مبدأ اللحام بالليزر
يمكن تحقيق اللحام بالليزر عن طريق أشعة الليزر المستمرة أو النبضية. يمكن تقسيم مبدأ اللحام بالليزر إلى اللحام بالتوصيل الحراري ولحام الاختراق العميق بالليزر. عندما تكون كثافة الطاقة أقل من 104 ~ 105 واط / سم 2 ، فهو لحام بالتوصيل الحراري. في هذا الوقت ، يكون عمق الاختراق ضحلًا وسرعة اللحام بطيئة ؛ عندما تكون كثافة الطاقة أكبر من 105 ~ 107 واط / سم 2 ، يتم غرق السطح المعدني في "تجاويف" عن طريق التسخين ، وتشكيل لحام عميق الاختراق ، والذي يتميز بخصائص سرعة اللحام السريعة ونسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة.
مبدأ اللحام بالليزر بالتوصيل الحراري هو: إشعاع الليزر يسخن السطح المراد معالجته ، وتنتشر حرارة السطح إلى الداخل من خلال التوصيل الحراري. من خلال التحكم في عرض نبضة الليزر والطاقة وقوة الذروة وتردد التكرار ومعلمات الليزر الأخرى ، يتم صهر قطعة العمل لتشكيل حوض مصهور محدد. .
آلة اللحام بالليزر المستخدمة في لحام التروس ولحام اللوح الرقيق المعدني تتضمن بشكل أساسي اللحام بالاختراق العميق بالليزر. يركز ما يلي على مبدأ اللحام بالاختراق العميق بالليزر.
يستخدم اللحام بالاختراق العميق بالليزر عمومًا حزم ليزر مستمرة لإكمال توصيل المواد ، كما أن عمليتها الفيزيائية المعدنية تشبه إلى حد بعيد لحام شعاع الإلكترون ، أي أن آلية تحويل الطاقة تكتمل من خلال هيكل "ثقب المفتاح". تحت إشعاع ليزر عالي الكثافة بدرجة كافية ، تتبخر المادة وتشكل مسامًا صغيرة. هذا الثقب الصغير المليء بالبخار يشبه الجسم الأسود ، يمتص تقريبًا كل طاقة الحزمة الساقطة ، وتصل درجة حرارة التوازن في التجويف إلى حوالي 2500 0 درجة مئوية. تنتقل الحرارة من الجدار الخارجي للتجويف ذي درجة الحرارة العالية لصهر المعدن المحيط بالتجويف. تمتلئ الفتحة الصغيرة بالبخار ذي درجة الحرارة العالية الناتج عن التبخر المستمر لمادة الجدار تحت إشعاع العارضة ، وجدران الفتحة الصغيرة محاطة بمعدن منصهر ، والمعدن السائل محاط بمواد صلبة (أثناء وجوده في معظم عمليات اللحام التقليدية واللحام بالتوصيل بالليزر ، يتم ترسيب الطاقة أولاً على سطح قطعة العمل ، ثم يتم نقلها إلى الداخل عن طريق ناقل الحركة). يحافظ تدفق السائل خارج جدار المسام والتوتر السطحي لطبقة الجدار على توازن ديناميكي مع ضغط البخار المتولد باستمرار في تجويف المسام. يدخل الشعاع باستمرار إلى الفتحة الصغيرة ، وتتدفق المادة الموجودة خارج الفتحة الصغيرة باستمرار. أثناء تحرك الحزمة ، يكون الثقب الصغير دائمًا في حالة تدفق مستقرة. وهذا يعني أن الثقب الصغير والمعدن المنصهر المحيط بجدار الفتحة يتحركان للأمام مع السرعة الأمامية للحزمة الأمامية ، ويملأ المعدن المنصهر الفجوة التي خلفها الثقب الصغير ثم يتكثف ، بحيث يتم تشكيل اللحام. تحدث كل هذه العملية المذكورة أعلاه بسرعة كبيرة بحيث يمكن أن تصل سرعات اللحام بسهولة إلى عدة أمتار في الدقيقة.
