مقایسه جوشکاری لیزر یگ و فایبر

عملکرد لیزر یگ و فایبر برای جوشکاری

در این مقاله می خواهیم مقایسه ای عمیق بین لیزر یگ و فایبر در جوشکاری داشته باشیم و در پایان به این نتیجه برسیم که کدام نوع لیزر متناسب با کار شماست.

 

به نظر شما کدام لیزر بهتر است؟ Nd:YAG یا لیزر فایبر برای جوش میکرونی؟

اپتیک پرداز به شما کمک می کند که بهترین لیزر را متناسب با کاربرد مورد نظر خود را انتخاب کنید!

 

به طور کلی چهار لیزر در زمینه جوشکاری می توانند مورد استفاده قرار بگیرند: ایتریوم آلومینیوم گارنت با نئودیمیم دوپ شده پالسی (Nd:YAG)، لیزر فایبر پیوسته (CW)، لیزر فایبر شبه پیوسته (QCW) و لیزر فایبر نانوثانیه.

هر کدام از این نوع لیزرها ویژگی های منحصر به فردی را ارائه می دهد که برای کاربردهای مختص خود بهترین عملکرد را دارد.

 

مقایسه لیزر یگ و فایبر – معرفی لیزر Yag

لیزر پالسی Nd:YAG چندین دهه است که وجود دارد و بیشترین تعداد کاربر را دارد. توان پیک و عرض پالس این لیزر برای جوش میکرونی مناسب است.

در لیزر Nd:Yag، محیط فعال نئودیمیم است که در یک کریستال میزبان از ایتربیوم آلومینیوم گارنت دوپ می شود. این راد جامد معمولاً 0.1-0.2 اینچ قطر و حدود 4 اینچ طول دارد.

لیزرهای جوش میکرونی Nd:YAG به صورت اپتیکی با استفاده از فلش لامپ‌ پمپ می‌شوند و معمولاً نوری با طول موج 1064 نانومتر ساطع می‌کنند. بنابراین اگر بخواهیم مقایسه ای بین لیزر یگ و فایبر انجام دهیم، یکی از ایرادات این نوع از لیزرها وجود همین قطعه مصرفی فلش لامپ است که یا دچار آسیب می شود و یا طول عمر آن کاهش می یابد.

طراحی این لیزر نسبتاً ساده است. قلب آن منبع تغذیه ای است که ولتاژ فلش لامپ را هدایت و کنترل می کند و با استفاده از فیدبک اپتیکی داخلی، امکان کنترل دقیق توان پیک و عرض پالس در طول لیزر پالسی را فراهم می کند.

بااستفاده از کنترل پالس، لیزر Nd:YAG توان پیک بالایی را در یک لیزر فشرده ارائه می دهد که امکان جوشکاری با اسپات سایز بزرگ را فراهم می کند. به عنوان مثال یک لیزر 25 واتی می تواند 6 کیلو وات توان پیک را فراهم کند که برای جوشکاری فولاد و آلومینیوم با اسپات سایز 600 میکرون کافی است.

شکل زیر شامل چند نمونه از جوشکاری لیزر Nd:YAG است که کاربردهای پزشکی این نوع جوش به تصویر کشیده شده است:

 

 

 

در ادامه به بررسی لیزرهای فایبر ذکر شده خواهیم پرداخت:

 مقایسه لیزر یگ و فایبر – معرفی لیزر Fiber

لیزرهای فایبر کم توان حکاکی و لیزرهای فایبر چند کیلوواتی پرتوان برش و جوشکاری به سرعت در حال افزایش سهم بازار خود و پیشرفت روزافزون هستند و گزارش‌های اخیر حاکی از آن است که تعداد لیزرهای فایبر چند کیلوواتی که در صنعت برای برش ورق‌های تخت به کار می‌روند، به زودی از تعداد لیزرهای CO2 و ND:Yag فروخته شده در بازار لیزر صنعتی پیشی خواهد گرفت.

