1. مبدأ اللحام بالليزر: التفاعل بين المواد
تعتمد المعالجة بالليزر للمواد المعدنية بشكل أساسي على المعالجة الحرارية للتأثير الحراري الضوئي. عندما يشع الليزر سطح المادة، ستحدث تغييرات مختلفة مختلفة في مساحة سطح المادة تحت كثافات طاقة مختلفة. وتشمل هذه التغييرات زيادة درجة حرارة السطح، والذوبان، والتبخر، وتشكيل ثقب المفتاح، وتوليد البلازما المستحثة بالصور. علاوة على ذلك، فإن التغيرات في الحالة الفيزيائية لمساحة سطح المادة تؤثر بشكل كبير على امتصاص المادة لليزر. بشكل عام، كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت نسبة امتصاص المادة لليزر. مع زيادة كثافة الطاقة وزمن الفعل، ستخضع المواد المعدنية للتغيرات التالية في الحالات الفيزيائية.
جوهر اللحام بالليزر هو اثنان: نقل الحرارة والتوصيل الحراري. يرتبط نقل الحرارة بمصدر الحرارة وكثافة الطاقة وطاقة الخط. يرتبط التوصيل الحراري بشكل أساسي بتبديد الحرارة وسرعة نقل الحرارة للمادة، والتي تنتمي إلى الخصائص المتأصلة للمادة، ويمكن ضبطها بشكل عام بواسطة تركيبات تبريد المياه وتدفق الغاز الوقائي. في عملية اللحام، يتم تعديل مصدر الحرارة وكثافة الطاقة وطاقة الخط بشكل أساسي. معلمات العملية المعنية هي: قطر قلب الليزر، والطاقة، والسرعة، وإزالة التركيز البؤري، وما إلى ذلك.
هناك نوعان رئيسيان من اللحام بالليزر حسب معدل الامتصاص لعملية اللحام. أحدهما هو اللحام بالتوصيل الحراري (نسبة العمق إلى العرض < 1، معدل امتصاص الليزر للضوء الأحمر في حدود 20٪، تختلف الأطوال الموجية المختلفة). الآخر هو لحام الاختراق العميق (نسبة العمق إلى العرض> 1، معدل الامتصاص أكبر من معدل الامتصاص لحوض ذوبان المواد، أكثر من 60٪، بشكل رئيسي امتصاص انعكاس الليزر المتعدد في ثقب المفتاح).
اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر:
سيؤدي إشعاع الليزر المختلف إلى تغيرات مختلفة في حالة المادة، وهو ما ينعكس في عملية اللحام كوضعين نموذجيين للحام: اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر واللحام بالاختراق العميق بالليزر. تختلف عملية نقل الحرارة وآلية تشكيل اللحام والخصائص التكنولوجية ونطاق التطبيق بشكل كبير.
وضع اللحام بالتوصيل الحراري بالليزر:
أثناء اللحام بالتوصيل الحراري، يكون إشعاع الليزر على سطح قطعة العمل في نطاق 10E4~10E6W/cm. يتم امتصاص طاقة الليزر بواسطة الطبقة الرقيقة من الطبقة السطحية التي تتراوح من 10 إلى 100 متر، ويتم نقل طاقة الليزر للطبقة السطحية إلى داخل المادة عن طريق التوصيل الحراري، ولا يمكن لمس الليزر مباشرة. وبعد فترة معينة من تشعيع الليزر، يصل السطح إلى مرحلة الذوبان، وينتشر هذا الأيزوثيرم الذائب في عمق المادة، وتستمر درجة حرارة السطح في الارتفاع. ومع ذلك، فإن الأعلى لا يمكن أن يصل إلا إلى نقطة غليان المادة، وكلما ارتفعت درجة الحرارة، سوف تتبخر المادة لتشكل حفرة. سوف تتلف عملية اللحام بالتوصيل الحراري المستقر، وسوف يتأرجح حوض اللحام، وسيتم حرق المادة. بشكل عام، يتم استخدام اللحام بالتوصيل الحراري في الغالب في الصفائح الرقيقة، ويجب التخلص من هذا الوضع. مع الحركة النسبية لشعاع الليزر وقطعة العمل، يتم تشكيل لحام ضحل وواسع، كما هو موضح في الشكل أدناه. نسبة العمق إلى العرض للحام صغيرة، وعرض اللحام بشكل عام أكثر من ضعف عمق الاختراق. يوضح الشكل التالي ملف اللحام النموذجي للحام الموصلية الحرارية بالليزر، وشكل اللحام نصف كروي تقريبًا.
