اگرچه لیزر فیبری منبع اصلی لیزر برای جوشکاری است، اما طول موج نزدیک به مادون قرمز (IR) خروجی آن توسط فلزات خاصی، به ویژه مس، به شدت منعکس می‌شود که اثربخشی آن را برای پردازش این مواد محدود می‌کند. در نتیجه، لیزرهای سبز حالت جامد با توان بالا به عنوان یک جایگزین بالقوه برای جوشکاری مس ظهور کرده‌اند، زیرا این طول موج‌ها به راحتی توسط مس جذب می‌شوند. با این حال، این لیزرهای سبز چندین محدودیت عملی دارند که در نهایت منجر به هزینه‌های عملیاتی بالاتر می‌شود.

این مقاله آزمایش‌های اخیر روی جوشکاری مس با استفاده از نوع جدیدی از لیزر فیبری با پرتو مرکزی با درخشندگی بالا و حالت حلقه‌ای قابل تنظیم (ARM) را معرفی می‌کند. در مقایسه با لیزرهای سبز کلاس کیلووات موجود در بازار، لیزر فیبر ARM با درخشندگی بالا ، کیفیت جوشکاری برتر، نفوذ بهتر در سرعت‌های مختلف جوشکاری و مزایای مقرون به صرفه برای کارهای جوشکاری مس را به دست آورده است. این نتایج نشان می‌دهد که چگونه لیزرهای فیبری ، هزینه کم، قابلیت اطمینان و کاربردی بودن را برای کاربردهای جوشکاری مس ارائه می‌دهند.

تولید خودروهای برقی

صنعت رو به رشد تولید خودروهای الکتریکی (EV) تقاضا برای راهکارهای جوشکاری مس را به طور قابل توجهی افزایش داده است. در مقایسه با سایر فلزات، مس دارای خواص الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و هزینه‌ای ایده‌آلی است که باعث می‌شود در خودروهای الکتریکی برای اجزایی مانند استاتور، باتری و سیستم‌های توزیع برق به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از این اجزا و سیستم‌ها شامل جوشکاری مس هستند.

با این حال، اگرچه رسانایی بالای مس و خواص حرارتی آن، آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای این کاربردها تبدیل می‌کند، اما هنگام استفاده از لیزرهای فیبری سنتی برای جوشکاری، چالش‌هایی نیز ایجاد می‌کند. به طور خاص، خواص الکترونیکی آن منجر به بازتاب بالا در طول موج نزدیک به مادون قرمز لیزرهای فیبری می‌شود . علاوه بر این، رسانایی حرارتی عالی مس برای ذوب کردن ماده و شروع فرآیند جوشکاری به مقدار قابل توجهی انرژی لیزر نیاز دارد.

بنابراین، استفاده از لیزرهای فیبری سنتی اغلب برای رسیدن به چگالی توان مورد نیاز برای ذوب مواد، به توان بسیار بالایی نیاز دارد. با این حال، این روش "نیروی بیرحمانه" می‌تواند فرآیند جوشکاری را ناپایدار و نسبت به تغییرات جزئی سطح بسیار حساس کند. به طور خاص، اکسیداسیون موضعی سطح یا بی‌نظمی‌های سطحی در مقیاس کوچک می‌تواند باعث بی‌ثباتی فرآیند شود و منجر به جوش‌های ناهموار، کیفیت پایین سطح و تخلخل شود. علاوه بر این، پاشش یک مشکل رایج است که نیاز به پردازش پس از جوشکاری زمان‌بر دارد یا منجر به کاهش بازده می‌شود.

لیزرهای سبز حالت جامد

مس نور سبز را بسیار کارآمدتر از نور نزدیک به مادون قرمز جذب می‌کند، اما فقط در دمای اتاق. انرژی لیزرهای سبز به طور مؤثرتری با قطعه کار جفت می‌شود و فرآیندی پایدارتر و با حساسیت کمتر نسبت به لیزرهای فیبری سنتی را ممکن می‌سازد . بنابراین، برخی از تولیدکنندگان از لیزرهای سبز حالت جامد پرقدرت استفاده می‌کنند، در حالی که برخی دیگر در حال ارزیابی پتانسیل آنها هستند.

