جدول المحتويات:
معلمات عملية اللحام بالليزر عالي الدقة
مناسب لتكنولوجيا اللحام بالليزر
مزايا اللحام بالليزر
لحام ذوبان عميق بالليزر عالي الدقة
لحام الليزر للصلب المستورد
1. معلمات عملية اللحام بالليزر:
1.1 كثافة الطاقة:
كثافة الطاقة عاملٌ أساسي في معالجة الليزر. فكثافة الطاقة العالية تُسخّن الطبقة السطحية بسرعة إلى درجة غليانها في غضون ثوانٍ قليلة، مما يُؤدي إلى تبخر كبير. لذلك، تُسهّل كثافة الطاقة العالية عمليات إزالة المواد، مثل القطع والنقش والحفر. من ناحية أخرى، تستغرق كثافة الطاقة المنخفضة بضعة ميلي ثانية للوصول إلى درجة غليان درجة حرارة السطح. هذا يسمح للطبقة السفلية بالوصول إلى درجة الانصهار قبل تبخر الطبقة السطحية، مما يُسهّل تشكيل لحام متين. لذلك، تتراوح كثافة طاقة اللحام بالليزر الموصل عادةً بين 10^4 و10^6 واط/سم².
1.2 عرض نبضة الليزر:
يُعد عرض النبضة معيارًا مهمًا في لحام الليزر النبضي. فهو لا يختلف فقط عن إزالة المواد وصهرها، بل يُعد أيضًا عاملًا أساسيًا في تحديد تكلفة وحجم معدات المعالجة.
1.3 تأثير عدم التركيز على جودة اللحام:
عادةً ما يتطلب اللحام بالليزر درجةً معينةً من عدم التركيز، نظرًا لارتفاع كثافة الطاقة في مركز نقطة تركيز الليزر، مما قد يُسبب التبخر والثقوب بسهولة. من ناحية أخرى، يكون توزيع كثافة الطاقة موحدًا نسبيًا على المستوى البعيد عن بؤرة الليزر.
هناك وضعان لإلغاء التركيز البؤري للاختيار من بينهما: إلغاء التركيز البؤري الإيجابي وإلغاء التركيز البؤري السلبي. يحدث إلغاء التركيز البؤري الإيجابي عندما يكون المستوى البؤري أعلى من قطعة العمل، بينما يحدث إلغاء التركيز البؤري السلبي أسفل قطعة العمل.
يؤدي فقدان التركيز السلبي إلى عمق ذوبان أكبر، وهو أمر مرتبط بعملية تكوين الحمام. تُظهر النتائج التجريبية أن المادة تبدأ بالذوبان خلال 50 إلى 200 ميكرومتر بعد تسخينها بالليزر، مُشكّلةً معدنًا في طور سائل، ومتبخرةً تحت ضغط تجاري، ومُصدرةً ضوءًا أبيضًا ساطعًا بسرعة فائقة.
وفي الوقت نفسه، يتسبب التركيز العالي للبخار في تحرك المعدن السائل نحو حافة الحمام، مما يشكل انخفاضًا في وسط الحمام.
عند استخدام إزالة التركيز السلبي، تكون كثافة الطاقة الداخلية للمادة أعلى من كثافة الطاقة السطحية، مما يزيد من احتمالية ذوبانها وتبخيرها. يسمح هذا بنقل الطاقة الضوئية إلى جزء أعمق من المادة، مما يؤدي إلى اختراق أكبر. لذلك، يُنصح باستخدام إزالة التركيز السلبي لأعماق ذوبان أكبر، بينما يُنصح باستخدام إزالة التركيز الإيجابي عند لحام المواد الرقيقة في التطبيقات العملية.
2.تكنولوجيا اللحام بالليزر:
1) اللحام من لوحة إلى لوحة:
ويشمل ذلك اللحام المؤخرة، واللحام النهائي، واللحام المنفذ المركزي، واللحام المثقب المركزي.
2) اللحام من سلك إلى سلك:
ويشمل ذلك اللحام اللاحق من سلك إلى سلك، واللحام المتقاطع، واللحام المتداخل المتوازي، واللحام على شكل حرف T.
3) لحام مكونات الأسلاك والكتل:
يمكن استخدام اللحام بالليزر لتوصيل السلك بالعنصر السائب بنجاح، ويمكن اختيار حجم العنصر السائب. يجب مراعاة هندسة العنصر الخطي عند اللحام.
4) لحام المعادن المختلفة:
عند لحام أنواع مختلفة من المعادن، من الضروري تحديد قابليتها للحام ونطاق معلمات قابليتها للحام.
تجدر الإشارة إلى أن اللحام بالليزر لا يمكن أن يتم إلا بين مجموعات معينة من المواد.
على الرغم من أن اللحام بالليزر قد لا يكون مناسبًا لتوصيل مكونات معينة، إلا أنه يمكن استخدام الليزر كمصدر للحرارة للحام الناعم واللحام، والذي يتمتع أيضًا بمزايا اللحام بالليزر.
