائه می‌دهند.

لیزرCO2

برخلاف لیزرهای حالت جامد که هسته اصلی تولید پرتو در آن‌ها بلور است لیزرهای CO2 از گاز دی‌اکسیدکربن برای تولید پرتو استفاده می‌کنند. طول موج این لیزرها معمولاً در محدوده 10.6 میکرومتر قرار دارد که جذب بسیار خوبی برای مواد غیرفلزی ازجمله پلاستیک شیشه و سرامیک دارد. به همین دلیل وقتی بحث از جوش لیزری برای مواد غیرفلزی پیش می‌آید لیزرهای CO2 اغلب جزو انتخاب‌ های نخست قرار می‌گیرند. البته در جوشکاری فلزاتی مانند فولاد هم لیزرهای CO2 سال‌ هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرند و کارایی خود را به اثبات رسانده‌اند.

مزایای جوشکاری با لیزر CO2 را می‌توان در چند مورد خلاصه کرد:

1. قدرت و توان خروجی بالا: این لیزرها می‌توانند به توان‌های بسیار بالا برسند و درنتیجه جوش‌های عمیق و با سرعت بالا در ضخامت‌های بیشتر را ممکن می‌سازند.
2. مقرون‌به‌صرفه بودن در توان‌های بالا: در مقایسه با برخی لیزرهای حالت جامد لیزرهای CO2 در توان‌های بالا می‌توانند از نظر هزینه‌ اولیه اقتصادی‌تر باشند.
3. کاربرد گسترده در غیرفلزات: این لیزرها علاوه بر فلزات در صنایع پلاستیک نساجی و مواد کامپوزیتی نیز استفاده می‌شوند که دامنه کاربرد آنها را وسیع‌تر می‌کند.

از سوی دیگر نباید فراموش کرد که لیزر های CO2 به دلیل طول موج بلندتری که دارند به آینه‌ها و سیستم‌ های انتقال پرتوی متفاوتی نیاز دارند که ممکن است اندازه و انعطاف‌پذیری سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین راندمان الکتریکی لیزر های CO2 معمولاً از لیزر های فایبر پایین ‌تر است و این موضوع در بلندمدت روی هزینه‌های عملیاتی اثر می‌گذارد. بااین‌همه در صنایعی که جوش با ضخامت بالا نیاز باشد یا مواد غیرفلزی مورد استفاده قرار گیرد جوش لیزری با منبع CO2 همچنان یکی از گزینه‌های کلیدی محسوب می‌شود.

آیا انتخاب لیزر دیسکی برای جوش لیزری مقرون‌به‌صرفه است؟

در کنار لیزرهای Nd:YAG فایبر و CO2 نوع دیگری از لیزرهای حالت جامد به نام لیزر دیسکی (Disk Laser) نیز در برخی کاربردهای صنعتی حضور دارد. این لیزرها از یک دیسک نازک کریستالی استفاده می‌کنند که با عنصری مانند ایتر بیوم دوپ شده است. ساختار دیسکی شکل باعث می‌شود فرآیند خنک‌کاری این لیزرها بسیار کارآمدتر باشد؛ زیرا سطح تماس زیادی با هوای محیط دارند و حرارت را به‌سرعت از بخش فعال لیزر دور می‌کنند. نتیجه آنکه می‌توان به توان‌های خروجی بالا دست یافت بدون آنکه نیازی به سیستم  ‌های خنک‌کننده پیچیده و پرهزینه باشد.

مزایای جوشکاری با لیزر دیسکی را می‌توان این‌گونه بیان کرد:

1. کیفیت پرتوی بالا: لیزرهای دیسکی پرتو بسیار متمرکزی تولید می‌کنند که برای فرایندهای جوش دقیق و عمیق ایدئال است.
2. راندمان الکتریکی قابل قبول: در مقایسه با برخی لیزرهای حالت جامد قدیمی لیزرهای دیسکی مصرف انرژی بهینه‌تری دارند.
3. سازگاری با سیستم‌های رباتیک: این لیزرها معمولاً در ابعاد جمع‌وجورتری عرضه می‌شوند و می‌توانند به‌راحتی در خطوط تولید خودکار به کار روند.

