چگونه جوش‌های ضعیف را با دستگاه‌های جوش لیزری رفع کنید؟

شناسایی عوامل اصلی ایجاد جوش‌های ضعیف در جوشکاری لیزری

هنگام استفاده ماشین آلات جوش لیزر ، شناسایی اینکه چرا جوش‌ها دچار شکست می‌شوند برای بهبود نتایج بسیار مهم است. اتصالات ضعیف اغلب ناشی از چهار مشکل قابل پیشگیری است که مهندسان باید به‌صورت سیستماتیک آنها را برطرف کنند.

تخلخل و به‌دام‌افتادگی گاز: عوامل اصلی شکست جوش

حباب‌های گاز به‌دام‌افتاده باعث ایجاد جوش‌های متخلخل می‌شوند و مقاومت ساختاری را تا ۴۰ درصد در آلیاژهای آلومینیوم کاهش می‌دهند (مطالعه جوشکاری مواد، ۲۰۲۳). این امر زمانی رخ می‌دهد که جریان گاز محافظ نامنظم باشد یا آلاینده‌هایی مانند رطوبت در حین جوشکاری تبخیر شوند و باعث ایجاد حفره‌های هیدروژنی در فولاد ضدزنگ شوند که تحت تنش منجر به شکست‌های شکننده می‌گردند.

تأثیر آلودگی سطحی بر مقاومت جوش

اکسیدها، روغنهای نفتی، یا لایه‌های گرد و غبار به ضخامت تنها ۵ میکرون جذب انرژی لیزر را مختل می‌کنند. تحلیلی در سال ۲۰۲۴ نشان داد که سطوح تیتانیوم آلوده منجر به کاهش ۲۸٪ استحکام کششی نسبت به اتصالات تمیز شده به‌درستی می‌شوند. پاک‌سازی با استون صنعتی و همچنین تخریب لیزری روش‌های اثبات‌شده‌ای برای حذف این خطرات هستند.

نقایص طراحی اتصال و عدم تطابق مناسب که منجر به اتصالات ضعیف می‌شوند

لبه‌های نامتناسب یا شکاف‌های بیش از حد (>۰٫۲ میلی‌متر) باعث می‌شوند پرتو لیزر مجبور شود ناهمواری‌ها را پوشش دهد نه اینکه مواد را به هم جوش دهد، که این امر توزیع نامناسب حرارت و نقاط تمرکز تنش ایجاد می‌کند. یک مطالعه موردی اخیر نشان داد که بازطراحی اتصالات همپوشان با ۳۰٪ همپوشانی، ۹۰٪ از شکست‌های خستگی در جعبه‌های باتری خودروها را حذف کرده است.

تثبیت‌کننده‌های ناکافی و کنترل ناکارآمد شکاف در حین جوشکاری لیزری

ابزار دقیق باعث کاهش ۷۵ درصدی خطاهای موقعیتی می‌شود، در حالی که سیستم‌های نظارت بر شکاف در زمان واقعی به‌صورت خودکار تمرکز لیزر را در طول چرخه‌های جوشکاری تنظیم می‌کنند.

بهینه‌سازی پارامترهای دستگاه جوشکاری لیزری برای حداکثر استحکام

تنظیم توان لیزر و فرکانس پالس برای سازگاری با مواد

درست انجام دادن جوشکاری لیزری، شروع از تنظیمات دقیق توان و پالس است. تحقیقات اخیر در سال 2023 چیزی جالب را نشان دادند که هنگام کار با فولاد ضدزنگ 0.7 میلی‌متری مشاهده شد. وقتی جوشکاران توان را به حدود 1750 وات افزایش دادند و پالس‌ها را روی 9 هرتز تنظیم کردند، اتصالات حاصله در واقع 34٪ قوی‌تر از حالتی بود که از تنظیمات پایین‌تر استفاده شده بود. اما در اینجا نقطه بهینه‌ای وجود دارد. اگر از 1800 وات فراتر بروید، فلز به جای جوش خوردن به صورت بخار درمی‌آید. اگر زیر 1670 وات بروید، جوش به طور کامل متصل نمی‌شود. طول هر پالس نیز مهم است. افزایش طول پالس‌ها از 6 میلی‌ثانیه به حدود 10 میلی‌ثانیه به انتقال انرژی بیشتر به قطعه کار کمک می‌کند بدون اینکه فلزات نازک و ظریف را ذوب کند.