تتوفر طرق لحام متنوعة. يُستخدم اللحام بالليزر بشكل رئيسي في لحام لوحات الدوائر المطبوعة (لوحة الدوائر المطبوعة)، وخاصةً في تقنية تجميع الرقاقات.
3. مزايا اللحام بالليزر:
يقلل التسخين الموضعي من خطر التلف الحراري للمكونات ويخلق منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة تسمح باللحام بالقرب من المكونات الحرارية.
التسخين بدون تلامس يُذيب الماء دون الحاجة إلى أدوات مساعدة. هذا يُتيح معالجة لوحة الدوائر المطبوعة ثنائية الجوانب بعد تركيب مكوناتها.
بفضل استقرار العمليات المتكررة، وانخفاض تلوث أدوات اللحام بالتدفق، يُعدّ اللحام بالليزر خيارًا مثاليًا. كما يُسهّل التحكم في وقت إشعاع الليزر وطاقته، بالإضافة إلى إنتاجية عالية من اللحام بالليزر.
يمكن استخدام مكونات بصرية، مثل العدسات شبه المنحرفة والمرايا والمناشير ومرايا المسح، لفصل شعاع الليزر بسهولة. هذا يسمح بلحام نقاط متعددة بشكل متماثل في الوقت نفسه.
يعتمد اللحام بالليزر بشكل أساسي على ليزر بطول موجي 1.06 ميكرومتر كمصدر حرارة، ويمكن نقله عبر الألياف الضوئية. هذا يُمكّن من معالجة الأجزاء التي يصعب لحامها بالطرق التقليدية، مما يوفر مرونة أكبر.
يتمتع شعاع الليزر بخصائص تركيز جيدة، كما أنه من السهل أتمتة المعدات متعددة المحطات.
4. اللحام بالذوبان العميق بالليزر:
4.1 تكنولوجيا المعادن ونظرية العملية:
إن العملية المعدنية للحام ذوبان الليزر العميق تشبه عملية لحام حزمة الإلكترونات، والتي تعتمد على بنية "ثقب صغير" لإكمال تحويل الطاقة.
عندما تكون كثافة الطاقة عالية بما يكفي، تتبخر المادة، مكونةً ثقبًا صغيرًا. هذا الثقب مليء بالبخار، كجسم أسود، يمتص تقريبًا كل طاقة الضوء الساقط. تبلغ درجة حرارة التوازن في تجويف الثقب حوالي ٢٥٠٠٠ درجة.
تنتقل الحرارة من الجدار الخارجي للتجويف عالي الحرارة، مما يُذيب المعدن المحيط به. ويُملأ الثقب باستمرار ببخار عالي الحرارة ناتج عن تبخر مادة الجدار تحت شعاع الضوء.
تحيط الجدران الأربعة للفتحة بالمعدن المنصهر، والذي يحيط به بدوره مادة صلبة. يتدفق المعدن السائل خارج الفتحة ويحافظ على توازن ديناميكي مع ضغط البخار المستمر في تجويف الفتحة.
عندما يتحرك شعاع الضوء، يبقى الثقب ثابتًا. هذا يعني أن الثقب الصغير والمعدن المنصهر المحيط به يتحركان للأمام بسرعة الشعاع الموجه. يملأ المعدن المنصهر الفجوة التي يتركها الثقب المتحرك ويتكثف ليشكل لحامًا.
4.2 العوامل المؤثرة:
العوامل التي تؤثر على لحام الاندماج العميق بالليزر هي قوة الليزر، وقطر شعاع الليزر، ومعدل امتصاص المواد، وسرعة اللحام، والغاز الواقي، وطول بؤرة العدسة، وموضع التركيز، وموضع شعاع الليزر، وبدء وإيقاف طاقة الليزر لزيادة أو تقليل التحكم في اللحام.
4.3 خصائص اللحام بالذوبان العميق بالليزر:
1) نسبة العرض إلى الارتفاع العالية: عندما يتشكل المعدن المنصهر حول غرفة البخار الأسطوانية عالية الحرارة ويمتد إلى قطعة العمل، يصبح اللحام أعمق وأضيق.
2) الحد الأدنى من مدخلات الحرارة: بسبب ارتفاع درجة حرارة تجويف المصدر، تكون عملية الذوبان سريعة، ويكون مدخل الحرارة لقطعة العمل صغيرًا، كما أن التشوه الحراري ومنطقة التأثر بالحرارة صغيران.
3) كثافة عالية: لأن الثقوب الصغيرة المملوءة بالبخار عالي الحرارة تساعد على تحريك الحمام وهروب الغاز، وبالتالي تشكيل لحام ذوبان غير مسامي.
تكون سرعة التبريد سريعة بعد اللحام، كما أن تنظيم اللحام سهل التحسين.
