اهمیت خنککاری و تنظیمات توان در جوش لیزری پرتابل برای جلوگیری از سوختگی قطعه
جوشکاری لیزری قابل حمل (دستی) به عنوان یک فناوری پیشرفته در صنعت فلز، امکان جوشکاری دقیق و سریع با حداقل تداخل مکانیکی را فراهم می کند.
این دستگاه ها که معمولا بر اساس لیزرهای فیبر طراحی می شوند، انرژی بالایی را روی جوش متمرکز می کنند محلی هزینه قطعات را می دهند. یکی از مهم ترین عوامل موثر بر کیفیت جوش در این دستگاه ها، تنظیمات برق و خنک کننده آیا توان خروجی لیزر مستقیماً بر عمق نفوذ، عرض جوش و منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) تأثیر می گذارد. در حالی که خنک کننده مناسب، پایداری عملکرد لیزر و یکنواختی توزیع حرارت در قطعه را تضمین می کند.
تنظیم نامناسب توان یا عدم خنکسازی مؤثر میتواند منجر به مشکلاتی مانند جوشکاری ضعیف، سوختن قطعه (حفرهشدن)، اعوجاج حرارتی و گسترش ناحیه متاثر از گرما شود.
این مقاله به بررسی جامع اهمیت پارامترهای خنک کننده و توان در جوشکاری لیزری پرتابل می پردازد و راه حل ها و توصیه هایی کاربردی با تاکید بر جلوگیری از سوختگی قطعات ارائه می دهد.
اهمیت خنک سازی در جوشکاری لیزری قابل حمل
عملکرد پایدار هر دستگاه لیزری نیاز به مدیریت حرارتی دقیق دارد. در لیزرهای فیبر صنعتی، تنها حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد نیروی الکتریکی به نور تبدیل می شود و بقیه به صورت گرما آزاد می شود. به عبارت دیگر به ازای هر کیلووات توان خروجی نور، تقریباً دو کیلووات گرما تولید می شود. اگر این گرما از دستگاه خارج نشود، اجزای داخلی دستگاه افزایش دما و کیفیت و پایداری تابش لیزر کاهش می یابد.
افزایش حرارت دستگاه می تواند باعث ایجاد لنز حرارتی شود. به طوری که گرمای ناهمگن داخل اپتیک باعث تغییر در ضریب شکست موضعی و تشکیل عدسی ناخواسته می شود. نتیجه این پدیده جابجایی کانون لیزر و تغییرات غیرقابل کنترل در عمق جوش است که باعث نفوذ ناکافی یا بیش از حد جوش می شود. همچنین نوسان توان لیزر ناشی از دمای بالا، ذوب ناهمگن را تشدید می کند و احتمال ایجاد تخلخل و ترک در جوش را افزایش می دهد.
بنابراین برای حفظ عملکرد بهینه، دستگاه خنک کننده جزء کلیدی دستگاه جوش لیزری است که تعادل حرارتی اجزا را حفظ می کند. خنک کننده مناسب باعث می شود لیزر در محدوده دمایی بهینه (مثلاً حدود ۵۰-۶۰ درجه سانتیگراد) کار کند و از کاهش راندمان تشعشع یا آسیب دائمی به قطعات جلوگیری کند. به همین دلیل اکثر لیزرهای صنعتی مجهز به چیلر هستند. دستگاه های لیزر پرقدرت معمولاً از مایع (آب یا مخلوط با ضد یخ) برای انتقال گرما استفاده می کنند. وظیفه چیلر حذف گرمای تولید شده و ثابت نگه داشتن دمای دستگاه می باشد. استفاده از چیلر علاوه بر تثبیت دمای دستگاه، باعث افزایش طول عمر مفید لیزر و کاهش نیاز به تعمیرات می شود. هزینه خرید و نصب چیلر معمولا کسری کوچک از کل هزینه دستگاه است. اما عمر تجهیزات را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد
انواع دستگاه های خنک کننده
دستگاه های جوش لیزری قابل حمل به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند هوای خنک و کولر آبی مدلهای آب خنک معمولاً شامل یک واحد چیلر خارجی هستند که مایع خنککننده را در مدار بسته پمپ میکند. یکی از مزایای این روش امکان کار مداوم حتی در محیط های با دمای بالا است زیرا چیلر قادر است حرارت بیشتری را حذف کند.
