معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

مقدمة:

ناقشنا في المقالة السابقة مبادئ وخصائص اللحام بالليزر ذو الاختراق العميق. هنا، سوف نركز على معلمات العملية الرئيسية. هذا مفيد لك لمعرفة المزيد عن تقنية اللحام هذه.

معلمات العملية الرئيسية للحام بالليزر ذو الاختراق العميق

1. قوة الليزر

هناك قيمة عتبة لكثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر. تحت هذه القيمة، يكون عمق الاختراق ضحلًا جدًا. وبمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها، سيتم زيادة عمق الاختراق بشكل كبير. فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل قيمة العتبة (اعتمادًا على المادة) سيتم توليد البلازما. يمثل هذا تقدمًا في اللحام المستقر العميق.

إذا كانت طاقة الليزر أقل من هذا الحد، يحدث ذوبان سطح قطعة العمل فقط. هذا هو لحام التوصيل الحراري المستقر. ومع ذلك، عندما تكون كثافة طاقة الليزر قريبة من الحالة الحرجة لتشكيل ثقوب صغيرة، يتم إجراء اللحام بالاختراق العميق واللحام بالتوصيل بالتناوب. تصبح هذه عملية لحام غير مستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عمق الاختراق.

أثناء اللحام بالاختراق العميق بالليزر، تتحكم طاقة الليزر في عمق الاختراق وسرعة اللحام في نفس الوقت. يرتبط اختراق اللحام ارتباطًا مباشرًا بكثافة طاقة الشعاع وهو دالة على قوة الشعاع الساقط ونقطة بؤرة الشعاع. بشكل عام، بالنسبة لشعاع ليزر بقطر معين، يزداد عمق الاختراق مع زيادة قوة الشعاع.

2. شعاع النقطة المحورية

يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر. لأنه يحدد كثافة الطاقة. ولكن بالنسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة، فإن قياسها أمر صعب. على الرغم من وجود العديد من تقنيات القياس غير المباشرة.

يمكن حساب حجم البقعة المحدود بالحيود لتركيز الشعاع وفقًا لنظرية حيود الضوء. ولكن نظرًا لوجود انحراف عدسة التركيز، فإن حجم البقعة الفعلي أكبر من القيمة المحسوبة. أبسط طريقة عملية هي طريقة التنميط متساوي الحرارة. وذلك لقياس النقطة البؤرية وقطر الثقب بعد تفحم واختراق لوح البولي بروبيلين بورق سميك. تحتاج هذه الطريقة إلى إتقان قوة الليزر ووقت عمل الشعاع من خلال ممارسة القياس.

3. قيمة امتصاص المواد

يعتمد امتصاص المادة لضوء الليزر على بعض الخصائص المهمة للمادة. مثل الامتصاصية، والانعكاسية، والتوصيل الحراري، ودرجة حرارة الانصهار، ودرجة حرارة التبخر، وما إلى ذلك.
الشيء الأكثر أهمية هو معدل الامتصاص.

العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر تشمل جانبين:

• أولاً، قم بقياس امتصاصية السطح المصقول للمادة. وقد وجد أن مقاومة المادة تتناسب طرديا مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة. يتغير معامل المقاومة مع درجة الحرارة.
• ثانيًا، حالة السطح (أو النهاية) للمادة لها تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الشعاع. لذلك له تأثير كبير على تأثير اللحام.

تتمتع المواد غير المعدنية مثل السيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك بمعدل امتصاص مرتفع في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن المواد المعدنية لديها معدل امتصاص ضعيف في درجة حرارة الغرفة. وبمجرد ذوبان المادة أو حتى تبخرها، فإنها ستزداد بشكل حاد. يؤدي استخدام طلاء السطح أو طبقة أكسيد السطح إلى تحسين امتصاص شعاع الضوء للمادة بشكل فعال.

4. سرعة اللحام

سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الاختراق. زيادة السرعة ستجعل الاختراق أقل عمقا. ولكن إذا كانت السرعة منخفضة جدًا، فسيتم ذوبان المادة بشكل مفرط، وسيتم لحام قطعة العمل من خلالها. لذلك، يوجد نطاق سرعة لحام مناسب لمادة معينة بقوة ليزر وسمك معين. يمكن الحصول على أقصى عمق للاختراق عند قيمة السرعة المقابلة.

5. الغاز الواقي

غالبًا ما يستخدم الغاز الخامل لحماية البركة المنصهرة أثناء اللحام بالليزر. يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح، وقد لا يتم أخذ الحماية بعين الاعتبار. ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات، غالبًا ما يتم استخدام الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى كحماية.

• هيليوم

لا يتأين الهيليوم بسهولة (طاقة تأين أعلى). وهذا يسمح لليزر بالمرور بسلاسة، وتصل طاقة الشعاع إلى سطح قطعة العمل دون عائق. هذا هو غاز الحماية الأكثر فعالية المستخدم في اللحام بالليزر. لكنها أكثر تكلفة.

• غاز الأرجون

غاز الأرجون أرخص وأكثر كثافة، وبالتالي فإن تأثير الحماية أفضل. ومع ذلك، فهو عرضة لتأين البلازما المعدنية ذات درجة الحرارة العالية. هذا يمكن أن يحمي جزء من الشعاع من الاصطدام بقطعة العمل، ويقلل من قوة الليزر الفعالة للحام، ويضر بسرعة اللحام والاختراق. يكون سطح اللحام المحمي بالأرجون أكثر سلاسة من سطح اللحام المحمي بالهيليوم.

• نتروجين

يعتبر النيتروجين أرخص غاز واقي. ومع ذلك، فهو غير مناسب لحام بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشاكل معدنية، مثل الامتصاص. في بعض الأحيان، ينتج عن ذلك مسامية في المنطقة المتداخلة.

