1. تكنولوجيا اللحام بالليزر:

يُعدّ اللحام بالليزر أحد الجوانب المهمة في تطبيق تكنولوجيا معالجة الليزر. وهو عملية تستخدم الطاقة الإشعاعية لليزر لتحقيق لحام فعال. مبدأ عمل اللحام بالليزر هو: إثارة الوسط النشط لليزر (مثل خليط من ثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى، وبلورات الياغ، والإتريوم، والألومنيوم، وغيرها) بطريقة محددة، بحيث يتذبذب ذهابًا وإيابًا في الرنان، مُشكّلًا بذلك شعاع إشعاع مُثار. عند ملامسة الشعاع لقطعة العمل، تمتص قطعة العمل طاقته، ويمكن إجراء اللحام عندما تصل درجة الحرارة إلى درجة انصهار المادة.

2. المعلمات الهامة لـتكنولوجيا اللحام بالليزر:

2.1 كثافة الطاقة:

كثافة الطاقة من أهم المعايير في معالجة الليزر. باستخدام كثافة طاقة أعلى، يمكن تسخين الطبقة السطحية إلى درجة الغليان في نطاق زمني لا يتجاوز الميكروثانية، مما ينتج عنه كمية كبيرة من التبخر. لذلك، تُعد كثافة الطاقة العالية مفيدة جدًا في عمليات إزالة المواد، مثل الثقب والقطع والنقش. بالنسبة لكثافة الطاقة المنخفضة، تستغرق درجة حرارة السطح بضعة ملي ثانية للوصول إلى درجة الغليان. قبل أن يتبخر السطح، تصل الطبقة السفلية إلى درجة الانصهار، مما يُمكّنها من تشكيل لحام ذوبان جيد بسهولة.

2.2 شكل موجة نبضة الليزر:

عند سقوط شعاع ليزر عالي الكثافة على سطح المادة، ينعكس ما بين 60% و98% من طاقة الليزر على سطح المعدن ويضيع، خاصةً الذهب والفضة والنحاس والألمنيوم والتيتانيوم وغيرها من المواد التي تتميز بانعكاس قوي ونقل حراري سريع. أثناء إشارة نبضة الليزر، يتغير انعكاس المعدن بمرور الوقت. عندما ترتفع درجة حرارة سطح المادة إلى درجة الانصهار، ينخفض ​​الانعكاس بسرعة. عندما يكون السطح في حالة منصهرة، يكون الانعكاس ثابتًا عند قيمة معينة. 

2.3 عرض نبضة الليزر:

يُعد عرض النبضة معيارًا مهمًا في لحام الليزر النبضي. يُحدد عرض النبضة بعمق الانصهار والمنطقة المتأثرة بالحرارة. كلما زاد عرض النبضة، زادت مساحة المنطقة المتأثرة بالحرارة، ويزداد عمق الانصهار بقوة نصف عرض النبضة. ومع ذلك، فإن زيادة عرض النبضة تُقلل من ذروة الطاقة. لذلك، تُستخدم زيادة عرض النبضة عادةً في لحام التوصيل الحراري. يتميز حجم اللحام المُكوّن بأنه عريض وضحل، وهو مناسب بشكل خاص للحام التداخلي للصفائح الرقيقة والسميكة.

ومع ذلك، فإن انخفاض ذروة الطاقة سيؤدي إلى إدخال حرارة زائدة، وكل مادة لديها عرض نبضي مثالي يمكنه تعظيم عمق الانصهار.

2.4 كمية عدم التركيز:

عادةً ما يتطلب اللحام بالليزر قدرًا معينًا من عدم التركيز، لأن كثافة الطاقة في مركز البقعة عند بؤرة الليزر عالية جدًا، مما قد يؤدي إلى تبخرها بسهولة وتشكل ثقوبًا. يكون توزيع كثافة الطاقة موحدًا نسبيًا على كل مستوى يغادر بؤرة الليزر.

2.5 هناك طريقتان لإزالة التركيز:

إزالة التركيز الموجب وإزالة التركيز السالب. يقع المستوى البؤري فوق قطعة العمل لإزالة التركيز الموجب، والعكس صحيح لإزالة التركيز السالب. وفقًا لنظرية البصريات الهندسية، عندما تكون المسافة بين مستوى إزالة التركيز الموجب والسالب ومستوى اللحام متساوية تقريبًا، تكون كثافة الطاقة على المستوى المقابل متساوية، ولكن في الواقع، يختلف شكل حوض اللحام الناتج بعض الشيء. عند إزالة التركيز السالب، يمكن الحصول على عمق ذوبان أكبر، وهو أمر مرتبط بعملية تشكيل حوض اللحام.

2.6 سرعة اللحام:

سرعة اللحام لها تأثير أكبر على عمق الانصهار. زيادة السرعة تجعل عمق الانصهار ضحلًا، أما انخفاضها الشديد، فسيؤدي إلى ذوبان مفرط للمادة ولحام قطعة العمل. لذلك، يوجد نطاق سرعة لحام مناسب لمواد محددة بقوة ليزر معينة وسمك معين، ويمكن الحصول على أقصى عمق انصهار عند قيمة السرعة المقابلة.

2.7 الغاز الوقائي:

تُستخدم الغازات الخاملة غالبًا في عملية اللحام بالليزر لحماية حوض اللحام، بينما تُستخدم غازات الهيليوم والأرجون والنيتروجين وغيرها للحماية في معظم التطبيقات. أما الدور الثاني للغاز الواقي فهو حماية عدسة التركيز من تلوث بخار المعدن وتناثر قطرات السائل. أثناء اللحام بالليزر عالي الطاقة، يكون القذف قويًا جدًا، مما يتطلب حماية العدسة بشكل أكبر. أما الدور الثالث للغاز الواقي فهو قدرته على تشتيت درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة بفعالية. يمتص بخار المعدن شعاع الليزر ويؤينه إلى بلازما. وإذا زادت كمية البلازما عن الحد المطلوب، فسوف تستهلكها البلازما إلى حد ما.

