اهمیت خنک‌کاری و تنظیمات توان در جوش لیزری پرتابل برای جلوگیری از سوختگی قطعه

کد خبر: ۸۹۹۰۲۳

تاریخ: ۱۸ آذر ۱۴۰۴ - ۱۱:۰۱

جوش لیزری پرتابل (دستی) به‌عنوان یک فناوری پیشرفته در صنایع فلزی، امکان انجام جوشکاری دقیق و سریع را با حداقل تداخل مکانیکی فراهم می‌کند.

این دستگاه‌ها که معمولاً بر پایه لیزر فایبر طراحی می‌شوند، با تمرکز بالای انرژی، به جوشکاری موضعی قطعات می‌پردازند. از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر کیفیت جوش در این دستگاه‌ها، تنظیمات توان و خنک‌کاری هستند. توان خروجی لیزر مستقیماً بر عمق نفوذ، پهنای جوش و ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) اثر می‌گذارد؛ در حالی که خنک‌کاری مناسب، پایداری عملکرد لیزر و یکنواختی توزیع حرارت در قطعه را تضمین می‌کند.

تنظیم نادرست توان یا فقدان خنک‌کاری مؤثر می‌تواند به اشکالاتی نظیر جوش ضعیف، سوختگی (سوراخ شدن) قطعه، اعوجاج حرارتی و گسترده شدن ناحیه تحت تأثیر حرارت منجر شود.

این مقاله به بررسی جامع اهمیت خنک‌کاری و پارامترهای توان در جوش لیزری پرتابل می‌پردازد و با تأکید بر جلوگیری از سوختگی قطعه، راهکارها و توصیه‌های عملی را ارائه می‌دهد.

اهمیت خنک‌کاری در جوش لیزری پرتابل

عملکرد پایدار هر دستگاه لیزری مستلزم مدیریت دقیق حرارت است. در لیزرهای فایبر صنعتی تنها حدود ۳۰–۴۰٪ از توان الکتریکی به نور تبدیل می‌شود و بقیه به صورت گرما آزاد می‌شود. به بیان دیگر، برای هر کیلووات توان خروجی نوری، تقریبا دو کیلووات گرما تولید می‌شود. اگر این گرما از دستگاه دفع نشود، اجزای داخلی دستگاه دچار افزایش دمایی شده و کیفیت و پایداری تابش لیزر افت می‌کند.

افزایش گرمای دستگاه می‌تواند موجب عدسی حرارتی شود؛ به طوری که گرمای ناهمگون در داخل اپتیک، تغییر ضریب شکست موضعی ایجاد می‌کند و عدسی ناخواسته‌ای شکل می‌گیرد. نتیجه این پدیده جابه‌جایی کانون لیزر و تغییرات غیرقابل‌کنترل در عمق جوش است که باعث نفوذ ناکافی یا بیش از حد نامتناسب می‌شود؛ همچنین نوسان در توان لیزر ناشی از حرارت بالا، ذوب ناهمگن را تشدید کرده و احتمال تخلخل و ترک در جوش را افزایش می‌دهد.

برای حفظ عملکرد بهینه، بنابراین، دستگاه خنک‌کننده کلیدی‌ترین اجزای دستگاه جوش لیزری است که تعادل حرارتی اجزا را حفظ می‌کند. خنک‌کاری مناسب باعث می‌شود لیزر در یک بازه دمایی مطلوب (مثلاً حدود ۵۰–۶۰ درجه سانتی‌گراد) کار کند و از کاهش بازده تابشی یا آسیب دائمی اجزا جلوگیری شود. به همین دلیل اغلب لیزرهای صنعتی به چیلر (Chiller) مجهز می‌شوند. دستگاه‌های پرتوان لیزر معمولا از مایع (آب یا مخلوط با ضدیخ) برای انتقال حرارت استفاده می‌کنند؛ چیلر وظیفه دارد گرمای تولیدی را دفع کرده و دمای دستگاه را ثابت نگه دارد. استفاده از چیلر علاوه بر تثبیت دمای دستگاه، موجب افزایش عمر مفید لیزر و کاهش نیاز به تعمیرات می‌شود؛ هزینه‌ی خرید و نصب چیلر معمولاً کسری کوچک از هزینه کل دستگاه است؛ اما به طور محسوسی طول عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد

انواع دستگاه‌های خنک‌کننده

دستگاه‌های جوش لیزری پرتابل به طور کلی به دو دسته هوا خنک و آب‌خنک تقسیم می‌شوند. مدل‌های آب‌خنک معمولاً شامل یک واحد چیلر خارجی هستند که مایع خنک‌کننده را در مدار بسته‌ای پمپ می‌کند. از مزایای این روش می‌توان به امکان کار مداوم حتی در محیط‌های دمای بالا اشاره کرد، زیرا چیلر قادر است گرمای بیشتری را دفع کند.

