ما هو اللحام بالليزر؟

يعد اللحام بالليزر جانبًا مهمًا من جوانب تكنولوجيا معالجة المواد بالليزر وغالبًا ما يشار إليه باسم آلة اللحام بالليزر. يتم تصنيفه عادةً بناءً على طريقة عمله إلى آلات لحام قوالب الليزر (آلات اللحام اليدوية)، وآلات اللحام بالليزر الأوتوماتيكية، وآلات اللحام بالليزر النقطي، وآلات اللحام بالليزر الليفي. يستخدم اللحام بالليزر نبضات الليزر عالية الطاقة لتسخين مناطق صغيرة من المادة محليًا. تنتشر طاقة إشعاع الليزر في المادة من خلال التوصيل الحراري، مما يؤدي إلى إذابة المادة وتشكيل بركة منصهرة محددة لتحقيق غرض اللحام.

في سبعينيات القرن العشرين، استُخدم اللحام بالليزر في المقام الأول في لحام المواد ذات الجدران الرقيقة واللحام منخفض السرعة. العملية هي نوع من التوصيل الحراري، مما يعني أن إشعاع الليزر يسخن سطح قطعة العمل، ثم تنتشر الحرارة إلى الداخل من خلال التوصيل. من خلال التحكم في معلمات مثل عرض نبضة الليزر والطاقة وقوة الذروة وتردد التكرار، يتم صهر قطعة العمل لتشكيل بركة منصهرة محددة. نظرًا لمزاياها الفريدة، تم تطبيق اللحام بالليزر بنجاح على اللحام الدقيق للأجزاء الدقيقة والصغيرة.

لقد فتح ظهور ليزر ثاني أكسيد الكربون والليزر YAG عالي الطاقة مجالات جديدة للحام بالليزر، مما أدى إلى اللحام العميق القائم على نظرية تأثير الثقب الصغير. وقد أدى هذا إلى انتشار التطبيقات على نطاق واسع في الصناعات مثل الآلات والسيارات والصلب.

بالمقارنة مع تقنيات اللحام الأخرى، فإن المزايا الرئيسية للتلحيم بالليزر هي:

1. سرعة عالية وعمق كبير وتشوه ضئيل:العملية سريعة، وتحقق اللحامات العميقة مع الحد الأدنى من التشوه.

2. التنوع في ظروف اللحام:يمكن إجراء اللحام في درجة حرارة الغرفة أو في ظل ظروف خاصة، باستخدام معدات بسيطة. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل أشعة الليزر من خلال المجالات الكهرومغناطيسية دون انحراف الشعاع؛ ويمكن إجراء اللحام في الفراغ أو الهواء أو بيئات غازية معينة، ومن خلال مواد شفافة مثل الزجاج.

3. القدرة على لحام المواد التي يصعب إذابتها:يمكن لعملية اللحام بالليزر التعامل مع مواد مثل التيتانيوم والكوارتز، وتحقيق نتائج جيدة مع مواد مختلفة.

4. كثافة الطاقة العالية:بعد التركيز، يتمتع الليزر بكثافة طاقة عالية. في تطبيقات اللحام عالية الطاقة، يمكن أن تصل نسبة العمق إلى العرض إلى 5:1، وفي بعض الحالات، تصل إلى 10:1.

5. القدرة على اللحام الدقيق:يمكن تركيز شعاع الليزر لتحقيق بقع صغيرة جدًا وتحديد المواقع بدقة، مما يجعله مناسبًا للأجزاء الدقيقة والصغيرة في الإنتاج الآلي عالي الحجم.

6.الوصول إلى المناطق التي يصعب الوصول إليها:يمكن أن يؤدي اللحام بالليزر عملية اللحام عن بعد دون تلامس بمرونة عالية. وقد أدت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الليزر YAG، مثل تكنولوجيا نقل الألياف، إلى توسيع نطاق تطبيق اللحام بالليزر.

7. معالجة الحزم المتعددة:يمكن تقسيم أشعة الليزر مكانيًا وزمانيًا، مما يتيح المعالجة المتزامنة باستخدام أشعة متعددة ومحطات عمل متعددة، مما يوفر الظروف لإجراء لحام أكثر دقة.

