علل و روش‌های کنترل تخلخل‌های گازی در درزهای جوش لیزری

I. مقدمه

جوشکاری لیزری مزایایی مانند چگالی انرژی بالا، منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک، شکل‌دهی خوب به جوش و تغییرشکل کم ارائه می‌دهد. این روش به‌طور گسترده در ساخت ورق‌های فلزی، الکترونیک مصرفی، تولید باتری، دستگاه‌های پزشکی و صنعت خودرو استفاده می‌شود. با این حال، در کاربردهای عملی جوشکاری، ناخالصی‌های حفره‌ای به دلیل اثر ترکیبی عوامل مواد، تجهیزات و فرآیند به‌طور مکرر در داخل یا روی سطح جوش ایجاد می‌شوند. این نقص‌ها به طور منفی بر مقاومت، چگالی و کیفیت ظاهری جوش تأثیر می‌گذارند. بنابراین، لازم است مکانیسم‌های تشکیل حفره‌ها تحلیل شده و راهکارهای کنترلی مؤثری جهت بهبود پایداری جوشکاری و کیفیت محصول ارائه گردند.

II. علل اصلی حفره‌دار شدن جوش

حفره‌دار شدن در جوشکاری معمولاً ناشی از گیرافتادگی گاز، رسوب گاز محلول یا تبخیر مواد است. علل اصلی شامل:

1. آلودگی سطحی مواد

هنگامی که سطوح جوش شامل روغن، رطوبت، زنگ یا پوشش‌ها باشند، تحت دمای بالا تجزیه شده و گازهایی تولید می‌کنند که وارد حوضچه مذاب می‌شوند. به عنوان مثال:

آلودگی ناشی از روغن → تولید گازهای هیدروکربنی

رطوبت → تولید H₂ و O₂

پوشش‌ها → تجزیه به گازهای آلی یا معدنی

اگر حوضچه مذاب به سرعت انجماد یابد، این گازها نمی‌توانند به موقع خارج شوند و منافذی ایجاد می‌کنند.

2. محتوای بالای گاز در مواد

برخی مواد حاوی سطوح بالاتری از هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن یا ناخالصی‌ها هستند که ممکن است هنگام ذوب شدن رسوب کرده و حباب ایجاد کنند. به عنوان مثال:

آلیاژهای آلومینیوم به هیدروژن حساس هستند

فولادها به اکسیژن حساس هستند

آلیاژهای مس به نیتروژن حساس هستند

اگر زمان حوضچه مذاب ناکافی باشد یا سرد شدن بسیار سریع انجام شود، گازها درون آن به دام افتاده و منافذ ایجاد می‌کنند.

3. ورودی انرژی لیزر ناکافی یا ناپایدار

اگر چگالی انرژی ناکافی باشد، حوضچه مذاب کم‌عمق و با سیالیت ضعیف تشکیل می‌شود که خروج گازها را دشوار می‌سازد. نوسانات انرژی نیز می‌توانند باعث دربسته شدن نامنظم حوضچه مذاب و به دام افتادن حباب‌ها شوند.

علائم رایج شامل:

نوسان توان لیزر

انحراف فوکوس که منجر به کاهش چگالی توان می‌شود

سرعت جوشکاری بیش از حد بالا که باعث نفوذ ناقص می‌شود

4. پوشش نادرست گاز محافظ

محافظت ناکافی یا جهت‌دهی نادرست گاز محافظ، باعث ورود هوا به حوضچه مذاب و ایجاد واکنش‌های گازی می‌شود. دبی گاز بیش از حد نیز ممکن است باعث ایجاد آشفتگی یا همراه شدن هوا شود.

مشکلات متداول شامل:

دبی بیش از حد آرگون که منجر به تشکیل گرداب می‌شود

عدم ترازی گاز که منجر به محافظت ناقص می‌شود

آلودگی نازل که باعث ایجاد اختلال در میدان‌های جریان می‌شود

5. عدم تطابق بین ماده پرکن و فلز پایه

در جوشکاری با سیم پرک، اگر ترکیب سیم پرک، محتوای گاز یا تمیزی آن ضعیف باشد، ممکن است گاز یا ناخالصی‌های اضافی وارد شوند.

از جمله موارد زیر می‌توان نام برد:

سیم جوش خیس یا جاذب رطوبت

شرایط نگهداری نامناسب

تمیز کردن ناکافی سیم

III. خطرات اصلی تخلخل در جوش

نقایص تخلخل در جوش عمدتاً از طریق موارد زیر بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارند:

کاهش استحکام جوش و عمر خستگی

عملکرد ضعیف در ایجاد آب‌بندی و حفاظت

کاهش کیفیت ظاهری

قابلیت اطمینان کمتر در کاربردهای حیاتی

صنایعی مانند پوسته‌های باتری، دستگاه‌های پزشکی و سازه‌های ضد نشت گاز ممکن است به دلیل عیوب تخلخل، محصولات را به طور کامل رد کنند.

