لیزر کامپوزیت قرمز-آبی در جوشکاری

در ساخت باتری های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی، مواد مسی باید با سرعت بالا و بدون پاشش جوش داده شوند. معمولاً از لیزرهای مادون قرمز با طول موج نزدیک به 1000 نانومتر استفاده می‌شود، با این حال، این دو چالش اصلی برای جوشکاری مواد مسی ایجاد می‌کند: جذب انرژی کم و ناپایداری فرآیند. جذب نور لیزر مادون قرمز توسط مواد مس با افزایش دما افزایش می یابد. هنگامی که یک لیزر IR پرقدرت به سطح مسی تابش می کند، سرعت جذب انرژی سطح مس پس از تشکیل سوراخ های کوچک به طور ناگهانی افزایش می یابد. سوراخ ها ناپایدار هستند و پاشش به راحتی تشکیل می شود. در عین حال، چون قدرت لیزر مادون قرمز زیاد خواهد بود، باعث آسیب لیزر می شود. جذب لیزر آبی توسط مواد مسی حدود 60 درصد است که بسیار کارآمدتر از لیزر IR است. امکان سنجی لیزرهای دیود آبی برای پردازش مس در برخی متون گزارش شده است. لیزرهای آبی می توانند فویل ها یا ورق های مسی را با کارایی و کیفیت بالا جوش دهند. با این حال، هزینه لیزرهای آبی بسیار بالاتر از لیزرهای NIR است و حداکثر توان خروجی به 2000 وات محدود شده است. با ترکیب معایب جذب انرژی لیزر مادون قرمز کم، فرآیند ناپایدار و توان خروجی کم لیزر آبی، می‌توانیم پیشنهاد کنیم. فرآیند جوشکاری لیزر کامپوزیت آبی-IR در این فرآیند جوشکاری می توان ابتدا سطح مواد پایه را با لیزر آبی با جذب بالا ذوب کرد و سپس با لیزر مادون قرمز عمق حوضچه مذاب را افزایش داد. یانگ و همکاران جوشکاری لیزری کامپوزیت مادون قرمز نزدیک به آبی مادون قرمز یک صفحه مسی به ضخامت 3 میلی متر را بر اساس آزمایش ها و شبیه سازی های عددی بررسی کرد. ابتدا صفحه مسی با یک لیزر آبی کم مصرف گرم شد و سپس یک لیزر پرقدرت مادون قرمز به سطح دمای بالا صفحه تابش کرد تا یک سوراخ کوچک عمیق تشکیل دهد. فوجیو و همکاران یک سیستم جوشکاری کامپوزیت لیزر مادون قرمز آبی-مادون قرمز را توسعه داد و دریافت که راندمان جوش لیزر هیبریدی 1.45 برابر بیشتر از لیزر مادون قرمز است. کانکو و همکاران برای بزرگ کردن حوضچه مذاب و سوراخ‌های کوچک و تثبیت همرفت حرارتی داخلی از یک لیزر کامپوزیت آبی مادون قرمز کواکسیال استفاده کرد. در جوشکاری لیزر کامپوزیت آبی مادون قرمز، جذب انرژی لیزر نه تنها بر پایداری فرآیند جوشکاری بلکه بر عمر مفید تجهیزات نیز تأثیر می گذارد. اگر دمای سطح مس پس از قرار گرفتن در معرض لیزر آبی کم باشد، انرژی لیزر IR منعکس شده از سطح مسی بالا است که می تواند به هد لیزر آسیب برساند.

فوجیو، اس و همکاران. یک سیستم لیزر کامپوزیت را با استفاده از لیزر نیمه هادی نور آبی به عنوان منبع نور پیش گرم کننده و یک لیزر فیبر تک حالته به عنوان منبع نور جوشکاری بررسی و توسعه داد. با استفاده از این سیستم لیزری کامپوزیت، آزمایش‌های جوش روی سیم‌های مسی 2.5 × 3.{4}} × 50 میلی‌متر انجام شد. شکل 1 سینتیک ذوب و انجماد مس خالص را نشان می دهد که با دوربینی با سرعت بالا در {{1{12}}}}.1، 0.2 و 0.3 ثانیه گرفته شده است. تحت (الف) لیزر کامپوزیت و (ب) لیزر فیبر تک حالته. برای لیزر فیبر تک حالته با توان خروجی 1 کیلو وات، ذوب مس از حدود 0.3 ثانیه شروع می شود. سینتیک ذوب لیزر فیبر تک حالته در شکل 2.1.2 نشان داده شده است. از سوی دیگر برای لیزر هیبریدی با لیزر فیبر تک حالته با توان خروجی 1 کیلو وات و لیزر دیود آبی با توان خروجی 200 وات، ذوب مس از 0.2 ثانیه شروع می شود. بنابراین، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، حجم ذوب مس در لیزر هیبریدی بزرگتر از لیزر فیبر تک حالته می شود.