ومع ذلك، فإن اللحام بالليزر له أيضًا بعض القيود:

1. متطلبات الدقة العالية:يجب تجميع قطعة العمل بدقة عالية، ويجب وضع شعاع الليزر بدقة على قطعة العمل. نظرًا لأن بقعة الليزر صغيرة جدًا بعد التركيز ودرزة اللحام ضيقة، فمن الأهمية بمكان التأكد من أن تجميع قطعة العمل ووضع الشعاع دقيقان لتجنب عيوب اللحام.

2. التكلفة العالية:إن تكلفة الليزر والأنظمة ذات الصلة مرتفعة نسبيًا، مما يمثل استثمارًا أوليًا كبيرًا.

1. كثافة الطاقة

كثافة الطاقة هي واحدة من أهم المعايير في معالجة الليزر. يمكن لكثافة الطاقة العالية تسخين السطح إلى نقطة الغليان في غضون ميكروثانية، مما يتسبب في تبخر كبير. لذلك، فإن كثافة الطاقة العالية مفيدة لعمليات إزالة المواد مثل الحفر والقطع والنقش. بالنسبة لكثافات الطاقة المنخفضة، يستغرق الأمر عدة مللي ثانية حتى تصل درجة حرارة السطح إلى نقطة الغليان. قبل أن يتبخر السطح، تصل الطبقات الأساسية إلى نقطة الانصهار، مما يسهل اللحام بالاندماج الجيد. في اللحام بالليزر من النوع التوصيلي، تتراوح كثافة الطاقة عادةً من 10410^4104 إلى 10610^6106 واط/سم².

2. شكل موجة نبضة الليزر

إن شكل موجة نبضة الليزر يمثل قضية مهمة في اللحام بالليزر، وخاصة لحام الصفائح الرقيقة. فعندما يضرب شعاع الليزر عالي الكثافة سطح المادة، ينعكس ما بين 60% إلى 98% من طاقة الليزر، وتتغير الانعكاسية مع درجة حرارة السطح. وخلال نبضة ليزر واحدة، تتغير انعكاسية المعدن بشكل كبير.

3. مدة نبضة الليزر

تُعد مدة النبضة أحد المعايير المهمة في اللحام بالليزر النبضي. فهي تميز بين إزالة المواد وإذابة المواد، كما أنها عامل رئيسي في تحديد تكلفة وحجم معدات المعالجة.

4. تأثير مسافة التركيز على جودة اللحام

غالبًا ما يتطلب اللحام بالليزر درجة معينة من عدم التركيز لأن كثافة الطاقة عند نقطة التركيز بالليزر عالية جدًا، مما قد يؤدي إلى تكوين ثقوب بسبب التبخر. على المستويات البعيدة عن نقطة التركيز بالليزر، يكون توزيع كثافة الطاقة موحدًا نسبيًا.

هناك نوعان من عدم التركيز: عدم التركيز الإيجابي وعدم التركيز السلبي. يحدث عدم التركيز الإيجابي عندما تكون المستوى البؤري أعلى من قطعة العمل، بينما يحدث عدم التركيز السلبي عندما يكون المستوى البؤري أسفل قطعة العمل. وفقًا لنظرية البصريات الهندسية، عندما يكون عدم التركيز الإيجابي والسلبي متساويين، تكون كثافة الطاقة على المستويات المقابلة متماثلة تقريبًا. ومع ذلك، فإن أشكال البرك المنصهرة الناتجة مختلفة.

يمكن أن يؤدي عدم التركيز السلبي إلى زيادة عمق الذوبان، وهو ما يرتبط بعملية تكوين البركة المنصهرة. وقد أظهرت التجارب أنه عندما يسخن الليزر المادة لمدة تتراوح من 50 إلى 200 ميكروثانية، تبدأ المادة في الذوبان، وتكوين معدن سائل والتبخر، مما يخلق بخارًا عالي الضغط يتم إخراجه بسرعات عالية جدًا، مما ينتج ضوءًا أبيض ساطعًا. في الوقت نفسه، يتسبب التركيز العالي للغاز في تحرك المعدن السائل إلى حافة البركة المنصهرة، مما يشكل انخفاضًا في وسط البركة. أثناء عدم التركيز السلبي، تكون كثافة الطاقة داخل المادة أعلى من تلك الموجودة على السطح، مما يؤدي إلى ذوبان وتبخر أقوى، مما يسمح لطاقة الضوء بالتغلغل بشكل أعمق في المادة. لذلك، في التطبيقات العملية، يتم استخدام عدم التركيز السلبي عندما تكون هناك حاجة إلى عمق ذوبان أكبر، بينما يفضل عدم التركيز الإيجابي في لحام المواد الرقيقة.

