رفتار فلزات نرم مثل آلومینیوم در جوش لیزر

رفتار فلزات نرم مثل آلومینیوم در جوش لیزر (راهنمای تخصصی و کاربردی)
مقدمه
فلزات نرم مانند آلومینیوم همیشه در صنایع مختلف—from قطعات خودرویی تا تجهیزات الکترونیکی—به دلیل وزن کم، انتقال حرارتی بالا و مقاومت مناسب، مورد توجه بوده‌اند. اما وقتی نوبت به جوش لیزر می‌رسد، رفتار این فلزات همواره چالش‌برانگیز است.
آلومینیوم با اینکه یکی از پرمصرف‌ترین فلزات دنیاست، اما در فرآیند لیزر به دلیل بازتاب بالا، هدایت حرارتی شدید و ایجاد حفره (Porosity) نیازمند تنظیمات دقیق و مهارت اپراتور است.

1. چرا فلزات نرم در جوش لیزر رفتار متفاوتی دارند؟
فلزات نرم مانند آلومینیوم، مس و منیزیم نسبت به فلزات سخت‌تر رفتار پیچیده‌تری در برابر تابش لیزر نشان می‌دهند. مهم‌ترین دلایل:
ویژگی‌های خاص آلومینیوم در جوش لیزر
بازتاب شدید نور لیزر → جذب پایین انرژی
هدایت حرارتی بالا → اتلاف سریع حرارت
دمای ذوب پایین‌تر نسبت به فولاد → احتمال سوختگی
تشکیل لایه اکسیدی سخت (Al₂O₃) → مانع نفوذ لیزر
انبساط زیاد → احتمال اعوجاج و ترک
این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که کوچک‌ترین تغییر در پارامترها، تفاوت بزرگی در کیفیت جوش ایجاد کند.
2. چالش‌های اصلی جوش لیزری آلومینیوم
2.1 بازتاب شدید (High Reflectivity)
آلومینیوم بیش از ۹۰٪ پرتو لیزر فیبر را در لحظه اول بازتاب می‌دهد.
نتیجه:
نیاز به توان بالاتر
نیاز به تنظیم دقیق فوکوس
احتمال آسیب به هد در صورت بازتاب برگشتی
راهکار:
استفاده از توان اولیه بالاتر (Peak Power) و تمرکز لیزر روی یک نقطه با Spot کوچک‌تر.
2.2 هدایت حرارتی بالا
حرارت ایجادشده به‌سرعت در سطح پخش می‌شود و مانع ایجاد حوضچه ذوب پایدار می‌گردد.
نتیجه:
عمق نفوذ کم
ناپایداری جوش
نیاز به توان‌ بیشتر
2.3 تشکیل حفره (Porosity)
یکی از مهم‌ترین مشکلات جوش لیزر آلومینیوم.
دلایل ایجاد Porosity:
تبخیر ناگهانی فلز
فرار گازها از حوضچه
نفوذ نادرست لیزر
آلودگی سطح
راهکار:
کاهش سرعت
تنظیم فوکوس
استفاده از نوسان (Wobble)
2.4 تغییر شکل و اعوجاج
به دلیل ضریب انبساط بالا، آلومینیوم نسبت به تغییرات حرارتی بسیار حساس است.
برای کنترل این مشکل:
توزیع حرارت یکنواخت
توان کنترل‌شده
استفاده از تکنیک Multi-pass
2.5 اکسید سطح
لایه اکسیدی آلومینیوم سخت‌تر از خود آلومینیوم است و انرژی بیشتری برای ذوب شدن نیاز دارد.
اقدامات مهم:
تمیزکاری دقیق قبل از جوش
استفاده از برس استیل
حذف گریس و آلودگی
3. عوامل مؤثر بر کیفیت جوش لیزری آلومینیوم
3.1 توان لیزر
توان بالا مهم است اما باید کنترل‌شده باشد.
برای آلومینیوم:
شروع با توان زیاد (Peak)
ادامه با توان کمتر (Base Power)
اگر توان بیش از حد باشد → حفره + اعوجاج
اگر توان کم باشد → نفوذ ناقص
3.2 سرعت حرکت
سرعت بالا مانع تشکیل حوضچه پایدار می‌شود.
قانون کلی:
هرچه سرعت کمتر → حوضچه پایدارتر → نفوذ بیشتر
3.3 فوکوس و Spot Size
فوکوس منفی (زیر سطح) معمولاً نتیجه بهتری می‌دهد.
فوکوس منفی: عمق بیشتر
فوکوس مثبت: عرض بیشتر اما عمق کمتر
3.4 پیش‌گرمایش
پیش‌گرمایش بین 80 تا 120 درجه سانتی‌گراد به شدت کیفیت جوش آلومینیوم را بهبود می‌دهد.
مزایا:
کاهش Porosity