تعادل بین سرعت جوشکاری و ورودی حرارتی برای جلوگیری از عیوب

امروزه تجهیزات جوشکاری لیزری می‌توانند تقریباً اتصالات بدون عیبی تولید کنند، به شرطی که ورودی حرارت در حدود ۲۵ ژول بر میلی‌متر نگه داشته شود. راز کار، تنظیم دقیق سرعت است. آزمایش‌های صنعتی نشان داده‌اند که برای فولاد کربنی ۲ میلی‌متری، حرکت با سرعت حدود ۳٫۵ اینچ در ثانیه و توان ۲٫۲ کیلووات، عمق نفوذ بهینه‌ای در حدود ۱٫۸ میلی‌متر ایجاد می‌کند. اگر سرعت بیشتر از ۴ اینچ در ثانیه باشد، مشکلات لبه‌های سرد (Cold Lapping) پدیدار می‌شود. اما اگر سرعت زیر ۲ اینچ در ثانیه برسد، آلیاژهای آلومینیوم تمایل به پیچش و تغییر شکل پیدا می‌کنند. خبر خوب این است که سیستم‌های جدیدتر مجهز به حسگرهای حرارتی بلادرنگ هستند که به اپراتورها اجازه می‌دهند در طول فرآیند جوشکاری و در عرض تقریباً یک دهم ثانیه، پارامترها را به‌سرعت تنظیم کنند.

تمرکز دقیق پرتو و تنظیم قطر لکه برای نتایج یکنواخت

نقطه کانونی پرتو باید در صورت کار با ضخامت‌های مختلف مواد، در هر دو طرف در محدوده تقریباً 0.15 میلی‌متری ثابت بماند. هنگام کار با مواد نازک مانند ورق‌های تیتانیوم 0.5 میلی‌متری، کاهش اندازه نقطه به حدود 0.2 میلی‌متر به فوکوس بهتر انرژی کمک می‌کند. اما برای مواد ضخیم‌تر مانند اتصالات مسی 4 میلی‌متری، افزایش نقطه تا حدود 0.5 میلی‌متر باعث توزیع منظم‌تر گرما می‌شود. امروزه عدسی‌های هم‌محور پیشرفته توانایی بالایی در ایجاد پرتوهایی با همگنی نزدیک به 98٪ دارند. این امر در عمل باعث حذف لکه‌های داغ مزاحمی می‌شود که مشکلات متعددی در پروفایل خطوط جوش ایجاد می‌کنند. همچنین هنگام استفاده از این سیستم همراه با سیستم‌های جبران خودکار محور Z، پاشش جوش در کارهای جوشکاری عمودی تقریباً به میزان دو سوم کاهش می‌یابد. این موضوع در محیط‌های تولیدی که کنترل کیفیت اهمیت زیادی دارد، تفاوت چشمگیری ایجاد می‌کند.

اطمینان از آماده‌سازی صحیح اتصال و تمیزی سطح

روش‌های بهترین عملکرد در طراحی اتصالات برای جوش‌های لیزری قوی و بادوام

طراحی اتصال مؤثر با درک ضخامت ماده و هدایت حرارتی آن آغاز می‌شود. برای ماشین آلات جوش لیزر ، تکنیک‌های آماده‌سازی لبه مانند شیارهای V یا اتصالات جفتی مربعی عمق نفوذ را 15 تا 20 درصد نسبت به رابط‌های طراحی‌نشده بهبود می‌دهند (مجله پردازش مواد، 2024). ملاحظات کلیدی شامل:

• حفظ فاصله اتصال ≤0.1 mm برای اطمینان از ادغام کامل
• انتخاب هندسه اتصال (روی هم، جفتی یا گوشه‌ای) بر اساس الزامات باربرداری
• استفاده از لبه‌های ماشین‌کاری‌شده با دستگاه کنترل عددی (CNC) برای کیفیت جوش قابل تکرار

تکنیک‌های تمیزکاری سطح برای حذف اکسیدها و آلاینده‌ها

آلاینده‌هایی مانند روغن، اکسیدها و گرد و غبار مطابق مطالعه آماده‌سازی مواد لیزری 2024 استحکام جوش را تا 35 درصد کاهش می‌دهند مطالعه آماده‌سازی مواد لیزری 2024 . روش‌های مهم تمیزکاری شامل:

زبری سطح پس از تمیزکاری (Ra ≤ 3.2 میکرومتر) برای جذب منظم لیزر حیاتی است.