اما معایبی نیز دارد: نیاز به نگهداری بیشتر (تعویض آب/ضد یخ، جلوگیری از نشتی)، حجم و وزن بیشتر دستگاه به دلیل چیلر و پیچیدگی در نصب و راه اندازی.
در مقابل، دستگاه های خنک کننده هوا با استفاده از فن و رادیاتور آلومینیومی دستگاه را خنک می کنند. این روش ساده تر و کوچکتر است و نیازی به چیلر زیاد یا مصرف آب ندارد. مدلهای خنککننده هوا وزن کمتر، مصرف انرژی کمتر، تعمیر و نگهداری آسانتر و راهاندازی سریعتر دارند. اما محدودیتهایی نیز وجود دارد: در دمای بالای محیط، قدرت خنککنندگی طبیعی هوا کاهش مییابد و ممکن است دستگاه در استفادههای طولانی مدت برای خنک شدن نیاز به توقف کوتاه داشته باشد.
| ویژگی | هوای خنک | کولر آبی |
| نیاز به چیلر | ندارد؛ خنک کننده با فن های داخلی (بدون چیلر) | دارای برای گردش مایع خنک کننده به چیلر یا رادیاتور نیاز دارد |
| قابلیت حمل و اندازه | کوچکتر و سبکتر (وزن ۳۰-۵۰ کیلوگرم) | حجیم تر؛ به دلیل داشتن کولر |
| مصرف انرژی | تا ۲۵-۵۰ درصد صرفه جویی در مصرف انرژی در مقایسه با آب سرد | مصرف انرژی بیشتر؛ راه اندازی پمپ و چیلر |
| تعمیر و نگهداری | راحت تر؛ بدون تغییر مایع یا ضد یخ | نیاز به تعویض دوره ای مایع خنک کننده و نگهداری چیلر |
| کار در محیط گرم | محدود در دمای بالا؛ در دمای ۳۰-۳۵ درجه سانتیگراد، تراشه لیزر ممکن است به ۷۵-۸۰ درجه سانتیگراد برسد | پایدار؛ چیلر می تواند گرمای تولید شده را حذف کند و کار مداوم را در دمای بالای محیط فعال کند |
تنظیمات برق در جوشکاری لیزری قابل حمل
توان تابش لیزر (بر حسب وات) میزان انرژی تحویل شده به قطعه در واحد زمان را تعیین می کند. افق میهن توان مناسب یکی از کلیدی ترین پارامترها برای دستیابی به جوشی همگن و بی عیب است. هر چه قدرت بیشتر باشد، نفوذ (عمق جوش) و عرض خط جوش بیشتر می شود اما با افزایش حرارت و خطر سوختن قطعه همراه خواهد بود. به عنوان مثال در جوشکاری ورق فولادی ۳ میلی متری با لیزر فیبر توان حدود ۸۰۰-۱۲۰۰ وات پیشنهاد می شود. استفاده از توان بسیار بالاتر (مثلاً ۱۸۰۰ وات) در حالی که سرعت را افزایش نمی دهد منجر به فرسودگی کامل قطعه می شود. از طرفی توان بسیار کم باعث نفوذ ناکافی و جوش ضعیف می شود. بنابراین، قدرت تابش باید با توجه به ضخامت و جنس قطعه تنظیم شود: به عنوان مثال، ورق های فولادی ضد زنگ نازک به قدرت کمتری نیاز دارند و ورق های آلومینیوم یا مس ضخیم تر نیاز به توان بالاتری دارند.