4) تقوية اللحامات.
5) التحكم الدقيق.
6) عملية اللحام الجوي بدون تلامس.
4.4 مزايا اللحام بالذوبان العميق بالليزر:
مقارنةً بالطرق التقليدية، تتميز شعاع الليزر المُركز بكثافة طاقة أعلى، ما يُحسّن سرعة اللحام. كما يُمكنه لحام المواد المقاومة للحرارة، مثل التيتانيوم والكوارتز، مع مناطق تأثر حراري أصغر وتشوهات أقل.
يتميز شعاع الليزر بسهولة نقله والتحكم فيه، مما يزيل الحاجة إلى الاستبدال المتكرر للمشاعل والفوهات، وبالتالي تقليل وقت التوقف وتحسين عامل التحميل وكفاءة الإنتاج.
يساعد التنقية ومعدل التبريد العالي على تحسين قوة اللحام والأداء العام.
إن المدخلات الحرارية المنخفضة ودقة التصنيع العالية في اللحام بالليزر تقلل من تكلفة إعادة المعالجة، مما يجعلها حلاً فعالاً من حيث التكلفة.
يمكن أتمتة عملية اللحام بالليزر بسهولة والتحكم بفعالية في شدة الشعاع وتحديد المواقع الدقيقة.
4.5 معدات اللحام بالذوبان العميق بالليزر:
بشكل عام، فإن لحام الليزر للفولاذ الكربوني له تأثير جيد، وتعتمد جودة اللحام بشكل أساسي على محتوى الشوائب.
كما هو الحال مع عمليات اللحام الأخرى، فإن الكبريت والفوسفور من العوامل التي تؤثر على حساسية شقوق اللحام.
من أجل تحقيق جودة لحام مرضية، يلزم إجراء التسخين المسبق عندما يتجاوز محتوى الكربون 0.25%.
عند لحام الفولاذ بمحتوى كربون مختلف، يوصى بإمالة شعلة اللحام قليلاً إلى جانب المادة منخفضة الكربون لضمان جودة المفصل.
بسبب محتواه العالي من الكبريت والفوسفور، فإن الفولاذ المغلي منخفض الكربون غير مناسب لعملية اللحام بالليزر.
بفضل محتوى الشوائب المنخفض، فإن تأثير اللحام للفولاذ المهدئ منخفض الكربون ممتاز.
يمكن أيضًا لحام الفولاذ متوسط وعالي الكربون والفولاذ السبائكي العادي بالليزر بفعالية. ومع ذلك، يلزم التسخين المسبق والمعالجة اللاحقة للحام لإزالة الإجهاد ومنع تكوّن الشقوق.
5. لحام الفولاذ بالليزر:
5.1 اللحام بالليزر للفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي العادي:
بشكل عام، يتمتع الفولاذ الكربوني بأداء جيد في اللحام بالليزر، وتتأثر جودة اللحام بمحتوى الشوائب.
على غرار تقنيات اللحام الأخرى، يعتبر الكبريت والفوسفور من العوامل الرئيسية التي تسبب شقوق اللحام.
عندما يتجاوز محتوى الكربون 0.25%، يجب إجراء التسخين المسبق لتحقيق جودة اللحام المثالية.
عند لحام الفولاذ بمحتوى كربون مختلف، قم بإمالة شعلة اللحام إلى الجانب ذي المحتوى الكربوني المنخفض لضمان جودة المفصل.
بسبب المحتوى العالي من الكبريت والفوسفور، لا ينصح باستخدام اللحام بالليزر للصلب المغلي منخفض الكربون.
يتميز الفولاذ منخفض الكربون بتأثير لحام ممتاز بسبب محتواه المنخفض من الشوائب.
يمكن لحام الفولاذ المتوسط والعالي الكربون والفولاذ السبائكي العادي بالليزر بشكل فعال، ولكن هناك حاجة إلى التسخين المسبق والمعالجة بعد اللحام للقضاء على الإجهاد ومنع تكوين الشقوق.
5.2 اللحام بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ:
بشكل عام، يُعدّ لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر أسهل في الحصول على وصلات عالية الجودة مقارنةً باللحام التقليدي. ويرجع ذلك إلى صغر المنطقة المتأثرة بالحرارة وسرعة اللحام العالية، مما يُسهّل عملية التحسس.
بالمقارنة مع الفولاذ الكربوني، يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ بموصلية حرارية أقل ويكون من الأسهل تحقيق اللحام العميق واللحامات الضيقة.
5.3 اللحام بالليزر بين المعادن المختلفة:
تتميز عملية اللحام بالليزر بسرعة تبريد عالية ومنطقة صغيرة متأثرة بالحرارة، مما يخلق ظروفًا مواتية لتوافق مواد الأنسجة المختلفة بعد ذوبان مجموعة متنوعة من المعادن المختلفة.