در کاربردهای پردازش مواد معمولا از ایتربیوم به عنوان عنصر دوپینگ استفاده می شود زیرا بازده خوب و طول موج خروجی نزدیک به 1 میکرون را فراهم می کند که به خوبی با قطعات اپتیکی-لیزری موجود مطابقت دارد.

اگر بخواهیم مقایسه ای بین لیزر یگ و فایبر داشته باشیم، ازجمله مزیت های لیزر فایبر نسبت به سایر لیزرها این است که در آن لیزر به طور کامل در یک فیبر تولید می شود، بنابراین نیازی به الاین مسیر اپتیکی نیست، همچنین نیازی به نگهداری و مراقبت اپتیک و الاین مانند لیزر پالسی Nd:YAG نیست.

فرآیند لیزر فایبر بسیار کارآمدتر است به این معنی که لیزر فیبر می تواند فشرده باشد، هواخنک باشد و بازده الکتریکی اپتیکی بالایی داشته باشد.

ازجمله ویژگی‌های منحصر به‌ فرد لیزر فیبر، «قابلیت فوکوس بالا» و طیف وسیعی از کیفیت پرتو آن است که برای هر کاربرد جوشکاری قابل تنظیم است.

اینکه میگوییم طیف وسیعی از کیفیت پرتو، به فیبر سینگل مد و مولتی مد آن برمیگردد. حالت سینگل مد با کیفیت پرتو  کمتر از 1.2 تعریف می شود، در حالی که حالت مولتی مد معمولا کیفیت پرتوی بالای 2 دارد.

شکل زیر شماتیکی از لیزرهای فیبر سینگل مد و مولتی مد است.

 

 

تفاوت بین لیزرهای سینگل مد و مولتی مد در شکل زیر نشان داده شده است. تمام جوش ها در فولاد ضد زنگ با ضخامت 0.06 اینچ نشان داده شده اند :

 

 

(الف) نشان دهنده تاثیر یک لیزر فیبر سینگل مد 500 وات با کیفیت باریکه 1.2 در 300 اینچ در دقیقه است. (IPM) با اسپات سایز 30 میکرون؛

(ب) تاثیر یک لیزر مولتی مد 700 وات با کیفیت باریکه 15 در 100 اینچ در دقیقه IPM با اسپات سایز 150 میکرون را نشان می دهد.

و (ج) تاثیر یک لیزر فیبر مولتی مد 1 کیلوواتی با کیفیت باریکه 15 در 80 اینچ در دقیقه IPM با اسپات سایز 250 میکرون را نشان می دهد.

 

مقایسه لیزر یگ و فایبر – لیزرهای فایبر پیوسته (CW)

در انتخاب لیزر یگ و فایبر پیوسته برای جوشکاری درزها با سرعت بالا، لیزر پیوسته کارآمدتر است تا بتواند بصورت پیوسته درز بین دو ماده را پر کند.

توان پیک لیزر CW با توان پیک متوسط آن برابر است، بنابراین اسپات سایز فوکوس شده معمولاً کمتر از 100 میکرون است تا به چگالی توان کافی برای جوشکاری با سطوح توان کمتر از 1 کیلو وات دست یابد.

با توجه به اسپات سایز کوچک، برای جوش lap and fillet مناسب است. جوش لب به لب در صورتی امکان پذیر است که ضخامت قطعه ها به خوبی تناسب داشته باشد.

شما می توانید برای راحتی پردازش لیزری از سیستم بزرگنمایی در محل درز استفاده کنید. گزینه جایگزین استفاده از هد اسکنر است که می تواند در جهت جانبی جوش حرکت ایجاد کند که برای کاهش حساسیت دستگاه نسبت به برهم خوردن alignment مناسب است.

شکل زیر شامل نمونه هایی از کاربردهای لیزر فیبر CW در صنعت جوش زبانه باتری و ماشین سازی را نشان می دهد:

 

 

مقایسه لیزر یگ و فایبر – فیبر نانوثانیه

برای جوش نقطه‌ای چه یک جوش یا یک درز، خروجی لیزر پیوسته را می‌توان پالسی کرد یا به‌طور صحیح‌تر، مدوله کرد .