نقش پارامترهای پالس و سرعت
در بسیاری از جوشکاری های قابل حمل، به جای تابش مداوم از حالت پالس استفاده می شود. حالت پالس امکان کنترل بهتر گرمای ورودی را فراهم می کند. با افق میهن پهنای پالس و فرکانس پالس مناسب (Duty Cycle) می توان به تدریج میزان انرژی اضافه شده به قطعه را کنترل کرد. برای مثال، جوشکاری با توان پیک کم و پالسهای کوتاه (مثلاً توان ۳۰۰ وات، عرض پالس ۱ میلیثانیه، فرکانس ۲۰ هرتز) میتواند بدون ایجاد سوختگی روی ورق فولادی ضد زنگ ۰.۵ میلیمتری رضایت بخش باشد. سرعت تفنگ جوش به طور مستقیم با تنظیم قدرت متناسب است. برای توان های کم باید سرعت را کاهش داد و برای توان های بالا می توان سرعت را افزایش داد تا دمای قطعه به سرعت پراکنده شود. استفاده از گاز محافظ (معمولاً آرگون خالص) ضمن جلوگیری از اکسیداسیون، به دفع گرمای ناحیه جوش برای جلوگیری از غلظت حرارتی بیش از حد کمک می کند.
سایر پارامترها
- ضخامت قطعه: نجاری به توان کم و پالس های کوتاهتر نیاز دارد. از طرف دیگر، قطعات ضخیم تر یا با رسانایی حرارتی بالا (مانند مس) به توان یا تعداد پاس های جوشکاری بیشتری نیاز دارند.
- فوکوس لیزری: قرار دادن نقطه کانونی کمی بالاتر از سطح قطعه، چگالی توان را کاهش می دهد و برای ورق های نازک برای جلوگیری از عبور کامل پرتو مفید است. برعکس، برای نفوذ بالا، فوکوس می تواند در داخل قطعه یا روی سطح متمرکز شود.
- گاز پر کردن: در قسمت های ضخیم یا شکاف های باریک، استفاده از سیم پرکننده به میزان قابل توجهی توان مورد نیاز در تک پالس ها را کاهش می دهد و از سوراخ شدن آن جلوگیری می کند.
- محیط کار: در دمای محیط بالا، عملکرد دستگاه های خنک کننده با هوا ضعیف می شود. اگر دستگاه هوا خنک دارید، بهتر است در فواصل زمانی معین به آن استراحت دهید یا از تهویه مطبوع استفاده کنید.
راهکارهایی برای جلوگیری از سوختگی قطعات
سوختگی زمانی اتفاق میافتد که انرژی گرمایی وارد شده به ماده از ظرفیت هدایت گرما و ظرفیت گرمایی آن بیشتر شود. عواملی مانند قدرت تابشی بالا، سرعت کم تفنگ جوشکاری، ضخامت ناکافی یا تجمع حرارت زیاد در یک ناحیه مستعد سوختگی هستند. برای جلوگیری از این پدیده باید گرمای ورودی کنترل شده و گرما به سرعت دفع شود. اقدامات زیر به کاربران و تکنسین های باتجربه کمک می کند تا سوختگی قطعات را کاهش دهند:
- تنظیم قدرت با توجه به ضخامت: قدرت تابش را با توجه به ضخامت قطعه افق میهن کنید. ورق های نازک را با قدرت کمتر جوش دهید و در صورت نیاز چندین پاس جوش دهید تا سوراخ نشود.
- استفاده از حالت پالس: استفاده از حالت پالس امکان رسیدن به نفوذ مطلوب با انرژی ورودی کمتر را فراهم می کند. علاوه بر این، دوره تنفس بین پالس ها فرصت تبادل گرما به محیط را افزایش می دهد و از تجمع گرمای موضعی جلوگیری می کند.
- افزایش سرعت جوشکاری: حرکت سریعتر تفنگ جوشکاری باعث پخش شدن حرارت در سراسر قطعه شده و از تمرکز حرارت و سوختگی موضعی جلوگیری می کند.
- اندازه گیری و آزمایش: قبل از کار نهایی روی قطعات نمونه با همان ضخامت جوش آزمایشی انجام دهید. با این کار می توانید بهترین تنظیمات قدرت و سرعت را پیدا کنید و از سوختن قطعه اصلی جلوگیری کنید.
- استفاده از گاز محافظ کافی: یک گاز محافظ (معمولاً آرگون) با سرعت مناسب (حدود ۱۰ تا ۲۰ لیتر در دقیقه) وارد کنید تا ناحیه جوش از هوا محافظت شود و کمی خنک شود.