02
معلمات العملية الرئيسية للحام اختراق عميق بالليزر
1) قوة الليزر. هناك قيمة حدية لكثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر. أقل من هذه القيمة ، يكون عمق الاختراق ضحلًا جدًا. بمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها ، سيزداد عمق الاختراق بشكل كبير. يتم إنشاء البلازما فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل قيمة عتبة (اعتمادًا على المادة) ، مما يشير إلى تقدم اللحام المستقر بالاختراق العميق. إذا كانت طاقة الليزر أقل من هذا الحد ، فسيتم فقط ذوبان سطح قطعة العمل ، أي يتم اللحام بتوصيل حراري ثابت. عندما تكون كثافة طاقة الليزر قريبة من الحالة الحرجة لتشكيل ثقوب صغيرة ، يتم إجراء اللحام بالاختراق العميق ولحام التوصيل بالتناوب ، والتي تصبح 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 قدرة الحزمة وهو دالة لقوة الحزمة الساقطة والبقع البؤرية للشعاع. بشكل عام ، بالنسبة لشعاع ليزر بقطر معين ، يزداد عمق الاختراق كلما زادت قوة الحزمة.
2) بقعة بؤرية الشعاع. يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر لأنه يحدد كثافة الطاقة. لكن بالنسبة لليزر عالي الطاقة ، يعد قياسه مشكلة صعبة ، على الرغم من وجود العديد من تقنيات القياس غير المباشرة.
يمكن حساب حجم البقعة المحدود للحيود لتركيز الحزمة وفقًا لنظرية حيود الضوء ، ولكن نظرًا لوجود انحراف عدسة التركيز ، يكون حجم البقعة الفعلي أكبر من القيمة المحسوبة. أبسط طريقة عملية هي طريقة التنميط متساوي الحرارة ، والتي تقيس البقعة البؤرية وقطر الثقب بعد تفحم واختراق لوح بولي بروبيلين بورق سميك. تحتاج هذه الطريقة إلى إتقان طاقة الليزر ووقت عمل الحزمة من خلال ممارسة القياس.
3) قيمة امتصاص المواد. يعتمد امتصاص المواد لضوء الليزر على بعض الخصائص المهمة للمواد ، مثل: الامتصاصية ، والانعكاسية ، والتوصيل الحراري ، ودرجة حرارة الانصهار ، ودرجة حرارة التبخر ، وما إلى ذلك ، وأهمها الامتصاصية.
تشمل العوامل التي تؤثر على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر جانبين: الأول هو مقاومة المادة. بعد قياس معدل امتصاص السطح المصقول للمادة ، وجد أن معدل امتصاص المادة يتناسب مع الجذر التربيعي للمقاومة ، وتختلف المقاومة باختلاف درجة الحرارة. ثانيًا ، يكون لحالة السطح (أو النعومة) للمادة تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الحزمة ، مما يؤثر بشكل كبير على تأثير اللحام.
عادة ما يكون الطول الموجي الناتج من ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6 ميكرومتر. يكون معدل امتصاص السيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك وغير ذلك من المواد غير المعدنية مرتفعًا جدًا في درجة حرارة الغرفة ، بينما يكون معدل امتصاص المواد المعدنية ضعيفًا جدًا في درجة حرارة الغرفة ، حتى تذوب المادة أو حتى الغاز ، ويزداد امتصاصها بشكل كبير. إنه فعال للغاية لتحسين امتصاص المواد لحزم الضوء باستخدام طلاء السطح أو تشكيل طبقة أكسيد السطح.
4) سرعة اللحام. سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الاختراق. ستؤدي زيادة السرعة إلى جعل الاختراق سطحيًا ، 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 معينة وسمك معين ، ويمكن الحصول على أقصى عمق اختراق عند قيمة السرعة المقابلة. يوضح الشكل 10-2 العلاقة بين سرعة اللحام وعمق الاختراق للفولاذ 1018.
5) الغاز الواقي. غالبًا ما يستخدم الغاز الخامل لحماية البركة المنصهرة في عملية اللحام بالليزر. عندما يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح ، قد لا يتم النظر في الحماية ، ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات ، غالبًا ما يتم استخدام الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى كحماية لجعل قطعة العمل محمية من الأكسدة أثناء اللحام.
لا يتأين الهيليوم بسهولة (طاقة تأين أعلى) ، مما يسمح بمرور الليزر بسلاسة ، وتصل طاقة الحزمة إلى سطح قطعة العمل دون عائق. هذا هو غاز التدريع الأكثر فعالية المستخدم في اللحام بالليزر ، لكنه أغلى ثمناً.
غاز الأرجون أرخص وأكثر كثافة ، وبالتالي فإن تأثير الحماية أفضل. ومع ذلك ، فهو عرضة لتأين البلازما المعدني عالي الحرارة ، والذي يحمي جزءًا من الحزمة من الاصطدام بقطعة العمل ، ويقلل من طاقة الليزر الفعالة للحام ، كما يضر بسرعة اللحام والاختراق. يكون سطح اللحام المحمي بالأرجون أكثر سلاسة من السطح المحمي بالهيليوم.