لیزر فیبر نانو ثانیه به تازگی به لیزرهای ارائه شده برای جوشکاری اضافه شده است. این همان لیزری است که برای کاربردهای حکاکی لیزری استفاده می شود و یک راه حل بسیار مقرون به صرفه است که می تواند به طور موثر برای کاربردهای خاص جوشکاری تغییر کاربری دهد.

لیزر نانوثانیه توان پیک چند کیلوواتی را ارائه می‌کند، اما با عرض پالس در حدود 60 تا 250 نانوثانیه که می‌تواند بین 20 تا 500 کیلوهرتز ارسال شود. این توان بالا، تقریباً هر فلزی از جمله فولاد، مس و آلومینیوم را جوش می‌دهد. عرض پالس بسیار کوتاه، کنترل بسیار دقیقی را برای جوشکاری قطعات کوچک و همچنین توانایی جوشکاری مواد غیر مشابه را امکان پذیر می کند.

برای مشاهده ی نمونه هایی از کاربردهای لیزر فیبر نانوثانیه در صنعت جوش زبانه باتری به شکل زیر مراجعه کنید. (می توانید با مقایسه شکل های جوش باتری در لیزر یگ و فایبر متوجه تفاوت عملکرد این دو نوع لیزر شوید)

 

 

مقایسه لیزر یگ و فایبر – لیزرهای فایبر شبه پیوسته (QCW)

منعطف ترین لیزری که تاکنون دیده اید!

این لیزرها در به دست آوردن سهم بازار پیشرفت سریعی دارند و موفقیت بزرگی در صنعت لیزر در دهه گذشته بوده اند و گزارش های اخیر نشان می دهد که این روند ادامه خواهد داشت.

طیف وسیعی از لیزرهای فایبر مادون قرمز (IR) که به عنوان لیزرهای شبه موج پیوسته (QCW) شناخته می شوند، اکنون به سرعت در حال جایگزینی با فناوری لیزر Nd:YAG پمپ شده با فلش لامپ و سایر لیزرهای فایبر هستند و به دلیل اهمیت بالای این دسته از لیزرها، به طور مفصل تر آنها را بررسی خواهیم کرد.

 

چرا به این نوع از لیزرها شبه پیوسته می گویند؟

این لیزرها در محدوده بین لیزرهای فایبر CW کیلوواتی و لیزرهای پالسی قرار می گیرند و پهنای پالسی از محدوده میکروثانیه تا میلی ثانیه را ارائه می دهند.

این لیزرها در کاربردهای با اسپات سایز کوچک و نفوذ بالا می درخشند و پوشش نسبتاً جامعی برای بسیاری از کاربردهای جوش میکرونی را ارائه می دهند.

توجه به این نکته نیز ضروری است که تاکنون کیفیت مد پرتو سینگل مد همراه با انرژی پالس بسیار بالا هرگز در لیزرهای با قیمت رقابتی به دست نیامده بود و جالب است بدانید که برخی از مدل های این نوع لیزر توان پیک 20 کیلووات را دارند.

قابلیت های این لیزرها اجازه می دهد تا در آنها از قطر فیبر بسیار کوچکتر استفاده شود.

در واقع، یک لیزر از این نوع را می توان با فیبر با قطر سینگل مد (کمتر از 15 میکرومتر) تولید کرد که عملکرد برش و سوراخ کاری با دقت چشمگیر را ممکن می کند.

علاوه بر این، به دلیل اینکه قطر فیبر فعال در یک لیزر فایبر طبیعتاً بسیار کوچک است، فیبر به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالا، تقریباً خود خنک می شود.

بنابراین، در مقایسه بین لیزر یگ و فایبر نوسانات دما و اثرات حرارتی فایبر نسبت به لیزرهای ND:Yag بسیار کمتر است و همین به پایداری بی سابقه پرتو خروجی می‌شود.