در تکمیل مباحث پیش‌گفته و به‌منظور تضمین کیفیت نهایی جوش لیزری در سطح بین‌المللی سازمان‌هایی همچون ISO (سازمان بین‌المللی استاندارد) AWS (انجمن جوشکاری آمریکا) و ASME (انجمن مهندسان مکانیک آمریکا) استانداردهایی ویژه برای کنترل فرایند مواد مصرفی و تجهیزات مورد استفاده در جوش لیزری تدوین کرده‌اند. این استانداردها با تعریف دقیق محدوده مجاز پارامترهای جوشکاری تعیین روش‌های بازرسی غیرمخرب و ارائه دستورالعمل‌های ایمنی هم‌راستا با آنچه پیش‌تر در این مطلب درباره دقت و حساسیت فرایند جوش لیزری بیان شد نقشی اساسی در تضمین استحکام و پایداری اتصال نهایی ایفا می‌کنند. بنابراین رعایت این گواهی‌ها و اصول بین‌المللی به صنایع کمک می‌کند تا در عین حفظ مزایای سرعت و راندمان بالا از سطح کیفی مطلوب و قابل‌اعتمادی در تولید برخوردار شوند.

استانداردهای جدید وزارت صمت برای استفاده از جوش لیزری در ایران در راستای همگام‌سازی با مراجع بین‌المللی نظیر ISO AWS و ASME تدوین شده و کلیه مراحل فرایند جوش لیزری را از منظر ایمنی دقت و بازرسی مورد توجه قرار داده است. در این چهارچوب صنایع ملزم به به‌کارگیری رویه‌های کنترل کیفی دقیق بهره‌گیری از تجهیزات مدرن و رعایت دستورالعمل‌های خاص گازهای محافظ و پارامترهای تابش لیزر هستند. این الزامات در کنار بهره‌برداری از فن‌آوری‌های پایش لحظه‌ای و تست‌های غیرمخرب (NDT) تضمین می‌کند که محصولات نهایی علاوه بر مطابقت با ضوابط بومی قابلیت حضور در بازارهای جهانی را نیز خواهند داشت و هم‌سو با نکاتی که پیش‌تر پیرامون اهمیت استانداردهای بین‌المللی مطرح شد شکل اجرایی و بومی‌شده‌تری به خود می‌گیرد.

چه پارامترهایی را برای بهبود نتایج در انواع جوش لیزری باید کنترل کرد؟

اگرچه جوش لیزری به‌خاطر فناوری پیشرفته خود کیفیت بالایی ارائه می‌دهد اما همچنان تعدادی پارامتر وجود دارند که برای دستیابی به بهترین نتیجه باید تحت کنترل باشند. این پارامترها عبارت‌اند از:

1. توان لیزر (Laser Power): تنظیم درست توان تعیین‌کننده سرعت ذوب قطعه و عمق نفوذ جوش است. توان خیلی کم منجر به جوش سطحی می‌شود و توان بیش‌ازحد نیز احتمال سوختگی یا ایجاد ترک را افزایش می‌دهد.
2. سرعت جوشکاری (Welding Speed): این پارامتر تعیین می‌کند پرتو لیزر با چه سرعتی روی قطعه حرکت کند. سرعت پایین باعث جمع‌شدگی حرارت و سرعت بالا موجب عدم اتصال کامل می‌شود.
3. قطر لکه لیزر (Spot Size): هرچه قطر لکه کوچک ‌تر باشد تمرکز انرژی بالاتر و عمق نفوذ بیشتر است اما امکان توزیع حرارت در سطح وسیع ‌تر کاهش می‌یابد.
4. نرخ تکرار پالس (برای لیزرهای پالسی): در جوشکاری پالسی میزان تکرار پالس‌ها و مدت زمان پالس باید به‌دقت تنظیم شود تا جوش بدون تخلخل و ناپیوستگی ایجاد گردد.
5. گاز محافظ: بسیاری از فلزات در دمای بالا تمایل به اکسیداسیون و تشکیل ناخالصی دارند. استفاده از گازهایی نظیر آرگون یا هلیوم مانع از بروز اکسیداسیون و کاهش کیفیت جوش می‌شود.

نکته کلیدی این است که تمام این پارامترها به‌صورت ترکیبی اثر می‌گذارند و تغییر در یکی می‌تواند نیاز به اصلاح سایر موارد را به همراه داشته باشد. به همین دلیل اپراتور دستگاه یا مهندس فرایند باید با انجام تست‌های متوالی و اعمال تغییرات جزئی فرمول بهینه را پیدا کند. تجربه نشان داده است که حتی تغییر جزئی در سرعت یا توان لیزر می‌تواند تفاوتی قابل‌توجه در کیفیت نهایی جوش لیزری ایجاد کند.