1. اللحام بين الصفائح

يتضمن ذلك أربع طرق للمعالجة: اللحام الطرفي، واللحام الحافة، ولحام الذوبان بالاختراق المركزي، ولحام الذوبان بالثقب المركزي.

2. اللحام بين الأسلاك

يتضمن ذلك أربع طرق للمعالجة: اللحام الطرفي من سلك إلى سلك، واللحام المتقاطع، واللحام المتداخل المتوازي، ولحام المفصل T.

3. لحام الأسلاك المعدنية لمكونات الكتلة

يمكن أن ينجح اللحام بالليزر في توصيل الأسلاك المعدنية بمكونات الكتلة، مع مرونة حجم مكونات الكتلة. أثناء اللحام، يجب الانتباه إلى الأبعاد الهندسية لمكونات الأسلاك.

4. لحام المعادن المختلفة

يتضمن لحام أنواع مختلفة من المعادن معالجة قابلية اللحام ونطاق معلمات اللحام. لا يمكن إجراء اللحام بالليزر بين مواد مختلفة إلا لمجموعات مواد محددة.

بعض الوصلات بين المكونات غير مناسبة للحام الاندماج بالليزر ولكن يمكن الاستفادة منها باستخدام الليزر كمصدر للحرارة للحام الناعم واللحام الصلب، والذي يوفر مزايا مماثلة للحام الاندماج بالليزر. هناك طرق مختلفة للحام، حيث يستخدم اللحام الناعم بالليزر في المقام الأول للحام لوحات الدوائر المطبوعة، وخاصة في تجميع المكونات الشبيهة بالصفائح. وبالمقارنة بالطرق الأخرى، يوفر اللحام الناعم بالليزر المزايا التالية:

1.التدفئة الموضعية:نظرًا لأن التسخين موضعي، فإن المكونات أقل عرضة للتلف الحراري، وتكون المنطقة المتأثرة بالحرارة صغيرة. وهذا يجعل من الممكن إجراء لحام ناعم بالقرب من المكونات الحساسة للحرارة.

2.التدفئة بدون تلامس:بفضل التسخين بدون تلامس ومنطقة الذوبان الواسعة، لا يلزم استخدام أدوات إضافية. تسمح هذه الطريقة بالمعالجة بعد تركيب المكونات على جانبي لوحة الدوائر المطبوعة ذات الوجهين.

3. التكرار المستقر:استقرار العمليات المتكررة مرتفع. يتميز التدفق بتلوث ضئيل لأدوات اللحام، كما يمكن التحكم بسهولة في وقت التعرض لليزر وقوة الإخراج، مما يؤدي إلى إنتاجية عالية للمنتجات الملحومة بالليزر.

4. تقسيم الشعاع بسهولة:يمكن تقسيم أشعة الليزر بسهولة باستخدام مكونات بصرية مثل المرايا شبه الشفافة، والعاكسات، والمناشير، ومرايا المسح، مما يتيح اللحام المتماثل المتزامن في نقاط متعددة.

5. مرونة الطول الموجي:تستخدم عملية اللحام بالليزر عادةً أشعة ليزر بطول موجي يبلغ 1.06 ميكرومتر كمصدر للحرارة، ويمكن نقلها عبر الألياف الضوئية. وهذا يسمح بالمعالجة في المناطق التي يصعب لحامها باستخدام الطرق التقليدية، مما يوفر مرونة أكبر.

6. قدرة جيدة على التركيز:تتمتع بقدرة التركيز الممتازة، مما يجعل من السهل تحقيق الأتمتة باستخدام الأجهزة متعددة المحطات.