دستیابی به تناسب و تراز بهینه قبل از جوشکاری

عدم تراز بیش از 0.25 میلی‌متر در 60 درصد موارد باعث ایجاد حوضچه‌های جوش نامتقارن و امتزاج ناقص می‌شود. از حسگرهای جابجایی لیزری نوبت‌مند یا وسایل دقیق تثبیت موقعیت استفاده کنید تا حفظ شود:

• پیچش زاویه‌ای کمتر از 1 درجه در حین بستن
• توزیع فشار یکنواخت (انحراف ±5٪)
• یکنواختی شکاف در محدوده 0.05 میلی‌متر در طول مسیر جوشکاری

تراز دقیق، بازکاری پس از جوشکاری را تا 40٪ در کاربردهای جوشکاری لیزری خودرو کاهش می‌دهد (راهکارهای تولید خودرو، 2023).

استفاده مؤثر از گازهای محافظ برای بهبود کیفیت جوش

انتخاب گاز محافظ مناسب (آرگون، هلیوم، دی‌اکسید کربن) و نرخ جریان آن

انتخاب گاز مورد استفاده در جوشکاری لیزری به شدت بر کیفیت محافظت از حوضچه جوش و عمق نفوذ آن به داخل ماده تأثیر می‌گذارد. آرگون عملکرد بسیار خوبی دارد، زیرا محیطی پایدار ایجاد می‌کند که از واکنش فلزات واکنش‌پذیر مانند تیتانیوم با هوا جلوگیری می‌کند. هلیوم از سوی دیگر دارای ویژگی شگفت‌انگیزی است؛ به دلیل هدایت حرارتی بسیار بالای آن، طبق تحقیقات منتشر شده سال گذشته، ما می‌توانیم در قطعات ضخیم آلومینیومی حدود ۲۵ تا ۴۰ درصد عمق جوش عمیق‌تری بدست آوریم. با این حال، در مورد فولاد کربنی، اکثر کارگاه‌ها از مخلوط‌های CO₂ استفاده می‌کنند، زیرا این گازها به خوبی از اکسیداسیون جلوگیری می‌کنند و در عین حال هزینه زیادی ندارند، هرچند تنظیم دقیق دبی جریان گاز از اهمیت بالایی برخوردار است. بر اساس آزمایش‌های مختلف صنعتی، حفظ جریان گاز در حدود ۱۵ تا ۲۰ لیتر در دقیقه، باعث کاهش حدود دو سومی تشکیل حباب‌های مزاحم درون جوش در مقایسه با تنظیمات نادرست می‌شود. همچنین نباید از ایجاد آشفتگی در جریان گاز غافل شد. اندازه نازل در اینجا بسیار مهم است. برای اتصالات پیچیده، استفاده از نازل‌های کوچک‌تر با قطر بین ۶ تا ۸ میلی‌متر معمولاً پوشش بهتری فراهم می‌کند.

اطمینان از پوشش کامل برای کاهش اکسیداسیون و تخلخل

هنگامی که گاز محافظ به‌طور کامل ناحیه جوش را پوشش نمی‌دهد، باعث بروز مشکلات اکسیداسیون می‌شود که حدود سه‌چهارم تمام شکست‌های جوش در کاربردهایی که خلوص اهمیت بالایی دارد، مانند ساخت دستگاه‌های پزشکی، را به همراه دارد. برای دستیابی به نتایج بهتر، بسیاری از متخصصان توصیه می‌کنند از نازل‌های جریان لایه‌ای استفاده شود که در زاویه‌ای بین پانزده تا بیست درجه نسبت به محل واقعی جوش قرار گرفته‌اند. این تنظیم چیزی است که برخی آن را اثر پرده گازی می‌نامند و فلز مذاب را در طول فرآیند محافظت می‌کند. در صورت کار روی درزهایی که بر روی یکدیگر همپوشانی دارند، تکنسین‌ها اغلب متوجه می‌شوند که باید دبی گاز را حدود ده تا پانزده درصد افزایش دهند، زیرا در این شرایط گاز تمایل به پراکندگی بیشتری دارد. بررسی آنچه پس از جوشکاری اتفاق می‌افتد نشان می‌دهد که حفظ فاصله نازل در حدود پنج تا هشت میلی‌متر از ماده تحت جوش، حداکثر محافظت را در برابر اکسیداسیون فراهم می‌کند و همچنین مقدار پاشش (اسپلتر) که به محصول نهایی می‌چسبد را کاهش می‌دهد. در کاربردهای حساس مانند پوسته‌های باتری خودروها، نصب سیستم‌هایی که دبی گاز را به‌صورت زمان واقعی نظارت می‌کنند، منطقی است. این سیستم‌ها می‌توانند تغییرات دبی گاز را هنگامی که از حد مجاز مثبت و منفی پنج درصد فراتر رود تشخیص دهند، که اساساً نقطه بحرانی است که از آن پس عیوب جوش به مسئله‌ای رایج در خطوط تولید تبدیل می‌شوند.