النيتروجين هو أرخص غازات التدريع ، ولكنه غير مناسب للحام بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ، ويرجع ذلك أساسًا إلى المشاكل المعدنية ، مثل الامتصاص ، والذي ينتج أحيانًا المسامية في المنطقة المتداخلة.
تتمثل الوظيفة الثانية لاستخدام غاز التدريع في حماية عدسة التركيز البؤري من تلوث بخار المعدن ورذاذ قطرات السائل. خاصة في اللحام بالليزر عالي الطاقة ، نظرًا لأن الطرد يصبح قويًا جدًا ، فمن الضروري حماية العدسة في هذا الوقت.
الوظيفة الثالثة لغاز التدريع هي أنه فعال للغاية في تبديد درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويتأين في سحابة بلازما ، كما يتأين الغاز الواقي حول بخار المعدن بسبب الحرارة. في حالة وجود الكثير من البلازما ، تستهلك البلازما شعاع الليزر إلى حد ما. توجد البلازما على سطح العمل كطاقة ثانية ، مما يجعل الاختراق ضحلًا ويتسع سطح حوض اللحام. يتم زيادة معدل إعادة تركيب الإلكترونات عن طريق زيادة تصادمات الأجسام الثلاثة للإلكترونات مع الأيونات والذرات المحايدة لتقليل كثافة الإلكترونات في البلازما. كلما كانت الذرات المحايدة أخف ، زاد تردد الاصطدام وزاد معدل إعادة التركيب ؛ من ناحية أخرى ، فقط الغاز الواقي ذو طاقة التأين العالية لن يزيد من كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.
يختلف حجم سحابة البلازما باختلاف غاز التدريع المستخدم ، حيث يكون الهيليوم هو الأصغر ، والنيتروجين هو الثاني ، والأرجون هو الأكبر. كلما كان حجم البلازما أكبر ، كلما كان الاختراق أقل. يرجع سبب هذا الاختلاف أولاً إلى اختلاف درجة تأين جزيئات الغاز ، وأيضًا بسبب الاختلاف في انتشار بخار المعدن الناجم عن كثافات مختلفة من غاز التدريع.
الهيليوم هو الغاز الأقل تأينًا والأقل كثافة ، وهو يطرد بسرعة الأبخرة المعدنية المتصاعدة الناتجة عن حمام المعدن المنصهر. لذلك ، يمكن أن يؤدي استخدام الهليوم كغاز واقٍ إلى كبح البلازما إلى أقصى حد ، وبالتالي زيادة عمق الاختراق وزيادة سرعة اللحام ؛ بسبب وزنه الخفيف ، يمكنه الهروب وليس من السهل إحداث المسام. بالطبع ، من تأثير اللحام الفعلي ، فإن تأثير حماية الأرجون ليس سيئًا.
يكون تأثير سحابة البلازما على الاختراق أكثر وضوحًا في منطقة سرعة اللحام المنخفضة. يتضاءل تأثيره مع زيادة سرعة اللحام.
يتم حقن غاز التدريع عند ضغط معين من خلال الفوهة للوصول إلى سطح قطعة العمل. الشكل الهيدروديناميكي للفوهة وقطر المخرج مهمان للغاية. يجب أن تكون كبيرة بما يكفي لتشغيل غاز التدريع المرشوشة لتغطية سطح اللحام ، ولكن من أجل حماية العدسة بشكل فعال ومنع بخار المعدن من التلوث أو تناثر المعدن من إتلاف العدسة ، يجب أيضًا تحديد حجم الفوهة. يجب أيضًا التحكم في معدل التدفق ، وإلا سيصبح التدفق الصفحي لغاز التدريع مضطربًا ، وسيشترك الغلاف الجوي في البركة المنصهرة ، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين المسام.
من أجل تحسين التأثير الوقائي ، يمكن أيضًا استخدام طريقة نفخ جانبية إضافية ، أي من خلال فوهة بقطر أصغر ، يتم حقن الغاز الواقي مباشرة في الفتحة الصغيرة للحام الاختراق العميق بزاوية معينة. لا يمنع غاز التدريع سحابة البلازما على سطح قطعة العمل فحسب ، بل يؤثر أيضًا على تكوين البلازما والثقوب الصغيرة في الفتحة ، ويزيد من عمق الاختراق ، ويحصل على لحام بنسبة عرض عميقة مثالية . ومع ذلك ، تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في حجم واتجاه تدفق الهواء ، وإلا فمن المحتمل أن يحدث تدفق مضطرب ويدمر البركة المنصهرة ، مما يجعل عملية اللحام صعبة التثبيت.