با این حال معایبی نیز دارد: نیاز به نگهداری بیشتر (تعویض آب/ضد یخ، جلوگیری از نشتی)، حجم و وزن بالاتر دستگاه به دلیل چیلر و پیچیدگی در نصب و راه‌اندازی است.

در مقابل، دستگاه‌های هوا خنک با به‌کارگیری فن و رادیاتور آلومینیومی، دستگاه را خنک می‌کنند. این روش ساده‌تر و کوچک‌تر است و نیاز به چیلر بزرگ یا مصرف آب ندارد. مدل‌های هوا خنک وزن کمتر، مصرف انرژی پایین‌تر و نگهداری ساده‌تری دارند و راه‌اندازی سریع‌تری نیز دارند؛ اما محدودیت‌هایی هم وجود دارد: در دماهای بالای محیط، توان خنک‌کنندگی طبیعی هوا کاهش می‌یابد و ممکن است دستگاه در استفاده‌های طولانی نیاز به توقف‌های کوتاه برای خنک شدن داشته باشد.

ویژگی

هوا خنک

آب‌خنک

نیاز به چیلر

ندارد؛ خنک‌کاری با فن‌های داخلی (بدون چیلر)

دارد؛ نیازمند چیلر یا رادیاتور برای گردش مایع خنک‌کننده

قابلیت حمل و اندازه

کوچک‌تر و سبک‌تر (وزن 50-30 کیلوگرم)

حجیم‌تر؛ به دلیل داشتن خنک‌کننده (چیلر)

مصرف انرژی

تا 50–25٪ صرفه‌جویی انرژی نسبت به آب‌خنک

مصرف بیشتر انرژی؛ راه‌اندازی پمپ و چیلر

نگهداری

آسان‌تر؛ بدون تعویض مایع یا ضدیخ

نیاز به تعویض دوره‌ای مایع خنک‌کننده و نگهداری چیلر

کارکرد در محیط گرم

در دمای بالا محدود است؛ در ۳5–۳0 سانتی گراد ممکن است چیپ لیزر به 80–75 درجه سانتی گراد برسد

پایدار؛ چیلر می‌تواند گرمای تولیدی را دفع کرده و کار مداوم در دمای محیط بالا را ممکن کند

تنظیمات توان در جوش لیزری پرتابل

توان تابشی لیزر (بر حسب وات) تعیین‌کننده میزان انرژی وارد شده به قطعه در واحد زمان است. انتخاب توان مناسب یکی از کلیدی‌ترین پارامترها برای دستیابی به جوش همگون و بدون عیب محسوب می‌شود. هرچه توان بیشتر باشد، نفوذ (عمق جوش) و پهنای خط جوش افزایش می‌یابد، اما همراه با افزایش گرما و خطر سوختگی قطعه خواهد بود. برای مثال در جوشکاری ورق استیل ۳ میلی‌متری با لیزر فایبر، توان حدود 12۰۰–800 وات پیشنهاد شده است؛ استفاده از توان بسیار بالاتر (مثلاً ۱۸۰۰ وات) در حالی که سرعت را افزایش ندهیم، منجر به سوختگی کامل قطعه می‌شود. از سوی دیگر توان بسیار کم، سبب نفوذ ناکافی و جوش ضعیف می‌گردد؛ بنابراین، توان تابشی باید متناسب با ضخامت و جنس قطعه تنظیم شود: مثلاً ورق‌های نازک استیل ضدزنگ به توان کمتر و ورق‌های ضخیم‌تر آلومینیوم یا مس به توان بالاتر نیاز دارند.