چگونه فرایند جوش لیزری را برای حداکثر بهره‌وری و کیفیت بهینه‌سازی کنیم؟

بهینه‌سازی فرایند جوش لیزری به معنای هماهنگ‌کردن تمام بخش‌های فرایند از انتخاب نوع لیزر گرفته تا تنظیم دقیق پارامترهای جوشکاری و مدیریت درست در خط تولید است. برای دستیابی به حداکثر بهره‌وری و کیفیت مراحل زیر پیشنهاد می‌شوند:

1. انتخاب منبع لیزر مناسب: پیش از هر چیز باید مشخص کنید با چه متریالی کار می‌ کنید چه سرعتی مدنظرتان است و میزان عمق جوش چقدر باید باشد. انتخاب صحیح میان لیزر فایبر CO2 Nd:YAG یا دیسکی نقش بسیار مهمی در موفقیت پروژه دارد.
2. تنظیم دقیق پارامترهای جوش: توان سرعت گاز محافظ و قطر لکه لیزر باید متناسب با ضخامت قطعه و نوع ماده تنظیم شود. تست‌های اولیه (Trial Runs) برای به‌دست‌آوردن اعداد دقیق کلیدی هستند.
3. کنترل کیفی مداوم: استفاده از سیستم‌ های بینایی ماشین یا سنسورهای پایش حین جوشکاری می‌تواند کیفیت را در لحظه ارزیابی کند و اگر مشکلی ایجاد شد سیستم فوراً هشدار دهد.
4. محیط کار تمیز: وجود گردوغبار یا آلودگی روی قطعه کار می‌تواند تأثیر منفی بر جذب پرتو لیزر و کیفیت جوش بگذارد. استفاده از میز کار تمیز و اطمینان از شرایط محیطی مهم است.
5. آموزش اپراتور: هرچقدر هم که دستگاه پیشرفته باشد درنهایت به اپراتوری مجرب نیاز است که بداند چگونه پارامترها را تنظیم کند و خطاهای احتمالی را به‌موقع تشخیص دهد.

همه این مراحل در راستای بهبود کیفیت محصول نهایی و سرعت فرایند تولید عمل می‌کنند. با تلفیق این عوامل می‌توانید از تمام پتانسیل‌های جوش لیزری بهره‌مند شوید و محصولی رقابتی و قابل‌اعتماد روانه بازار کنید.

معرفی مهم‌ترین تست‌های کنترل کیفیت در انواع جوش لیزری

به دلیل حساسیت و ظرافت جوش لیزری حتماً لازم است از روش‌های مختلف آزمایش و کنترل کیفیت استفاده کنیم تا مطمئن شویم جوش ایجادشده عاری از عیوب ماکروسکوپی و میکروسکوپی است. برخی تست‌های رایج عبارت‌اند از:

1. تست غیر مخرب رادیوگرافی (Radiographic Test): تابش اشعه ایکس یا گاما از میان جوش برای کشف تخلخل‌ها ترک‌ها یا نقص‌های داخلی.
2. تست اولتراسونیک (Ultrasonic Test): ارسال امواج فراصوت و دریافت پژواک از قطعه که در تشخیص عیوب عمقی و ضخامت جوش مؤثر است.
3. تست مایع نافذ (Penetrant Test): در سطوح بیرونی جوش برای شناسایی ترک‌های ریز یا ناپیوستگی‌هایی که به سطح راه دارند به کار می‌رود.
4. تست ماکرو و میکروسکوپی: برش عرضی از منطقه جوش و مشاهده ساختار متالورژیکی با میکروسکوپ به‌خصوص برای بررسی نفوذ جوش و وجود مناطق متخلخل.
5. تست سختی و مقاومت کششی: نمونه جوش خورده ممکن است در دستگاه‌های تست کشش یا سختی‌سنجی قرار بگیرد تا مقاومت نهایی تعیین شود.

این تست‌ها کمک می‌کنند تا علاوه بر تشخیص سریع ایرادات از استانداردبودن محصول نهایی اطمینان حاصل شود. به‌ویژه در پروژه‌های حساسی نظیر صنایع هوافضا یا پزشکی وجود یک سیستم کنترل کیفیت جامع و دقیق برای جوش لیزری امری حیاتی به شمار می‌آید.

جمع‌بندی

در این مطلب سعی کردیم با بیانی جامع و گام‌به‌گام شما را با انواع لیزرهای مورد استفاده در جوش لیزری و روش‌های اصلی این فرایند آشنا کنیم. از مرور لیزرهای حالت جامد نظیر Nd:YAG و فایبر گرفته تا لیزرهای گازی CO2 و دیسکی مشاهده کردید که هر کدام چگونه می‌توانند در موقعیت‌های متفاوت صنعتی درخشان ظاهر شوند. همچنین نکاتی درباره بهینه‌سازی فرایند کنترل پارامترهای کلیدی و هزینه‌های نگهداری دستگاه بیان شد تا دیدی کامل از این فناوری پیشرفته داشته باشید. در نهایت فراموش نکنید که جوش لیزری راهکاری فوق‌العاده برای دستیابی به بالاترین کیفیت و سرعت در صنایع گوناگون محسوب می‌شود و اگر به‌دنبال افزایش رقابت‌پذیری در بازار هستید بهترین زمان برای سرمایه‌گذاری در این فناوری همین امروز است.