به دلیل پیش گرم شدن با لیزر دیود آبی، دمای مس تا حدود 8{3}}0 درجه افزایش می یابد. دمای مس تا حدود 1.5 درجه فارنهایت (0.5 درجه فارنهایت) افزایش می یابد. افزایش دما منجر به افزایش موضعی در جذب نوری مس در لیزر فیبر می شود. در عین حال، لیزر کامپوزیت حجم ذوب مس بیشتری نسبت به لیزر فیبر تک حالته به دست می آورد. بنابراین نتیجه گیری می شود که با پیش گرم کردن لیزر دیود آبی، جذب نور مس به لیزر فیبر تک حالته افزایش می یابد و راندمان جوش افزایش می یابد.

وو و همکاران از فرآیند جوشکاری لیزری کامپوزیت هم‌محور آبی با نور مادون قرمز برای مواد مسی با ضخامت 0.5 میلی‌متر استفاده کرد، یک مدل جدید منبع حرارت لیزر نور آبی مادون قرمز ایجاد کرد و رفتار دینامیکی حوضچه مذاب را شبیه‌سازی عددی کرد. جذب انرژی لیزر با ترکیب با روش پالایش مش مجازی. در مقایسه با جوشکاری لیزر آبی، حداکثر دمای ذوب و سرعت جوشکاری لیزر آبی-IR کامپوزیت کواکسیال بیشتر نوسان می‌کند و بازده انرژی کل لیزر کمتر است، اما هنوز هم می‌توان جوش‌های خوبی به دست آورد. در مقایسه با جوشکاری لیزر مادون قرمز، در جوشکاری لیزری کامپوزیتی کواکسیال آبی-IR، لیزر آبی بازده انرژی لیزر مادون قرمز را بهبود و تثبیت کرد.

یک شبیه‌سازی جدید با {{{{10}}}} وات توان لیزر آبی، ۱۴00 وات توان لیزر مادون قرمز، و سرعت جوشکاری 1.2 متر در دقیقه از کامپوزیت کواکسیال مجدداً راه‌اندازی شد. کیس جوش لیزر آبی-IR در t=0.1 ثانیه. شبیه سازی جدید در شکل 3(a) نشان داده شده است. همانطور که در شکل 3 (a) نشان داده شده است، تنها یک حوضچه مذاب کوچک تشکیل شده است. حداکثر دمای ذوب 1798 کلوین و حداکثر سرعت ذوب 0.11 متر بر ثانیه است. همانطور که در شکل 3(b) نشان داده شده است، توان جذبی لیزر IR و راندمان به ترتیب 190.4 وات و 13.60٪ بعد از t=0.232 ثانیه است. قدرت لیزر مادون قرمز و کارایی مواد جوش داده شده نیز در شکل 3 (c) نشان داده شده است. در مقایسه با جوشکاری لیزر IR، راندمان انرژی لیزر مادون قرمز جوش لیزری کامپوزیت کواکسیال آبی-IR تا 16.99٪ افزایش یافته است و بازده انرژی کل لیزر 165.22٪ افزایش یافته است. همانطور که در شکل 3 (c) نشان داده شده است، انحراف استاندارد بازده لیزر IR در جوشکاری لیزری کامپوزیت آبی کامپوزیت کواکسیال و لیزر IR به ترتیب 0.014% و 0.215% بود. می توان نتیجه گرفت که لیزر آبی بازده انرژی لیزر مادون قرمز را در جوشکاری لیزر کامپوزیت آبی-IR بهبود و تثبیت می کند.

با توجه به هزینه نور آبی و همچنین محدودیت حداکثر توان و کاستی‌های سرعت جذب انرژی لیزر مادون قرمز کم و فرآیند ناپایدار است، فرآیند جوشکاری لیزر مرکب نور آبی-قرمز پیشنهاد شده است. میزان جذب بالای نور آبی برای پیش گرم کردن مواد، برای دستیابی به افزایش نرخ جذب نور قرمز، و در عین حال، با توجه به اینکه چگالی توان نور آبی در مقایسه با لیزر فیبر کم است، می توان به آن پی برد. برای ترکیب جوشکاری رسانش حرارتی پایدار و جوشکاری ذوب عمیق، برای دستیابی به جوشکاری با راندمان بالا ضد آلیاژهای بالا (آلومینیوم، مس).