لحام الاختراق العميق بالليزر:
عندما يكون الإشعاع أكبر من 10E7W/cm، فإن سطح المادة يذوب ويتبخر تحت تأثير الليزر، ويؤثر ضغط الارتداد البخاري المتولد على البركة المنصهرة نحو الأسفل لتشكيل ثقب المفتاح. يعمل شعاع الضوء مباشرة على الجزء السفلي من ثقب المفتاح، مما يزيد من ذوبان المعدن وتبخيره. يتم توليد غاز عالي الضغط بشكل مستمر من داخل ثقب المفتاح وينفجر بشكل مستمر إلى الخارج، وبالتالي يؤدي إلى تعميق الثقب بشكل أكبر. ويتعمق الشعاع أيضًا بشكل أعمق، ويعمل مصدر حرارة الليزر أيضًا داخل المادة، حيث ينقل الحرارة من داخل ثقب المفتاح إلى المادة لتشكيل منطقة أعمق متأثرة بالحرارة. وفي الوقت نفسه، يمتلئ ثقب المفتاح بالبلازما المتأينة جزئيًا بواسطة بخار عالي الحرارة، ويتشكل نطاق معين من سحابة البلازما فوق مخرج ثقب المفتاح.
يلعب تأثير ثقب المفتاح دورًا مهمًا في امتصاص الليزر في عملية اللحام بالليزر. يتم امتصاص شعاع الليزر الذي يدخل ثقب المفتاح بالكامل تقريبًا من خلال الانعكاسات المتعددة لجدار الثقب. كما هو موضح في الشكل، إذا كان ثقب المفتاح سطحًا مخروطيًا (بزاوية ∅)، فإن شعاع الضوء الساقط على طول محور الشكل المخروطي ينعكس بشكل مستقيم عبر المخروط باتجاه أسفل ثقب المفتاح وينعكس، مما يعكس إجمالي من 180 درجة / ∅. يبلغ امتصاص الفولاذ حوالي 13٪ لكل انعكاس. عند ضبط درجة P=10، يصل إجمالي الامتصاص إلى 92% في 18 انعكاسًا، وهو ما يتحسن بشكل كبير مقارنة بالتوصيل الحراري البالغ 13%. يتم التمييز بين التوصيل الحراري والذوبان العميق عمومًا وفقًا لعمق الانصهار المعدني: عرض الانصهار أكبر من 1، وهو ما يمكن اعتباره ذوبانًا عميقًا، لأن ظهور ثقوب المفاتيح يحسن معدل الامتصاص. هذه الطريقة البسيطة مناسبة للحام بالليزر الفردي. المركب غير مناسب لهذا الحكم، وهو بشكل عام لحام اختراق عميق، والشعاع المركزي له تأثير ثقب المفتاح.
2. مقارنة ميتالوغرافية اللحام بالليزر بأقطار أساسية مختلفة
بعد فهم كثافة الطاقة الأساسية، واللحام بالتوصيل الحراري، ومفاهيم اللحام بالاختراق العميق، ثم كثافة الطاقة لأقطار أساسية مختلفة وتحليل المقارنة المعدنية. يتم إجراء تجربة اللحام هذه لقطر قلب الليزر الشائع في السوق.
من وجهة نظر كثافة الطاقة، تحت نفس القوة، كلما كان القطر الأساسي أدق، كلما زاد سطوع الليزر، وأكثر تركيزًا للطاقة. إذا تمت مقارنة الليزر بسكين حاد، فكلما كان القطر الأساسي لليزر أصغر، كلما كان أكثر وضوحًا. كثافة الطاقة للقطر الأساسي 14um هي أكثر من 50 مرة من كثافة الطاقة لليزر ذو القطر الأساسي 100um، وقدرة المعالجة أقوى. وفي الوقت نفسه، فإن كثافة الطاقة المحسوبة هنا هي ببساطة متوسط الكثافة. توزيع الطاقة الفعلي هو تقريبًا غاوسي، وستكون الطاقة المركزية أكبر بعدة مرات من متوسط كثافة الطاقة.
مقارنة ليزر ذات قطر أساسي مختلف:
(1) سرعة التجربة هي 150 مم / ثانية، موضع التركيز ملحوم، المادة من سلسلة واحدة من الألومنيوم، بسمك 2 مم.
(2) كلما زاد قطر النواة، زاد عرض الذوبان، وزادت المنطقة المتأثرة بالحرارة، وصغرت كثافة طاقة الوحدة. عندما يتجاوز القطر الأساسي 200um، ليس من السهل لعب اختراق عميق على السبائك العكسية العالية مثل الألومنيوم والنحاس، ويتطلب الأمر طاقة أعلى لتحقيق لحام اختراق عميق.