العمليات المعدنية والمبادئ النظرية

إن العمليات المعدنية والفيزيائية لعملية اللحام بالليزر العميق الاختراق تشبه إلى حد كبير تلك الخاصة بعملية اللحام بحزمة الإلكترونات، حيث يتم تحقيق آلية تحويل الطاقة من خلال بنية "ثقب صغير". تحت إشعاع شعاع عالي الكثافة بدرجة كافية، يتبخر المادة لتكوين ثقب صغير. يعمل هذا الثقب الصغير المملوء بالبخار مثل الجسم الأسود، حيث يمتص كل طاقة الضوء الساقط تقريبًا، مع وصول درجة حرارة التوازن داخل التجويف إلى حوالي 25، 000 درجة مئوية. تنتقل الحرارة من جدار التجويف عالي الحرارة، مما يتسبب في ذوبان المعدن المحيط. تمتلئ الفتحة الصغيرة ببخار عالي الحرارة ناتج عن التبخر المستمر لمادة الجدار تحت الشعاع. تحيط جدران الفتحة الصغيرة بالمعدن المنصهر، ويغلف المعدن السائل مادة صلبة. يتوازن تدفق السائل خارج الفتحة والتوتر السطحي لطبقة الجدار مع ضغط البخار المستمر داخل التجويف، مما يحافظ على التوازن الديناميكي. يدخل الشعاع باستمرار إلى الفتحة الصغيرة، وتتدفق المادة خارج الفتحة باستمرار. مع تحرك الشعاع، يظل الثقب الصغير في حالة تدفق مستقرة. بعبارة أخرى، يتحرك الثقب الصغير والمعدن المنصهر المحيط به إلى الأمام مع الشعاع الرائد، حيث يملأ المعدن المنصهر الفجوة التي خلفتها الثقب الصغير ويتصلب بعد ذلك، وبالتالي يشكل اللحام.

العوامل المؤثرة

تتضمن العوامل المؤثرة على اللحام العميق بالليزر ما يلي: طاقة الليزر، وقطر شعاع الليزر، وامتصاص المواد، وسرعة اللحام، وغاز الحماية، وطول بؤرة العدسة، وموضع نقطة البؤرة، وموضع شعاع الليزر، والزيادة والنقصان التدريجي لطاقة الليزر في نقاط بداية ونهاية اللحام.

خصائص ومزايا اللحام العميق بالليزر

صفات:

1. نسبة عالية من العمق إلى العرض:يتشكل المعدن المنصهر ويمتد حول تجويف البخار الأسطواني عالي الحرارة، مما يؤدي إلى لحام عميق وضيّق.

2. الحد الأدنى من مدخلات الحرارة:بسبب درجة الحرارة المرتفعة للغاية في تجويف المصدر، تحدث عملية الذوبان بسرعة كبيرة، مع مدخلات حرارية منخفضة للغاية لقطعة العمل، مما يؤدي إلى تشويه حراري ضئيل ومنطقة متأثرة بالحرارة.

3. كثافة عالية:تسهل الفتحة الصغيرة المملوءة بالبخار عالي الحرارة تحريك حوض المنصهر وتسرب الغاز، مما يؤدي إلى لحامات خالية من المسام. كما يساعد معدل التبريد العالي بعد اللحام على تحسين بنية اللحام الدقيقة.

4. اللحامات القوية:إن اللحامات الناتجة قوية ومتينة.

5. التحكم الدقيق:تسمح هذه العملية بالتحكم الدقيق في معلمات اللحام.

6. عملية اللحام الجوي بدون تلامس:عملية اللحام لا تتضمن اتصالاً مباشراً وتحدث في بيئة جوية.

مزايا:

1. سرعة لحام عالية وتشويه ضئيل:يتميز شعاع الليزر المركّز بكثافة طاقة أعلى بكثير مقارنة بالطرق التقليدية، مما يؤدي إلى سرعات لحام أسرع، ومناطق أصغر متأثرة بالحرارة، وتشوهات أقل. كما يسمح أيضًا بلحام المواد الصعبة مثل التيتانيوم والكوارتز.

2. تقليل وقت التوقف وزيادة الكفاءة:إن سهولة نقل الشعاع والتحكم فيه، إلى جانب الحاجة المنخفضة إلى استبدال الشعلة أو الفوهة بشكل متكرر، يقلل بشكل كبير من وقت التوقف عن العمل للعمليات المساعدة، مما يؤدي إلى كفاءة وإنتاجية أعلى.

3. اللحامات القوية مع الأداء العام العالي:يؤدي تأثير التنقية ومعدل التبريد العالي إلى الحصول على لحامات قوية ذات أداء عام عالٍ.

4. دقة عالية وتكاليف إعادة عمل أقل:إن مدخلات الحرارة المنخفضة ودقة المعالجة العالية تقلل من الحاجة إلى إعادة العمل، كما أن تكاليف تشغيل اللحام بالليزر منخفضة نسبيًا، مما يساعد على خفض تكاليف الإنتاج.

5. سهولة التشغيل الآلي:تسهل هذه العملية الأتمتة من خلال التحكم الفعال في شدة الشعاع وتحديد المواقع بدقة.