با این حال، مسائل عملی قابل توجهی در به کارگیری لیزرهای سبز پرقدرت برای تولید خودروهای الکتریکی وجود دارد. برخی از چالش‌ها از خواص ذاتی و ساختار این لیزرهای سبز ناشی می‌شوند.

لیزرهای سبز را می‌توان با دو برابر کردن فرکانس نور لیزر نزدیک به مادون قرمز تولید کرد که منجر به لیزرهای فیبر سبز حالت جامد یا لیزرهای دیسکی می‌شود. اگرچه این فناوری به طور گسترده در کاربردهای کم‌توان (زیر کیلووات) مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما در اکثر کارهای جوشکاری مس صنعتی که به توان در سطح کیلووات نیاز دارند، با مشکلاتی مواجه می‌شود. به طور خاص، فرآیند دو برابر کردن فرکانس راندمانی حدود 50٪ دارد. بنابراین، برای تولید خروجی نور سبز 2 کیلوواتی، به یک لیزر مادون قرمز تک حالته 4 کیلوواتی نیاز است. انرژی استفاده نشده به گرما تبدیل می‌شود که باید توسط سیستم‌های خنک‌کننده آب دفع شود. این امر باعث می‌شود که این لیزرها از نظر انرژی ناکارآمد باشند و منجر به هزینه‌های عملیاتی بالاتر و نیاز به مقادیر زیادی آب خنک‌کننده شوند. علاوه بر این، به دلیل توان بالا، کریستال‌های دو برابر کننده فرکانس با گذشت زمان تخریب می‌شوند و به طور بالقوه باعث ایجاد مشکلات مربوط به قابلیت اطمینان و از کارافتادگی بدون نظارت مداوم می‌شوند.

لیزر فیبر ARM هایلایت™

لیزرهای فیبری از نظر مصرف انرژی بسیار کارآمدتر از لیزرهای سبز حالت جامد هستند. به عبارت دیگر، آنها برای ارائه خروجی یکسان به توان کمتری نیاز دارند و گرمای اتلافی کمتری تولید می‌کنند. این امر هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد و خنک‌سازی را ساده می‌کند. علاوه بر این، لیزرهای فیبری بسیار قابل اعتماد هستند و نور مادون قرمز را به طور مؤثر از طریق فیبرهای نوری منتقل می‌کنند. با این حال، با وجود این ویژگی‌های ایده‌آل، لیزرهای فیبری به دلیل چالش‌های ذکر شده قبلی، به طور گسترده برای جوشکاری مس مورد استفاده قرار نگرفته‌اند.

لیزرهای فیبری پرقدرت مدتی است که با موفقیت در تولید خودرو مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، چالش‌برانگیزترین وظایف جوشکاری در تولید خودروهای برقی، به ویژه برای مواد سبک وزن، به چیزی بیش از انرژی پایه و توان بالا نیاز دارند. در عمل، بسیاری از کاربردها عبارتند از:

مواد بسیار نازک یا حساس به حرارت

مواد «دشوار» برای جوشکاری مانند آلومینیوم، مس و فولادهای با استحکام بالا

اتصالات شامل مواد مختلف

برای پرداختن به این وظایف چالش‌برانگیزتر، لیزر باید دو عملکرد اصلی را ارائه دهد. اول، باید انرژی کافی برای پشتیبانی از خروجی مورد نیاز را فراهم کند. برای قطعات ضخیم‌تر، برای دستیابی به نفوذ کافی در مواد، به توان بالا نیز نیاز است. دوم، لیزر باید دقیقاً نحوه توزیع توان در سطح کار را کنترل کند - هم از نظر چگالی انرژی در واحد سطح و هم از نظر چگالی انرژی در واحد زمان.