IV. روش‌های کنترل عیوب تخلخل در جوشکاری

برای بهبود کیفیت جوشکاری لیزری، باید بهینه‌سازی در زمینه مواد، تجهیزات، فرآیندها و محیط‌ها انجام شود.

1. اجرای پیش‌تیمار مناسب سطح

پاک‌سازی سطح جوش به طور قابل توجهی خطرات تخلخل را کاهش می‌دهد. روش‌های متداول شامل:

پاک‌سازی مکانیکی (سنگ‌زنی، مالش با سوهان)

پاک‌سازی حلالی (الکل، استون)

تمیزکاری لیزری (مناسب برای تولید انبوه)

خشک‌کردن و کاهش رطوبت (به‌ویژه برای آلیاژهای آلومینیوم)

مناطق کلیدی شامل ناحیه جوش و سطوح تماس داخلی اتصالات همپوشان است.

2. کنترل کیفیت ماده و شرایط نگهداری

بر اساس ویژگی‌های جذب گاز مواد:

آلیاژهای آلومینیوم باید در محیطی خشک نگه داشته شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود

قطعات مسی باید با گاز یا پوشش از اکسیداسیون محافظت شوند

فولاد باید از زنگ‌زدگی شدید و آلاینده‌ها دور نگه داشته شود

در جوشکاری با سیم فیلر، سیم باید خشک و تمیز باقی بماند.

3. بهینه‌سازی پارامترهای انرژی لیزر

تطابق صحیح فرآیند برای خروج گاز حیاتی است. جهت‌های بهینه‌سازی شامل موارد زیر می‌شود:

افزایش چگالی توان → نفوذ و سیالیت را بهبود می‌بخشد

کاهش سرعت جوشکاری → زمان باز بودن حوضچه مذاب را افزایش می‌دهد

تنظیم موقعیت فوکوس → پایداری حوضچه مذاب را افزایش می‌دهد

ثابت‌سازی خروجی لیزر → از نوسانات انرژی جلوگیری می‌کند

در جوشکاری نفوذ عمیق، دیفوس منفی ممکن است نفوذ و رفتار جریان را بهبود بخشد.

4. بهبود سیستم‌های گاز محافظ

بهینه‌سازی گاز محافظ شامل موارد زیر است:

انتخاب گازهای مناسب (مثلاً آرگون برای جوشکاری آلومینیوم)

کنترل دبی جریان مناسب (از ایجاد آشفتگی جلوگیری شود)

بهینه‌سازی زاویه نازل و فاصله از هدف

افزایش پوشش حفاظتی برای جلوگیری از ورود هوا

در جوشکاری آلومینیوم، معمولاً از محافظت دوگانه گازی یا محافظت در محفظه استفاده می‌شود تا تخلخل کاهش یابد.

5. بهینه‌سازی طراحی اتصال و پیکربندی جوشکاری

طراحی اتصال بر رفتار خروج گاز تأثیر می‌گذارد:

در صورت امکان، اتصالات لب به لب را نسبت به اتصالات همپوشان ترجیح دهید

در صورت عدم امکان اجتناب از اتصالات همپوشان، مسیرهای تهویه فراهم کنید

از ساختارهای بسته که در سرمایش سریع گاز را به دام می‌اندازند، اجتناب کنید

طراحی مناسب ساختاری باعث کاهش تنش و بهبود کارایی خروج گاز می‌شود.

پ. نتیجه‌گیری

تخلخل در جوشکاری لیزری یک عیب متداول است که از اثر ترکیبی مواد، فرآیندها و شرایط محیطی ناشی می‌شود. مکانیسم تشکیل آن به شدت با عوامل متعددی همراه است. با بهبود تمیزی مواد، بهینه‌سازی پارامترهای لیزر و گاز محافظ و به‌کارگیری طراحی‌های مناسب اتصالات، می‌توان کیفیت و عملکرد تشکیل جوش را به‌طور قابل توجهی افزایش داد. در محیط‌های تولیدی، یکپارچه‌سازی سیستم‌های نظارت آنلاین و کنترل کیفیت حلقه‌بسته می‌تواند علاوه بر تثبیت بیشتر کیفیت جوشکاری، به کاربرد گسترده‌تر فناوری جوشکاری لیزری در صنعت را نیز تسهیل کند.