 

لیزر یگ و فیبر – مقایسه لیزر فایبر CW و QCW

لیزرهای QCW بسیار شبیه به لیزرهای فیبر کیلوواتی پیوسته با یک تفاوت قابل توجه هستند: توان پیک آنها در زمان روشن بودن سورس تا ده برابر بیشتر از توان متوسط آنها در حالت کارکرد CW خالص است. به نظر می رسد که در این لیزرها تعداد دیودهای پمپ افزایش می یابد.

افزایش توان پیک یعنی افزایش توان لیزر برای شکستن پیوندهای فلزات و انجام فرایند جوشکاری بهتر.

این ویژگی منحصر به فرد به لیزر QCW این امکان را داده است که با لیزرهای فلش لامپی با تکنولوژی قدیمی تر و لیزرهای فایبر CW در زمینه جوشکاری لیزر کم توان رقابت بسیار موفقی داشته باشد.

در اصل، اگر توان پیک برای هر فرآیند لیزری خاصی مورد نیاز باشد، این نوع لیزر می‌تواند بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر نسبت به لیزر CW با توان پیک معادل ارائه کند.

 

لیزر QCW با توان متوسط 150 وات و توان پیک 1500 وات

 

مشابه لیزرهای فیبر CW ، لیزرهای QCW انواع سینگل مد تا مولتی مد را با اندازه نقطه از 0.001 اینچ تا 0.04 اینچ در صورت نیاز ارائه می دهند.

این لیزرها می توانند ده ها ژول انرژی را در یک پالس طولانی، از 50 میکروثانیه تا 50 میلی ثانیه ارائه دهند.

توجه به این نکته بسیار مهم است که یک لیزر 150 وات CW برای تولید پالس مدوله شده 10 ژول به 67 میلی ثانیه زمان نیاز دارد و توان پیک پرتو برابر با توان CW است یعنی 150 وات و در این توان پیک کم، چگالی توان پیک (تابش) بسیار کمتری تولید می شود.

با این حال، لیزر QCW کم توان، معمولاً می‌تواند 10 ژول در 15 هرتز در 8 میلی‌ثانیه با حداکثر توان 1250 وات برای جوش نقطه‌ای تولید کند.

واضح است که گرمایش جانبی قطعه جوش داده شده در 10 میلی ثانیه در مقایسه با 67 میلی ثانیه به میزان زیادی کاهش می یابد.

همچنین باید توجه داشت که حداکثر مدت زمان پالس با توان پیک نسبت معکوس دارد: 10 میلی ثانیه برای 1500 وات، 15 میلی ثانیه برای 1000 وات، 50 میلی ثانیه برای 300وات و کمتر.

بنابراین، در صورتی که نیاز به توان پیک بالا کم باشد، مانند جوشکاری فلز با بازتاب کمتر، پالس‌های طولانی‌تر و Duty cycle بالاتر در دسترس هستند

 

مقایسه لیزر Yag و Fiber از نوع QCW

فناوری QCW برای جایگزینی لیزرهای Nd:Yag جوش جواهرات پمپ شده با فلش لامپ که در جوشکاری نقطه ای، جوشکاری دو ماده دارای درز و سوراخ کاری و سایر کاربردهای صنعتی استفاده می شوند، ایده آل است.

در مقایسه بین لیزر یگ و فایبر از این نوع، این لیزرها نسبت به لیزرهای Nd:Yag پمپ شده با فلش لامپ، کامپکت تر و بازدهی بالاتر و عملکردی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری و در کل مقرون به صرفه تر هستند.

 

مزایای کلی QCW نسبت به لیزرهای YAG پمپ شده با فلش لامپ:

• عدم نیاز به تعویض لامپ
• فشرده و کامپکت تر
• بازده انرژی 10 برابر بیشتر
• راندمان الکترواپتیکی بیش از 30 درصد
• عدم وجود مسیر اپتیکی و درنتیجه احتمال آسیب و آلودگی و به هم ریختن Alignment کمتر
• مقاوم تر از لحاظ مکانیک و تحمل حرارت
• امکان انتخاب نوع فیبر اعم از سینگل مد، مولتی مد یا Flat top
• امکان داشتن Red light و مشخص بودن مسیر حرکت باریکه

علاوه بر این، این لیزرها توان پالس بالایی دارند و انرژی آنها بسیار پایدار است، مانند سایر فناوری های لیزر فایبر، قابلیت سینگل مد و مولتی مد بودن را دارا هستند و پهنای پالس آنها تا محدوده میکروثانیه قابل تنظیم است!