3. التأثير الفريد لتكنولوجيا اللحام بالليزر:

بالمقارنة مع تكنولوجيا اللحام التقليدية، فهي تتمتع بأربعة تأثيرات فريدة:

3.1 تأثير تنقية اللحام:

عند تعريض اللحام لشعاع الليزر، يكون معدل امتصاص الشوائب، مثل الأكاسيد، في المادة بواسطة الليزر أعلى بكثير من معدل امتصاص المعدن له. لذلك، تُسخّن الشوائب، مثل الأكاسيد، بسرعة وتتبخر لتخرج، مما يُقلل من محتوى الشوائب في اللحام بشكل كبير. لذا، لا يُلوّث اللحام بالليزر قطعة العمل فحسب، بل يُنقّي المادة أيضًا.

3.2 تأثير انفجار الضوء:

عندما تكون كثافة طاقة الليزر عالية جدًا، يتبخر المعدن الموجود في اللحام ويتبخر بشدة تحت تأثير شعاع ليزر قوي. وتحت تأثير بخار المعدن عالي الضغط، يُنتج المعدن المنصهر في الحمام تناثرًا متفجرًا، وتنتشر موجة صدمته القوية باتجاه عمق الثقب، مُشكلةً ثقبًا عميقًا ممدودًا. أثناء الحركة المستمرة لعملية اللحام بالليزر، يملأ المعدن المنصهر المحيط الثقوب باستمرار ويتكثف ليشكل لحامًا صلبًا ذا ذوبان عميق.

3.3 تأثير الثقب الصغير للحام الذوبان العميق:

عند تعريض اللحام لشعاع ليزر بكثافة طاقة تصل إلى 107 واط/سم²، يكون معدل الطاقة الداخلة أكبر بكثير من معدل التوصيل الحراري والحمل الحراري وفقدان الإشعاع، مما يؤدي إلى تبخر المعدن في منطقة إشعاع الليزر بسرعة، وبفعل البخار عالي الضغط، تتشكل ثقوب صغيرة في حوض اللحام. يشبه هذا النوع من الثقوب ثقبًا أسود في علم الفلك، إذ يمكنه امتصاص كل طاقة الضوء. يمر شعاع الليزر عبر هذا الثقب ويصطدم بقاعه مباشرةً. ويحدد عمق الثقب عمق الانصهار.

3.4 تأثير التركيز للجدران الجانبية للثقوب في الحمام على الليزر:

أثناء تشكيل الثقوب في حوض المعالجة بالليزر، عادةً ما تكون زاوية سقوط شعاع الليزر على الجدار الجانبي للثقب كبيرة، مما يؤدي إلى انعكاسه على الجدار الجانبي للثقب وانتقاله إلى قاعه، مما يُحدث ظاهرة تراكب طاقة الشعاع في الثقب، مما يزيد من شدته بشكل فعال. تُسمى هذه الظاهرة "تأثير تركيز الجدار الجانبي للثقب". ويستند استخدام الليزر في اللحام إلى نتائج هذه التأثيرات.

4. مزاياتكنولوجيا اللحام بالليزر:

إن التأثير الفريد للحام الليزر يجعل لحام الليزر يتمتع بالمزايا التالية:

4.1 يتميز اللحام بالليزر بقصر مدة التعرض له، وسرعة عملية اللحام الفائقة، مما يُحسّن الإنتاجية، كما أن المادة الملحومة لا تتأكسد بسهولة، وصغر منطقة التأثر بالحرارة، ما يجعله مناسبًا للحام مكونات الترانزستور ذات الحساسية العالية للحرارة. لا يُنتج اللحام بالليزر خبث اللحام، ولا يتطلب إزالة طبقة الأكسيد من قطعة العمل. ويمكن لحامه حتى عبر الزجاج، وهو مناسب بشكل خاص للحام الأدوات الدقيقة المصغرة.

٤.٢ لا يقتصر استخدام الليزر على لحام المواد المعدنية نفسها فحسب، بل يشمل أيضًا المواد المعدنية المختلفة، بل وحتى المواد المعدنية وغير المعدنية. على سبيل المثال، في حالة الدوائر المتكاملة التي تستخدم السيراميك كركيزة، يصعب استخدام طرق لحام أخرى نظرًا لارتفاع درجة انصهار السيراميك وعدم كفاية الضغط، إلا أن اللحام بالليزر أكثر ملاءمة. وبالطبع، لا يمكن لحام الليزر جميع المواد المختلفة.

تطبيقات وصناعات اللحام بالليزر: 1. يُستخدم لحام التوصيل الحراري بشكل رئيسي في الآلات الدقيقة، مثل رقائق المعادن، وتشكيل الحواف، والتكنولوجيا الطبية، وغيرها. 2. يُستخدم لحام الذوبان العميق واللحام باللحام بشكل رئيسي في صناعة السيارات، حيث يُستخدم في هياكل السيارات، وناقلات الحركة، والهياكل، وغيرها. 3. يُمكن لحام التوصيل بالليزر التعامل مع المواد غير المعدنية، وله تطبيقات واسعة، مثل السلع الاستهلاكية، وصناعة السيارات، وهياكل الإلكترونيات، والتكنولوجيا الطبية، وغيرها. 4. يُعد لحام المواد المركبة مناسبًا بشكل رئيسي للهياكل الفولاذية الخاصة، مثل أسطح السفن.