(3) يتمتع الليزر الأساسي الصغير بكثافة طاقة عالية، ويمكنه ثقب ثقوب المفاتيح بسرعة على سطح المادة بطاقة عالية، والمنطقة المتأثرة بالحرارة صغيرة، ولكن في الوقت نفسه، يكون سطح اللحام خشنًا، واحتمال حدوث ذلك يكون انهيار ثقب المفتاح مرتفعًا عند اللحام منخفض السرعة. دورة إغلاق ثقب المفتاح لدورة اللحام طويلة، وسهلة لإنتاج العيوب والمسامية والعيوب الأخرى، وهي مناسبة للتصنيع عالي السرعة أو المعالجة بمسار التأرجح.
(4) ليزر أساسي كبير بسبب البقعة الكبيرة، والطاقة أكثر تشتتًا، وهو أكثر ملاءمة لإعادة صهر سطح الليزر، والكسوة، والتليين وغيرها من العمليات.
3. تحليل التطبيق البسيط
مزايا وتطبيقات الليزر ذو النواة الصغيرة (< 100um)
(1) مواد معكوسة عالية: الألومنيوم، النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ، النيكل، الموليبدينوم، الخ.
تحتاج المواد العكسية العالية إلى اختيار ليزر ذو قطر أساسي صغير. يتم استخدام شعاع الليزر عالي الكثافة لتسخين المواد بسرعة إلى الحالة المسالة أو المتبخرة، وتحسين معدل امتصاص الليزر للمادة، وتحقيق المعالجة الفعالة والسريعة. اختر ليزرًا ذو قطر قلب كبير، والذي يمكن أن يؤدي بسهولة إلى تفاعل عالي، مما يؤدي إلى لحام افتراضي وحتى احتراق الليزر.
(2) المواد الحساسة للتشقق: النيكل، النحاس المطلي بالنيكل، الألومنيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك التيتانيوم، إلخ.
تتطلب هذه المادة عمومًا رقابة صارمة على المنطقة المتأثرة بالحرارة، والحاجة إلى حوض صغير منصهر، واختيار ليزر ذو قطر قلب صغير أكثر ملاءمة.
(3) معالجة بالليزر عالي السرعة:
يتطلب اللحام بالاختراق العميق معالجة بالليزر عالية السرعة. من الضروري اختيار ليزر ذو كثافة طاقة عالية لضمان أن طاقة الخط كافية لإذابة المواد بسرعة عالية، خاصة بالنسبة للحام التداخل واللحام الاختراق وأشعة الليزر الأساسية الصغيرة الأخرى ذات متطلبات اختراق أعلى.
Advantages and Applications of Large Core Laser (>100um)
القطر الأساسي الكبير، بقعة الضوء الكبيرة، منطقة التغطية الحرارية الكبيرة، سطح التطبيق الواسع، وفقط لتحقيق الذوبان الدقيق لسطح المادة. إنها مناسبة جدًا للتطبيق في الكسوة بالليزر، وإعادة الصهر بالليزر، والتليين بالليزر، والتصلب بالليزر وما إلى ذلك. في هذه المناطق، البقع الكبيرة تعني كفاءة إنتاج أعلى وعيوب أقل (اللحام بالتوصيل الحراري ليس له أي عيوب تقريبًا).
في اللحام، يتم استخدام البقعة الكبيرة بشكل أساسي في اللحام المركب، والذي يستخدم لليزر المركب بأقطار أساسية صغيرة. البقع الضوئية الكبيرة تجعل سطح المادة يذوب قليلاً، من الصلب إلى السائل، وبالتالي يتحسن معدل امتصاص المادة لليزر بشكل كبير. ثم استخدم قطرًا أساسيًا صغيرًا لكمة ثقب المفتاح ولكمة عمق الاختراق. في هذه العملية، نظرًا للتسخين المسبق والمعالجة اللاحقة للبقع الضوئية الكبيرة والتدرج الكبير في درجة الحرارة للمسبح المنصهر، ليس من السهل أن تظهر المادة تشققات ناجمة عن التسخين السريع والتبريد السريع، ويكون مظهر اللحام أكثر سلاسة . يكون دفقة الماء أقل من محلول الليزر الفردي.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. هي مؤسسة ذات تقنية عالية متخصصة في البحث والتطوير وتصنيع وبيع آلة الكسوة بالليزر الأوتوماتيكية وآلة الكسوة بالليزر عالية السرعة وآلة التبريد بالليزر وآلة اللحام بالليزر ومعدات الطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد. منتجاتنا فعالة من حيث التكلفة وتباع محليًا وخارجيًا. إذا كنت مهتمًا بمنتجاتنا، فيرجى الاتصال بنا على bob@gshenglaser.com.