- استفاده از وسایل آلومینیومی: قطعه کار را در وسایل فلزی (مانند آلومینیوم) محکم کنید تا گرمای اضافی را جذب کرده و از تاب برداشتن یا سوختن ناگهانی جلوگیری شود.
- افق میهن نازل مناسب: در برخی موارد، تغییر نازل جوش به نازل با قطر بیشتر، پوشش گاز را بهبود می بخشد و جوش را به طور یکنواخت خنک می کند که خطر سوختگی را کاهش می دهد.
مقایسه دستگاه های خنک کننده
برای خلاصه مزایا و محدودیت های خنک کننده هوا و آب در جوشکاری لیزری قابل حمل جدول زیر ارائه شده است:
| ویژگی | آب خنک | هوای خنک |
| نیاز به چیلر | نیاز به چیلر یا رادیاتور آب (مخزن و پمپ) | بدون چیلر خارجی؛ خنک کننده با فن داخلی |
| عملکرد در دمای محیط | پایدار در دمای بالا؛ چیلر گرما را منتقل و حذف می کند | محدود در دمای بالا؛ در دمای ۳۰-۳۵ درجه سانتیگراد، تراشه ممکن است تا ۷۵-۸۰ درجه سانتیگراد گرم شود. |
| مصرف انرژی و نگهداری | مصرف انرژی بیشتر (پمپ + چیلر)؛ نیاز به تعویض دوره ای آب و ضد یخ | مصرف انرژی کمتر (تا ۲۵-۵۰٪ صرفه جویی)؛ تعمیر و نگهداری ساده (بدون آب) |
| قابلیت حمل و نصب | سنگین تر (واحد خنک کننده)؛ نیاز به فضای بیشتر و نصب چیلر مجزا | سبک تر و فشرده تر؛ بوت سریع (بدون روشن کردن کولر) |
| پایداری قدرت و خروجی | توان خروجی پایدار برای کار مداوم؛ مناسب برای تولید با سرعت و حجم بالا | در استفاده کوتاه مدت ایمن؛ در کار مداوم بسیار طولانی، ممکن است نیاز به استراحت باشد |
خلاصه نهایی: چگونه یک جوش بی عیب و نقص با تنظیمات مناسب داشته باشیم؟
خنک کننده مناسب و تنظیم دقیق قدرت دو پایه اصلی برای دستیابی به جوشکاری لیزر قابل حمل با کیفیت بالا، پایدار و بدون سوختگی هستند. ترکیب یک سیستم خنک کننده کارآمد – اعم از مدل هوا خنک برای کارگاه های سبک و عمومی یا مدل آب خنک برای کارهای مداوم و سنگین – به همراه تنظیم صحیح قدرت، پالس و سرعت حرکت سر جوش باعث می شود گرما به طور یکنواخت مدیریت شود و از تمرکز گرما روی قطعه جلوگیری می کند.
در بازار داخلی، روتک دستگاه جوش لیزری قابل حمل توان ۱۵۰۰ وات لوازم؛ این توان برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی کاملاً کافی و بهینه است.
مدل کولرگازی روتک توسط فن های داخلی خنک می شود و به همین دلیل نیازی به چیلر ندارد; این موضوع باعث صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی، نگهداری و حمل و نقل دستگاه می شود.
مدل آب خنک نیز با استفاده از خنک کننده قوی امکان پذیر است جوشکاری طولانی مدت و مداوم خطوط تولید یا کارگاه های با حجم بالا را فراهم می کند.
به طور کلی افق میهن بین مدل های هوا خنک و آب خنک باید مورد توجه قرار گیرد ضخامت قطعات، شدت کار، دمای محیط و نوع پروژه روتک با ارائه هر دو نسخه، نیازهای کارگاه های کوچک، سازندگان قطعات دقیق و حتی واحدهای تولیدی سنگین را پوشش می دهد.
جهت دریافت مشاوره و قیمت دستگاه جوش لیزری پرتابل روتک: 📞 ۴۸۰۰۰۰۹۰-۰۲۱