نقش پارامترهای پالس و سرعت

در بسیاری از جوش‌های پرتابل، از حالت پالسی (Pulse Mode) به جای تابش مداوم (Continuous) استفاده می‌شود. مد پالس امکان کنترل بهتر حرارت ورودی را فراهم می‌کند؛ با انتخاب پهنای پالس (Pulse Width) و فرکانس پالس (چرخه کاری یا Duty Cycle) مناسب، می‌توان میزان انرژی افزوده شده به قطعه را به تدریج کنترل کرد. به‌عنوان نمونه، انجام جوش با توان پیک پایین و پالس‌های کوتاه (مثلاً توان ۳۰۰ وات، پهنای پالس ۱ میلی‌ثانیه، فرکانس ۲۰ هرتز) می‌تواند بدون ایجاد سوختگی در ورق ۰٫۵ میلی‌متری فولاد ضدزنگ رضایت‌بخش باشد. سرعت حرکت تفنگ جوش نسبت مستقیم با تنظیم توان دارد؛ برای توان‌های پایین باید سرعت را کم کرد و برای توان‌های بالا می‌توان سرعت را افزایش داد تا دمای قطعه به‌سرعت پراکنده شود. استفاده از گاز محافظ (معمولاً آرگون خالص) نیز ضمن جلوگیری از اکسیداسیون، به دفع حرارت ناحیه جوش کمک می‌کند تا از تمرکز حرارتی بیش از حد جلوگیری گردد.

سایر پارامترها

ضخامت قطعه: نازک‌کاری نیازمند توان پایین و پالس‌های کوتاه‌تر است؛ در مقابل، قطعات ضخیم‌تر یا با رسانایی حرارتی بالا (مثل مس) به توان و یا تعداد پاس‌های جوش بیشتری نیاز دارند.

کانون لیزر: قرار دادن نقطه کانونی کمی بالاتر از سطح قطعه باعث کاهش چگالی توان می‌شود و برای ورق‌های نازک مفید است تا از عبور کامل پرتو جلوگیری کند. بالعکس، برای نفوذ زیاد می‌توان کانون را درون قطعه یا روی سطح متمرکز کرد.

گاز پرکننده: در قطعات ضخیم یا شکاف‌های باریک، استفاده از سیم پرکننده به میزان قابل توجهی امکان کاهش توان مورد نیاز در تک پالس‌ها و جلوگیری از سوراخ شدن فراهم می‌کند.

محیط کار: در دمای بالای محیط، عملکرد دستگاه‌های هوا خنک تضعیف می‌شود؛ اگر دستگاه هوا خنک دارید، بهتر است در فواصل زمانی مشخص به آن استراحت دهید یا از تهویه مطبوع کمک بگیرید.

راهکارهای جلوگیری از سوختگی قطعه

سوختگی یا سوراخ شدن (Burn-Through) زمانی رخ می‌دهد که انرژی گرمایی وارد شده به ماده، فراتر از توان هدایت گرما و ظرفیت حرارتی آن باشد. عواملی نظیر توان تابشی زیاد، سرعت پایین حرکت تفنگ جوش، ضخامت ناکافی یا تجمع حرارت زیاد در یک ناحیه، مستعدکننده سوختگی هستند. برای جلوگیری از این پدیده باید ورودی حرارتی کنترل شده و گرما به سرعت پراکنده شود. اقدامات زیر به کاربری با تجربه و تکنسین‌ها کمک می‌کند تا سوختگی قطعه را کاهش دهند:

تنظیم توان به‌تناسب ضخامت: توان تابشی را مطابق ضخامت قطعه انتخاب کنید؛ ورق‌های نازک را با توان پایین‌تر جوش داده و در صورت نیاز چند پاس جوش بزنید تا از سوراخ شدن جلوگیری شود.

استفاده از مد پالس: بهره‌گیری از حالت پالس، امکان رسیدن به نفوذ مورد نظر را با انرژی ورودی کمتر فراهم می‌کند. علاوه بر این، دوره تنفسی بین پالس‌ها فرصت تبادل گرما به محیط را افزایش می‌دهد و از انباشت حرارت محلی ممانعت می‌کند.

افزایش سرعت جوشکاری: حرکت سریع‌تر تفنگ جوش باعث می‌شود گرما در قطعه پخش شود و از تمرکز حرارت و سوختگی موضعی جلوگیری کند.

سنجش و آزمون آزمایشی: پیش از کار نهایی، روی قطعات نمونه با ضخامت مشابه یک جوش آزمایشی انجام دهید. با این کار می‌توانید بهترین تنظیمات توان و سرعت را پیدا کرده و از سوختن قطعه اصلی جلوگیری کنید.