کاهش اعوجاج
پایداری بیشتر حوضچه
3.5 نوع گاز محافظ
گاز مناسب: آرگون یا هلیوم
آرگون → کنترل بهتر
هلیوم → عمق بیشتر + پایداری بیشتر
نکته طلایی:
ترکیب ۵۰/۵۰ آرگون و هلیوم نتایج بسیار عالی می‌دهد.
4. روش‌ها و تکنیک‌های بهبود جوش لیزری آلومینیوم
4.1 تنظیم دقیق توان
توان را در دو مرحله تنظیم کنید:
توان اولیه بالا (Peak Power)
توان پایدار کمتر (Continuous Power)
این تکنیک باعث می‌شود:
سریعاً سطح باز شود
سپس حوضچه پایدار تشکیل گردد
4.2 کنترل سرعت
سرعت‌های پایین‌تر برای آلومینیوم مناسب‌ترند.
برای ضخامت ۱ میلی‌متر:
بهترین سرعت: 40 تا 90 میلی‌متر بر ثانیه
4.3 استفاده از Waveform
Waveform به شکل‌دهی انرژی کمک می‌کند.
مزایا:
کاهش حفره
کنترل بهتر حوضچه
کاهش پاشش
4.4 تنظیم فوکوس
پیشنهاد عمومی:
فوکوس بین -1 تا -2 میلی‌متر
فوکوس اشتباه بیشترین تأثیر را بر Porosity دارد.
4.5 تکنیک Multi-Pass Welding
برای ضخامت‌های بالاتر از ۲ میلی‌متر ضروری است.
پاس اول سطح را باز می‌کند، پاس دوم عمق را کامل می‌کند.
5. جدول تنظیمات پیشنهادی برای جوش لیزری آلومینیوم
ضخامتتوان پیشنهادیفوکوسسرعتگاز محافظنتیجه مورد انتظار0.5 mm600–800 W-1 mm80–120 mm/sآرگونجوش سطحی با کیفیت1 mm1000–1500 W-1.5 mm60–100 mm/sآرگون + هلیومعمق یکنواخت، Porosity کم2 mm1500–2500 W-2 mm40–70 mm/sهلیومجوش عمیق و پایدار3 mm2000–3000 W-2 mm30–50 mm/sهلیوممناسب کاربردهای صنعتی 
6. چک‌لیست نهایی کنترل کیفیت جوش آلومینیوم
[ ] سطح قطعه قبل از جوش کاملاً تمیز باشد
[ ] فوکوس بین -1 تا -2 تنظیم شود
[ ] سرعت بیش از حد بالا نباشد
[ ] گاز محافظ یکنواخت و کافی باشد
[ ] Porosity کمتر از ۵٪ مشاهده شود
[ ] عرض و عمق جوش یکنواخت باشد
[ ] تغییر رنگ غیرطبیعی (Overheat) وجود نداشته باشد
7. اشتباهات رایج در جوش آلومینیوم
استفاده از توان بسیار زیاد
سرعت بیش از حد
فوکوس مثبت در فلزات نرم
عدم استفاده از گاز مناسب
تمیز نکردن سطح
کالیبره نبودن هد لیزر
8. پرسش‌های متداول (FAQ)
1. چرا آلومینیوم در جوش لیزر حفره می‌زند؟
به دلیل فرار گازها از حوضچه، هدایت حرارتی بالا و تنظیم نادرست فوکوس.
2. بهترین گاز برای جوش لیزری آلومینیوم چیست؟
هلیوم یا ترکیب ۵۰٪ هلیوم و ۵۰٪ آرگون.
3. چرا عمق جوشم کم است؟
احتمالاً سرعت زیاد، توان کم یا فوکوس غلط دارید.
4. آیا پیش‌گرمایش ضروری است؟
برای جلوگیری از Porosity، به‌شدت توصیه می‌شود.
5. آیا می‌توان آلومینیوم‌های سری ۶۰۰۰ را راحت جوش داد؟
بله، اما این سری حساس‌تر است و نیاز به تنظیمات دقیق‌تری دارد.
9. جمع‌بندی
آلومینیوم و فلزات نرم در جوش لیزری رفتاری متفاوت و چالش‌برانگیز دارند، اما با شناخت ویژگی‌های متالورژیکی و کنترل دقیق پارامترهای لیزر می‌توان جوشی پایدار، عمیق و با حداقل Porosity به دست آورد. قدرت این فلزات در صنایع بسیار زیاد است و با تنظیمات صحیح می‌توان از ظرفیت واقعی آن‌ها بهره برد.
تنظیم درست توان، فوکوس، سرعت، گاز محافظ و پیش‌گرمایش کلید اصلی دستیابی به یک جوش صنعتی و قابل‌اعتماد است.