يعد استخدام الغاز الواقي مفيدًا، بشكل رئيسي في الجوانب الثلاثة التالية:

• حماية قطعة العمل من الأكسدة أثناء اللحام.
• حماية عدسة التركيز من تلوث البخار المعدني وتناثر القطرات السائلة، خاصة في اللحام بالليزر عالي الطاقة. نظرًا لأن القذف يصبح قويًا، فمن الضروري حماية العدسة الآن.
• تبديد درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويتأين في سحابة البلازما. يتأين الغاز الواقي المحيط بالبخار المعدني أيضًا بسبب الحرارة. إذا كان هناك الكثير من البلازما، فسيتم استهلاك شعاع الليزر إلى حد ما بواسطة البلازما. توجد البلازما على سطح العمل كطاقة ثانية، مما يجعل الاختراق سطحيًا ويتسع سطح حوض اللحام. يتم زيادة معدل إعادة تركيب الإلكترونات عن طريق زيادة اصطدامات الأجسام الثلاثة للإلكترونات مع الأيونات والذرات المحايدة لتقليل كثافة الإلكترون في البلازما. كلما كانت الذرات المحايدة أخف، كلما زاد تردد الاصطدام ومعدل إعادة التركيب. من ناحية أخرى، فإن الغاز الواقي ذو طاقة التأين العالية فقط لن يزيد من كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.

6. البعد البؤري للعدسة

عادةً ما يتم استخدام طريقة التركيز لتكثيف الليزر أثناء اللحام، ويتم استخدام عدسة ذات طول بؤري يتراوح من 63 إلى 254 مم بشكل عام. يتناسب حجم نقطة التركيز مع البعد البؤري. كلما كان البعد البؤري أقصر، كانت البقعة أصغر. ومع ذلك، يؤثر البعد البؤري أيضًا على العمق البؤري. أي أن العمق البؤري يزداد بشكل متزامن مع البعد البؤري. لذا، فإن البعد البؤري القصير يمكن أن يزيد من كثافة الطاقة. بسبب العمق البؤري الصغير، يجب الحفاظ على المسافة بين العدسة وقطعة العمل بدقة، وعمق الاختراق ليس كبيرًا.

نظرًا لتأثير الترشيش ووضع الليزر المتولد في عملية اللحام، فإن أقصر عمق بؤري مستخدم في اللحام الفعلي هو في الغالب البعد البؤري البالغ 126 مم (5 بوصات). عندما تكون الوصلة كبيرة أو تحتاج إلى زيادة خط اللحام عن طريق زيادة حجم البقعة، يمكنك اختيار عدسة ذات طول بؤري يبلغ 254 مم. في هذه الحالة، يلزم وجود طاقة خرج ليزر أعلى (كثافة الطاقة) لتحقيق تأثير ثقب الاختراق العميق.

عندما تتجاوز طاقة الليزر 2 كيلو واط (خاصة لشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6μm)، بسبب استخدام مواد بصرية خاصة لتشكيل النظام البصري، غالبًا ما يتم استخدام طريقة التركيز العاكس لتجنب خطر الضرر البصري لعدسة التركيز. تُستخدم المرآة النحاسية المصقولة بشكل عام كعاكس. يوصى غالبًا بتركيز أشعة الليزر عالية الطاقة بسبب التبريد الفعال.

7. موضع التركيز

يعد موضع النقطة المحورية أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على كثافة الطاقة الكافية عند اللحام. تؤثر التغييرات في موضع النقطة المحورية بالنسبة لسطح قطعة العمل بشكل مباشر على عرض اللحام وعمقه.
في معظم تطبيقات اللحام بالليزر، تقع النقطة البؤرية عادةً على بعد حوالي 1/4 من عمق الدمج المطلوب أسفل سطح قطعة العمل.

8. موضع شعاع الليزر

عند لحام مواد مختلفة بالليزر، فإن موضع شعاع الليزر يتحكم في الجودة النهائية للحام، خاصة في حالة الوصلات التناكبية مقارنة بالمفاصل اللفة. على سبيل المثال، عندما يتم لحام ترس فولاذي مقوى بأسطوانة فولاذية خفيفة، فإن التحكم المناسب في موضع شعاع الليزر سيساعد في إنتاج لحام بمكون مقاوم للتشقق نسبيًا ومنخفض الكربون في الغالب. في بعض التطبيقات، تتطلب هندسة قطعة العمل المراد لحامها أن ينحرف شعاع الليزر بزاوية. عندما تكون زاوية الانحراف بين محور الشعاع ومستوى المفصل ضمن 100 درجة، فإن امتصاص طاقة الليزر بواسطة قطعة العمل لن يتأثر.

9. التحكم في الارتفاع والانخفاض التدريجي لقوة الليزر عند نقطتي بداية ونهاية اللحام

أثناء اللحام باختراق عميق بالليزر، توجد دائمًا ثقوب صغيرة بغض النظر عن عمق اللحام. عند انتهاء عملية اللحام، وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة، ستظهر حفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر خط اللحام الأصلي، سيحدث امتصاص مفرط لشعاع الليزر. وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللحام أو تكوين المسام.

لمنع حدوث الظواهر المذكورة أعلاه، يمكن برمجة نقاط بدء وتوقف الطاقة لضبط أوقات بدء وانتهاء الطاقة. يتم زيادة الطاقة الأولية إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة خلال فترة قصيرة. ويمكن تعديل وقت اللحام. وأخيرًا، يتم تقليل الطاقة تدريجيًا من الطاقة المحددة إلى الصفر عند انتهاء اللحام.