استفاده از گاز محافظ کافی: گاز محافظ (معمولاً آرگون) را با نرخ مناسب (حدود ۱۰–۲۰ لیتر بر دقیقه) برقرار کنید تا منطقه جوش در برابر هوا محافظت و کمی خنک نگه داشته شود.

استفاده از فیکسچرهای آلومینیومی: قطعه کار را در فیکسچرهای فلزی (مثلاً آلومینیومی) محکم کنید تا گرمای اضافی را جذب کرده و از تاب برداشتن یا سوختن ناگهانی جلوگیری کند.

انتخاب نازل مناسب: در برخی موارد، تعویض نازل جوش به نمونه‌ای با قطر بزرگ‌تر پوشش گاز را بهبود می‌دهد و محل جوش را یکنواخت‌تر خنک می‌کند که این امر خطر سوختگی را کاهش می‌دهد.

مقایسه دستگاه‌های خنک‌کننده

برای جمع‌بندی مزایا و محدودیت‌های خنک‌کننده‌های هوا و آب در جوش لیزری پرتابل، جدول زیر ارائه شده است:

ویژگی

آب‌ خنک

هوا خنک

نیاز به چیلر

نیاز به چیلر یا رادیاتور آب (مخزن و پمپ)

بدون چیلر خارجی؛ خنک‌کاری با فن داخلی

کارکرد در دمای محیط

پایدار در دمای بالا؛ چیلر گرما را منتقل و دفع می‌کند

محدود در دمای بالا؛ در 35–30 درجه سانتی گراد ممکن است چیپ تا 80– 75 درجه سانتی گراد گرم شود

مصرف انرژی و نگهداری

مصرف انرژی بیشتر (پمپ+چیلر)؛ نیاز به تعویض دوره‌ای آب و ضدیخ

مصرف انرژی کمتر (تا 50–25٪ صرفه‌جویی)؛ نگهداری ساده (بدون آب)

قابلیت حمل و نصب

سنگین‌تر (واحد خنک‌کننده)؛ نیاز به فضای بیشتر و نصب جداگانه چیلر

سبک‌تر و جمع‌وجور؛ راه‌اندازی سریع (بدون روشن کردن خنک‌کننده)

ثبات توان و خروجی

توان خروجی پایدار برای کارهای پیوسته؛ مناسب تولید با سرعت و حجم بالا

در مصارف کوتاه‌مدت مطمئن؛ در کار مداوم بسیار طولانی، ممکن است نیاز به استراحت باشد

جمع‌بندی نهایی: چگونه با تنظیمات درست، جوش بی‌عیب داشته باشیم؟

خنک‌کاری مناسب و تنظیم دقیق توان دو پایه اصلی برای دستیابی به جوش لیزری پرتابل باکیفیت، پایدار و بدون سوختگی هستند. ترکیب یک سیستم خنک‌کاری کارآمد—چه مدل هواخنک برای کارگاه‌های سبک و عمومی، و چه مدل آب‌خنک برای کارهای مداوم و سنگین—به‌همراه تنظیم درست توان، پالس و سرعت حرکت هد جوش باعث می‌شود گرما به‌طور یکنواخت مدیریت و از تمرکز حرارت روی قطعه جلوگیری شود.

در بازار داخلی، روتک دستگاه جوش لیزری پرتابل را در توان ۱۵۰۰ وات عرضه می‌کند؛ این توان برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای صنعتی کاملاً کافی و بهینه است.

مدل هواخنک روتک با فن‌های داخلی خنک می‌شود و به همین دلیل نیاز به چیلر ندارد؛ این موضوع در مصرف انرژی، نگهداری و حمل‌ونقل دستگاه صرفه‌جویی چشمگیری ایجاد می‌کند.
مدل آب‌خنک نیز با استفاده از خنک‌کننده‌ی قوی، امکان جوشکاری طولانی‌مدت و پیوسته را برای خطوط تولید یا کارگاه‌های پرحجم فراهم می‌کند.

به‌طور کلی، انتخاب بین مدل هواخنک و آب‌خنک باید با توجه به ضخامت قطعات، شدت کار، دمای محیط و نوع پروژه انجام شود. روتک با ارائه هر دو نسخه، نیازهای کارگاه‌های کوچک، سازندگان قطعات دقیق و حتی واحدهای تولیدی سنگین را پوشش می‌دهد.

برای دریافت مشاوره و قیمت دستگاه جوش لیزری پرتابل روتک: 📞 021-48000090