6) البعد البؤري للعدسة. عادةً ما تُستخدم طريقة التركيز لتكثيف الليزر أثناء اللحام ، وتستخدم بشكل عام عدسة ذات طول بؤري من 63 إلى 254 مم (2.5 "~ 10"). حجم التركيز البؤري يتناسب مع الطول البؤري ، فكلما كان الطول البؤري أقصر ، كانت البقعة أصغر. لكن البعد البؤري يؤثر أيضًا على العمق البؤري ، أي أن العمق البؤري يزداد بشكل متزامن مع الطول البؤري ، لذلك يمكن أن يزيد الطول البؤري القصير من كثافة الطاقة ، ولكن بسبب العمق البؤري الصغير ، المسافة بين العدسة وقطعة العمل يجب الحفاظ عليها بدقة ، وعمق الاختراق ليس كبيرًا. نظرًا لتأثير وضع الرش والليزر المتولد في عملية اللحام ، فإن أقصر عمق بؤري مستخدم في اللحام الفعلي هو في الغالب الطول البؤري البالغ 126 مم (5 بوصات). عندما يكون المفصل كبيرًا أو يلزم زيادة خط اللحام بالزيادة حجم البقعة ، يمكنك اختيار عدسة ذات طول بؤري 254 مم (10 بوصات). في هذه الحالة ، من أجل تحقيق تأثير اختراق الثقب العميق ، يلزم وجود طاقة إخراج ليزر أعلى (كثافة الطاقة).
عندما تتجاوز طاقة الليزر 2 كيلو واط ، خاصة بالنسبة لشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6 ميكرومتر ، بسبب استخدام مواد بصرية خاصة لتشكيل النظام البصري ، من أجل تجنب خطر التلف البصري لعدسة التركيز ، غالبًا ما تكون طريقة التركيز الانعكاسي تستخدم ، والمرآة النحاسية المصقولة عمومًا تستخدم كعاكس. يوصى به غالبًا لتركيز أشعة الليزر عالية الطاقة بسبب التبريد الفعال.
7) موقف التركيز. عند اللحام ، يكون موضع التركيز البؤري أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على كثافة طاقة كافية. تؤثر التغييرات في الموضع النسبي للنقطة المحورية وسطح قطعة العمل بشكل مباشر على عرض وعمق اللحام. يوضح الشكل 2-6 تأثير موضع التركيز على عمق الاختراق وعرض التماس للفولاذ 1018.
في معظم تطبيقات اللحام بالليزر ، توجد النقطة المحورية عادةً ما يقرب من 1/4 من عمق الاختراق المطلوب أسفل سطح قطعة العمل.
8) موقف شعاع الليزر. عند استخدام مواد غير متشابهة في اللحام بالليزر ، يتحكم موضع شعاع الليزر في الجودة النهائية للحام ، خاصة في حالة الوصلات التناكبية أكثر من الوصلات التداخلية. على سبيل المثال ، عندما يتم لحام ترس فولاذي مقوى بأسطوانة فولاذية معتدلة ، فإن التحكم المناسب في موضع شعاع الليزر سيساعد في إنتاج لحام بمكون منخفض الكربون في الغالب يكون مقاومًا للتشقق نسبيًا. في بعض التطبيقات ، تتطلب هندسة قطعة العمل المراد لحامها أن تنحرف شعاع الليزر بزاوية. عندما تكون زاوية الانحراف بين محور الحزمة ومستوى المفصل في حدود 100 درجة ، فلن يتأثر امتصاص طاقة الليزر بواسطة قطعة العمل.
9) التحكم في الصعود والسقوط التدريجي لطاقة الليزر عند نقاط بداية ونهاية اللحام. أثناء اللحام بالاختراق العميق بالليزر ، توجد دائمًا ثقوب صغيرة بغض النظر عن عمق اللحام. عند إنهاء عملية اللحام وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة ، ستظهر حفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر خط اللحام الأصلي ، يحدث امتصاص مفرط لشعاع الليزر ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللحام أو تكوين المسام.