 

کاربردهای لیزر QCW

قابلیت‌های پردازشی ذکرشده این لیزر را در جایگاهی قرار می‌دهد که در آن می‌توان پدیده‌های غیرخطی تولید کرد و مواد خاصی می‌توانند با موفقیت با این لیزر پردازش شوند.

شناخته شده ترین این کاربردها برش لیزری انواع شیشه ها، برش و حفاری یاقوت کبود و آلومینا، و حتی برش سیلیکون [2]، جوش زبانه باتری با ظرافت بسیار بالا، کاربردهای پزشکی و… است.

 

 

همچنین جوشکاری آلومینیوم مورد استفاده در مایکروویو که قبلا توسط لیزرهای ND:Yag پمپ شده با فلش لامپ انجام میشد، اکنون با استفاده از لیزر QCW هواخنک و با تنظیم پارامترهایی از قبیل توان پیک، انرژی پالس و توان متوسط انجام می پذیرد.

شکل زیر نمونه های کاربرد لیزر فایبر QCW در جوش آلومینیوم و.. را نشان می دهد:

 

 

به روزترین این کاربردها، کاربرد در جوشکاری طلا و نقره و جواهرات است و ما با توجه به تجربه چندین ساله در زمینه تعمیر انواع لیزرها، پیش بینی می کنیم که لیزرهای جوش جواهرات QCW به سرعت با سایر لیزرهای مورد استفاده در این حوزه جایگزین خواهند شد!

 

لیزر QCW در حالت پیوسته و پالسی

 

 

جوش بسیار دقیق با استفاده از لیزر QCW

 

ساخت باتری

با توجه به نیاز شدید به ذخیره انرژی، به نظر می رسد لیزرهای QCW نقش خود را در این زمینه نیز ایفا کنند. جوشکاری زبانه‌های باتری با سرعت بالا با استفاده از تک پالس‌های لیزر QCW اکنون به خوبی تثبیت شده است و می توانید با مقایسه جوش QCW با جوش سایر جوش ها در این مقاله، به خوبی متوجه تفاوت ظرافت این نوع از جوش شوید.

 

جوشکاری زبانه باتری ب استفاده از لیزر QCW

 

 

تکنیک های جدید اتصال لیزری

اگرچه استفاده از لیزرهای فایبر IR برای جوشکاری پلیمرها غیرمنتظره است، اما آنها کاربردهایی برای تولید ویژگی های کوچک مانند موارد مورد نیاز در دستگاه های میکروسیال پیدا کرده اند.

در چنین مواردی، قطر فیبر مورد استفاده بسیار بزرگتر از آن است که برای پردازش فلزات استفاده شود، بنابراین لیزر در این حالت دارای پروفایل Flat-top است که برای جوشکاری پلیمرها نیاز است.

 

پروفایل Flat-Top لیزر

 

اگرچه این تکنیک هنوز در مراحل اولیه خود است، ولی جالب است بدانید که پیوند پلیمرها با فلزات نیز با استفاده از لیزر QCW در حالت CW با فیبر با قطر بزرگ نیز در حال تست و انجام است.

 

خلاصه

در حالی که انواع لیزر برای جوش میکرونی وجود دارد، لیزر فایبر CW و فایبر نانوثانیه کاربردهای ویژه تری دارند.

لیزرهای فیبر CW  سرعت / نفوذ عالی و توانایی جوش دادن مواد رسانا و غیر مشابه را ارائه می دهند.

فیبر QCW قابلیت مشابه لیزر Nd:YAG را با ویژگی های اسپات سایز کوچک و نفوذ اضافی ارائه می دهد.

 

این مقاله در بخش تحقیق و پژوهش لیزرهای فایبر شرکت اپتیک پرداز گردآوری شده است و استفاده از آن با ذکر منبع بلامانع است.