مقدمة:
اللحام بالليزر هو عملية تستخدم شعاعًا عالي التركيز من الطاقة الضوئية، يُعرف باسم الليزر، لربط المواد معًا. إذًا، كيف يعمل اللحام بالليزر؟ هذه المقالة سوف تعطيك الجواب.
كيف اللحام بالليزر عمل؟
1. توليد شعاع الليزر
تبدأ العملية بتوليد شعاع عالي التركيز من الضوء المتماسك، عادة من مرنان ليزر. يمكن إنتاج شعاع الليزر باستخدام أنواع مختلفة من الليزر، مثل ليزر الحالة الصلبة أو الغاز أو ليزر الألياف.
2. تركيز شعاع الليزر
بمجرد توليد شعاع الليزر، يتم توجيهه عبر سلسلة من المرايا والعدسات لتركيزه في نقطة صغيرة ومكثفة. وهذا التركيز أمر بالغ الأهمية. فهو يزيد من كثافة طاقة شعاع الليزر، مما يسمح له بإذابة أو تبخير المادة التي يتفاعل معها.
3. تحضير المواد
قبل اللحام، يتم تحضير المواد التي سيتم ربطها عن طريق تنظيفها ووضعها بشكل صحيح. يعد إعداد السطح ضروريًا لضمان الترابط المناسب وجودة اللحام.
4. عملية اللحام
يتم توجيه شعاع الليزر المركز إلى المفصل بين المواد المراد لحامها. عندما يضرب الشعاع المكثف السطح، فإنه يسخن المادة أو يذوبها أو يبخرها بسرعة. تكون الحرارة المتولدة موضعية، مما يقلل من المنطقة المتأثرة بالحرارة في المادة المحيطة (HAZ).
5. الانضمام إلى المواد
عندما تذوب المادة أو تتبخر، فإنها تشكل بركة منصهرة عند الواجهة المشتركة. تبرد المادة المنصهرة وتتصلب، مما يخلق رابطة اندماجية بين المواد. يتم تحريك شعاع الليزر على طول المفصل للحام على طوله بالكامل.
6. التحكم والمراقبة
تشتمل عمليات اللحام بالليزر غالبًا على أجهزة استشعار وأنظمة مراقبة للتحكم في الطاقة وتركيز الشعاع ومعلمات السرعة. وهذا يضمن التحكم الدقيق في عملية اللحام ويساعد في الحفاظ على الجودة المتسقة.
المعلمات الهامة للحام بالليزر
1. كثافة الطاقة
تعد كثافة الطاقة أحد أهم العوامل في المعالجة بالليزر. باستخدام كثافة طاقة أعلى، يمكن تسخين الطبقة السطحية إلى نقطة الغليان خلال جزء من الثانية، مما يؤدي إلى تبخر واسع النطاق. ولذلك، فإن كثافة الطاقة العالية تفيد في معالجة إزالة المواد، مثل الحفر والقطع والنقش. بالنسبة لكثافة الطاقة المنخفضة، يستغرق الأمر عدة أجزاء من الثانية حتى تصل درجة حرارة السطح إلى نقطة الغليان. قبل أن تتبخر الطبقة السطحية، تصل الطبقة السفلية إلى نقطة الانصهار، وتشكل بسهولة لحامًا منصهرًا جيدًا.
2. شكل موجة نبض الليزر
عندما يضرب شعاع ليزر عالي الكثافة سطح المادة، سوف ينعكس ما يتراوح بين 60 إلى 98% من طاقة الليزر ويفقد على السطح المعدني. وتشمل هذه الذهب والفضة والنحاس والألومنيوم والتيتانيوم وغيرها من المواد ذات الانعكاس القوي وانتقال الحرارة السريع. أثناء إشارة نبض الليزر، تتغير انعكاسية المعدن مع مرور الوقت. سوف تنخفض الانعكاسية بسرعة عندما ترتفع درجة حرارة سطح المادة إلى نقطة الانصهار. عندما يكون السطح منصهرًا، يستقر الانعكاس عند قيمة معينة.