من أجل منع حدوث الظاهرة المذكورة أعلاه ، يمكن برمجة نقاط بدء الطاقة وإيقافها لجعل وقت بدء الطاقة ونهايتها قابلين للتعديل ، أي يتم زيادة الطاقة الأولية إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة في وقت قصير ، ويمكن تعديل اللحام. الوقت ، وأخيرًا يتم تقليل الطاقة تدريجيًا من الطاقة المحددة إلى الصفر عند إنهاء اللحام.
03
ميزات ومزايا وعيوب اللحام بالليزر للاختراق العميق
ملامح اللحام اختراق عميق بالليزر
1) نسبة ارتفاع عالية. عندما يتشكل المعدن المنصهر حول التجويف الأسطواني للبخار الساخن ويمتد باتجاه قطعة العمل ، يصبح اللحام عميقًا وضيقًا.
2) الحد الأدنى من مدخلات الحرارة. نظرًا لأن درجة الحرارة في الفتحة الصغيرة مرتفعة جدًا ، تحدث عملية الانصهار بسرعة كبيرة ، ويكون إدخال الحرارة في قطعة العمل منخفضًا جدًا ، ويكون التشوه الحراري والمنطقة المتأثرة بالحرارة صغيرة.
3) كثافة عالية. لأن المسام الصغيرة المليئة بالبخار ذو درجة الحرارة العالية تساعد على تحريك حوض اللحام وهروب الغاز ، مما يؤدي إلى اختراق اللحام بدون مسام. يمكن لمعدل التبريد العالي بعد اللحام أن يجعل هيكل اللحام أدق بسهولة.
4) اللحامات القوية. بسبب مصدر الحرارة المحترق والامتصاص الكافي للمكونات غير المعدنية ، يتم تقليل محتوى الشوائب ، ويتم تغيير حجم الشوائب وتوزيعها في البركة المنصهرة. لا تتطلب عملية اللحام أقطابًا كهربائية أو أسلاك حشو ، وتكون منطقة الانصهار أقل تلوثًا ، بحيث تكون قوة وصلابة اللحام على الأقل مساوية أو أعلى من تلك الموجودة في المعدن الأصلي.
5) التحكم الدقيق. نظرًا لأن بقعة الضوء المركزة صغيرة ، يمكن وضع خط اللحام بدقة عالية. لا يحتوي إخراج الليزر على "قصور ذاتي" ، ويمكن إيقافه وإعادة تشغيله بسرعة عالية ، ويمكن لحام قطعة العمل المعقدة بتقنية حركة شعاع التحكم العددي.
6) عملية اللحام الجوي غير المتصل. نظرًا لأن الطاقة تأتي من حزمة الفوتون ، فلا يوجد اتصال مادي بقطعة العمل ، لذلك لا يتم تطبيق أي قوة خارجية على قطعة العمل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المغناطيسية والهواء ليس لهما تأثير على ضوء الليزر.
مزايا اللحام بالاختراق العميق بالليزر
1) نظرًا لأن الليزر المركز لديه كثافة طاقة أعلى بكثير من الطرق التقليدية ، فإن سرعة اللحام سريعة ، والمنطقة المتأثرة بالحرارة والتشوه صغيران ، ويمكن أيضًا لحام المواد التي يصعب لحامها مثل التيتانيوم.
2) لأن الشعاع سهل النقل والتحكم ، ولا توجد حاجة لاستبدال الشعلة والفوهة بشكل متكرر ، ولا يوجد فراغ مطلوب لحام شعاع الإلكترون ، مما يقلل بشكل كبير من وقت التوقف الإضافي ، وبالتالي فإن عامل التحميل و كفاءة الإنتاج عالية.
3) بسبب تأثير التنقية ومعدل التبريد العالي ، فإن قوة اللحام والمتانة والأداء الشامل عالية.
4) نظرًا لانخفاض متوسط إدخال الحرارة ودقة المعالجة العالية ، يمكن تقليل تكاليف إعادة المعالجة ؛ بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة تشغيل اللحام بالليزر منخفضة أيضًا ، مما يقلل من تكاليف معالجة قطع العمل.
5) يمكن أن تتحكم بشكل فعال في شدة الشعاع والموضع الدقيق ، ومن السهل تحقيق التشغيل التلقائي.
عيوب اللحام بالليزر للاختراق العميق
1) عمق اللحام محدود.
2) متطلبات التجميع لقطع العمل عالية.
3) الاستثمار لمرة واحدة لنظام الليزر مرتفع نسبيًا