شرکت Coherent سری HighLight لیزرهای فیبری حالت حلقه‌ای قابل تنظیم (ARM) را معرفی کرد که هزینه و مزایای عملی این منابع نوری را برای کاربردهایی که فناوری‌های سنتی نمی‌توانند به طور کامل به آنها بپردازند، به ارمغان می‌آورد. در این وظایف، کنترل دقیق توزیع توان و چگالی توان روی سطح کار برای تولید جوش‌های با کیفیت بالا (کاهش پاشش، به حداقل رساندن ترک‌ها و کاهش تخلخل) بسیار مهم است. نمونه‌های بارز آن شامل جوشکاری بدون شکاف فولاد گالوانیزه، جوشکاری کم پاشش اجزای سیستم انتقال قدرت و جوشکاری قطعات سیستم تعلیق آلومینیومی بدون ترک بدون سیم پرکننده است.

این کنترل دقیق توزیع توان فضایی از طریق خروجی پرتو منحصر به فرد لیزر ARM حاصل می‌شود که شامل یک نقطه مرکزی و یک پرتو حلقوی متحدالمرکز اضافی است. توان پرتوهای مرکزی و حلقوی را می‌توان به طور مستقل تنظیم و سفارشی کرد تا کنترل دقیقی بر دینامیک حوضچه مذاب حاصل شود.

نتایج جوشکاری مس با لیزر فیبر ARM

مهندسان کاربردی شرکت Coherent مجموعه‌ای از آزمایش‌های جوشکاری مس را با استفاده از لیزر فیبری ARM با پرتو مرکزی با درخشندگی بالا ۲۲ میکرومتر و پرتو حلقوی با قطر داخلی/خارجی ۱۰۰ میکرومتر/۱۷۰ میکرومتر انجام دادند. جنس جوشکاری مس خالص بود. در تمام آزمایش‌ها از توان لیزر ۴ کیلووات، با ۱.۵ کیلووات برای پرتو مرکزی و ۲.۵ کیلووات برای پرتو حلقوی، استفاده شد. آزمایش‌ها نشان داد که هنگام تنظیم موقعیت کانونی در ۱.۵ میلی‌متر بالاتر از سطح ماده، بهترین کیفیت جوشکاری حاصل می‌شود. این موقعیت تعادل خوبی بین عمق نفوذ جوش و کیفیت آن برقرار می‌کند.

راندمان جوشکاری

راندمان جوشکاری لیزر فیبر ARM اندازه‌گیری و با نتایج منتشر شده برای لیزر سبز ۲ کیلوواتی مقایسه شد. در هر دو آزمایش جوشکاری از نیتروژن به عنوان گاز محافظ استفاده شد. گزارش شده است که لیزر سبز دارای سطح مقطع جوش ثابت ۰.۵ میلی‌متر مربع و عمق نفوذ حدود ۱ میلی‌متر است. برای دستیابی به نتایج مشابه با لیزر ARM، به توان خروجی ۳.۵ کیلووات و سرعت جوشکاری ۳۰۰ میلی‌متر بر ثانیه نیاز بود، در حالی که سرعت جوشکاری لیزر سبز ۲۰۰ میلی‌متر بر ثانیه است.

کیفیت سطح

یکی دیگر از ملاحظات کلیدی، کیفیت سطح است. لیزرهای فیبری سنتی می‌توانند مس را جوش دهند اما به تغییرات در کیفیت سطح بسیار حساس هستند. لیزر فیبری ARM با روشنایی بالا، کیفیت جوش پایدار را هم در سطوح مسی سمباده زده و هم صیقل داده شده حفظ کرد.

نتیجه

این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که لیزر فیبر ARM منحصر به فرد و با درخشندگی بالا از شرکت Coherent، یک راه‌حل عملی برای کاربردهای جوشکاری مس در خودروهای الکتریکی است. عمق نفوذ جوش و سرعت پردازش، الزامات تولید فعلی را برآورده می‌کند یا از آن فراتر می‌رود. از نظر تاریخی، حساسیت به کیفیت سطح و بی‌ثباتی فرآیند، استفاده از لیزرهای فیبری را برای جوشکاری مس محدود کرده است، اما لیزرهای ARM بر این مشکلات غلبه می‌کنند. این لیزر ARM جدید، با مقرون به صرفه بودن، قابلیت اطمینان و مزایای عملی خود، فناوری لیزر فیبری را به عنوان انتخاب ارجح برای بسیاری از کاربردهای صنعتی قرار می‌دهد و در نهایت همه این مزایا را برای کارهای جوشکاری مس به ارمغان می‌آورد.