3. عرض نبضة الليزر
يعد عرض النبض معلمة أساسية للحام بالليزر النبضي. يحدد عمق الاختراق والمنطقة المتأثرة بالحرارة عرض النبضة. كلما زاد عرض النبضة، كلما كانت المنطقة المتأثرة بالحرارة أكبر. يزداد عمق الاختراق بمقدار 1/2 قوة عرض النبضة. ومع ذلك، فإن زيادة عرض النبضة سوف يقلل من ذروة الطاقة. لذلك، يتم استخدام زيادة عرض النبض بشكل عام في لحام التوصيل الحراري. حجم اللحام المتكون واسع وضحل، وهو مناسب بشكل خاص للحام اللفة للألواح الرقيقة والسميكة.
ومع ذلك، يؤدي انخفاض طاقة الذروة إلى زيادة مدخلات الحرارة. تتمتع كل مادة بعرض نبض مثالي يزيد من الاختراق.
4. مقدار إلغاء التركيز البؤري
يتطلب اللحام بالليزر عادةً قدرًا معينًا من إزالة التركيز البؤري. وذلك لأن كثافة الطاقة في مركز البقعة عند تركيز الليزر مرتفعة للغاية ويمكن أن تتبخر بسهولة في الثقوب. يكون توزيع كثافة الطاقة موحدًا نسبيًا على كل مستوى بعيدًا عن تركيز الليزر.
5. سرعة اللحام
سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الاختراق. زيادة السرعة ستجعل الاختراق أقل عمقا. ومع ذلك، فإن السرعة المنخفضة للغاية سوف تتسبب في ذوبان المواد الزائدة واللحام من خلال قطعة العمل. لذلك، هناك نطاق سرعة لحام مناسب لمادة معينة بقوة ليزر معينة وسمك معين، ويمكن الحصول على أقصى اختراق عند قيمة السرعة المقابلة.
6. الغاز الواقي
غالبًا ما تستخدم الغازات الخاملة لحماية البركة المنصهرة أثناء اللحام بالليزر. غالبًا ما يستخدم الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى للحماية في معظم التطبيقات. الوظيفة الثانية للغاز الواقي هي حماية عدسة التركيز من تلوث البخار المعدني وتناثر قطرات السائل. أثناء اللحام بالليزر عالي الطاقة، يكون الرذاذ قويًا جدًا وضروريًا لحماية العدسة. الوظيفة الثالثة لغاز التدريع هي تبديد درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة بشكل فعال. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويؤينه إلى بلازما. إذا كان هناك الكثير من البلازما، فسوف تستهلك البلازما شعاع الليزر إلى حد ما.
7. التبريد وما بعد المعالجة
بعد اللحام، قد تخضع الوصلة الملحومة للتبريد لتصلب اللحام بالكامل. اعتمادًا على التطبيق، قد تكون هناك حاجة إلى خطوات إضافية بعد المعالجة مثل الطحن أو التلميع لتحقيق التشطيب السطحي المطلوب وسلامة اللحام.
مميزات اللحام بالليزر
يوفر اللحام بالليزر العديد من المزايا مقارنة بطرق اللحام التقليدية. وتشمل هذه الدقة العالية وسرعات المعالجة السريعة والحد الأدنى من التشويه والقدرة على لحام مواد مختلفة. هذه الخصائص تجعلها خيارًا مفضلاً في العديد من الصناعات، بما في ذلك تصنيع السيارات والفضاء والإلكترونيات والأجهزة الطبية.
يمكن لحام الليزر الحصول على قوة مشتركة عالية الجودة ونسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة، وسرعة اللحام سريعة نسبيًا.
نظرًا لأن اللحام بالليزر لا يتطلب بيئة مفرغة، فيمكن استخدام العدسات والألياف الضوئية للتحكم عن بعد والإنتاج الآلي.
يتمتع اللحام بالليزر بكثافة طاقة كبيرة، وله تأثير لحام جيد على المواد التي يصعب لحامها مثل التيتانيوم والكوارتز وما إلى ذلك. ويمكنه لحام المواد ذات الخصائص المختلفة.
اللحام الجزئي ممكن. بعد تركيزه وتحديد موضعه بدقة، يمكن لشعاع الليزر الحصول على بقعة صغيرة جدًا. يمكن استخدامه في لحام تجميع قطع العمل الصغيرة والصغيرة المنتجة بكميات كبيرة للإنتاج الآلي.