بررسی صحت جوشکاری از طریق بازرسی و آزمون

روش‌های آزمون غیرمخرب برای تشخیص مناطق ضعیف جوش

استفاده از روش‌های آزمون غیرمخرب به حفظ قابلیت اطمینان جوش‌ها بدون آسیب رساندن به عملکرد قطعات کمک می‌کند. فناوری اولتراسوند می‌تواند ترک‌های بسیار ریز زیر سطحی را شناسایی کند، حتی ترک‌هایی با ضخامت حدود 0.05 میلی‌متر. در همین حال، رادیوگرافی حباب‌های هوا درون مواد را که بیش از 3٪ از فضا را اشغال می‌کنند، پیدا می‌کند؛ این اعداد واقعاً مهم هستند وقتی صحبت از تجهیزات جوشکاری لیزری در مواردی مانند هواپیماها یا دستگاه‌های پزشکی می‌شود. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد که حدود 9 از هر 10 شکست جوش به دلیل این است که مشکلات کوچک به موقع شناسایی نشده‌اند. اجرای رویه‌های مناسب NDT مطابق با دستورالعمل‌های استاندارد صنعتی، اکثر این مسائل را قبل از تبدیل شدن به مشکلات بزرگ در خطوط تولید متوقف خواهد کرد.

یک نظرسنجی مؤسسه NDT در سال 2024 نشان داد:

• آزمون نشت هلیوم 98٪ از عیوب آب‌بندی در جوش‌های لیزری هرمیتیک را شناسایی می‌کند
• تصویربرداری حرارتی ناهنجاری‌های منطقه تحت تأثیر حرارت را در چرخه‌های 0.2 ثانیه‌ای شناسایی می‌کند
• سیستم‌های جریان گردابی به دقت 99.7 درصد در تشخیص نقص‌های سطحی در آلیاژهای رسانا دست می‌یابند

اجراي اقدامات اصلاحي بر اساس ارزيابي پس از جوشكاري

تحلیل سیستماتیک نقص‌های جوش، بهبود مداوم را پیش می‌برد. هنگامی که آزمون فراصوتی اتصالات ضعیف را آشکار می‌کند – که طبق داده‌های ASNT 2023 در 18٪ از جوش‌های لیزری تیتانیوم رایج است – تنظیمات زیر را اعمال کنید:

1. مدت زمان پالس (حفظ ≤3 میلی‌ثانیه برای امتزاج کامل)
2. نرخ جریان گاز محافظ (>25 لیتر/دقیقه برای جلوگیری از اکسیداسیون)
3. فوکوس پرتو (تلرانس ±0.1 میلی‌متر برای نفوذ یکنواخت)

انجمن آمریکایی آزمون‌های غیرمخرب گزارش می‌دهد که سیستم‌های نظارت لحظه‌ای، زمانی که با پروتکل‌های تنظیم خودکار پارامترها ترکیب شوند، هزینه‌های بازکاری را تا 62 درصد کاهش می‌دهند.

سوالات متداول (FAQ)

علت اصلی جوش‌های ضعیف در جوشکاری لیزری چیست؟

علت‌های اصلی جوش‌های ضعیف در جوشکاری لیزری شامل تخلخل و به دام افتادن گاز، آلودگی سطحی، نقص در طراحی اتصال و نگهداری نادرست و کنترل شکاف ناکافی است.

چگونه می‌توانم استحکام جوش را در جوشکاری لیزری بهبود بخشم؟

بهبود استحکم جوش می‌تواند از طریق بهینه‌سازی توان لیزر و فرکانس پالس، تنظیم سرعت جوشکاری و ورودی حرارت، اطمینان از آماده‌سازی صحیح اتصال و تمیزی سطح، و استفاده مؤثر از گازهای محافظ مناسب حاصل شود.

روش‌های آزمون غیرمخرب برای بازرسی جوش کدام‌اند؟

روش‌های متداول آزمون غیرمخرب شامل آزمون اولتراسونیک، رادیوگرافی، آزمون نشتی هلیوم، تصویربرداری حرارتی و سیستم‌های جریان گردابی هستند.