معلمات عملية اللحام بالليزر الرئيسية

1) قوة الليزر. هناك حد لكثافة طاقة الليزر في اللحام بالليزر، يكون عمق الذوبان تحته ضحلاً، وبمجرد الوصول إلى هذه القيمة أو تجاوزها، يزداد عمق الذوبان بشكل كبير. فقط عندما تتجاوز كثافة طاقة الليزر على قطعة العمل الحد الأدنى (يعتمد على المادة)، يتم إنشاء البلازما، مما يشير إلى استقرار اللحام بالصهر العميق. إذا كانت طاقة الليزر أقل من هذا الحد، فإن قطعة الشغل تخضع فقط لذوبان السطح، أي أن عملية اللحام تتم في نوع نقل حرارة مستقر. عندما تكون كثافة طاقة الليزر قريبة من الحالة الحرجة لتشكيل ثقب صغير، يتناوب اللحام بالصهر العميق واللحام بالتوصيل وتصبح عمليات لحام غير مستقرة، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في عمق الذوبان. في لحام الاندماج العميق بالليزر، تتحكم قوة الليزر في كل من عمق الاختراق وسرعة اللحام، كما هو موضح في الشكل 1. يرتبط عمق لحام الذوبان ارتباطًا مباشرًا بكثافة طاقة الشعاع وهو دالة لقوة الشعاع الساقط ونقطة بؤرة الشعاع. بشكل عام، بالنسبة لقطر معين من شعاع الليزر، يزداد عمق الذوبان مع زيادة قوة الشعاع.

2) شعاع البؤرة. يعد حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في اللحام بالليزر، حيث أنه يحدد كثافة الطاقة. ومع ذلك، فإن قياسه يمثل تحديًا لأجهزة الليزر عالية الطاقة، على الرغم من توفر العديد من تقنيات القياس غير المباشرة بالفعل.

يمكن حساب حجم بقعة حد الحيود البؤري للشعاع من نظرية حيود الضوء، لكن البقعة الفعلية أكبر من القيمة المحسوبة بسبب وجود انحراف عدسة التركيز. إن أبسط طريقة للقياس الحقيقي هي طريقة الملف متساوي الحرارة، وهي قياس النقطة البؤرية وقطر الثقب بعد حرق واختراق لوح البولي بروبيلين بورق سميك. وينبغي قياس هذه الطريقة بالممارسة، وإتقان حجم قوة الليزر ووقت عمل الشعاع.

3) قيمة امتصاص المواد. يعتمد امتصاص المادة لليزر على بعض الخصائص المهمة للمادة، مثل معدل الامتصاص، والانعكاسية، والتوصيل الحراري، ودرجة حرارة الانصهار، ودرجة حرارة التبخر، وما إلى ذلك، وأهمها هو معدل الامتصاص.

العوامل المؤثرة على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر تشمل جانبين: أولاً، مقاومة المادة. وبعد قياس معدل امتصاص السطح المصقول للمادة وجد أن معدل امتصاص المادة يتناسب مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة والذي بدوره يتغير مع درجة الحرارة؛ ثانيًا، حالة السطح (أو النهاية) للمادة لها تأثير أكثر أهمية على معدل امتصاص الشعاع، وبالتالي يكون لها تأثير كبير على تأثير اللحام.

عادة ما يكون الطول الموجي لإخراج ليزر ثاني أكسيد الكربون 10.6 ميكرومتر، والسيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك وغيرها من المعادن غير المعدنية، ومعدل امتصاصها في درجة حرارة الغرفة مرتفع جدًا، في حين أن امتصاص المواد المعدنية في درجة حرارة الغرفة ضعيف جدًا، حتى تذوب المادة أو حتى تتبخر، يزداد امتصاصها بشكل حاد. يعد استخدام طلاء السطح أو طريقة توليد طبقة الأكسيد السطحية لتحسين امتصاص المادة للشعاع فعالاً للغاية.

4) سرعة اللحام. سرعة اللحام لها تأثير كبير على عمق الذوبان، زيادة السرعة ستجعل عمق الذوبان ضحلًا، لكن السرعة منخفضة جدًا وستؤدي إلى ذوبان مفرط للمادة، يتم لحام قطعة العمل من خلالها. لذلك، فإن قوة ليزر معينة وسمك معين لمادة معينة لها نطاق مناسب من سرعة اللحام، حيث يمكن الحصول على قيمة السرعة المقابلة عند الحد الأقصى لعمق الذوبان. الشكل 2 يعطي العلاقة بين سرعة اللحام وعمق الذوبان للفولاذ 1018.

5) الغاز الواقي. غالبًا ما تستخدم عملية اللحام بالليزر غازًا خاملًا لحماية حوض الذوبان، عندما يتم لحام بعض المواد بغض النظر عن أكسدة السطح، فلا تعتبر أيضًا حماية، ولكن بالنسبة لمعظم التطبيقات غالبًا ما يستخدم الهيليوم والأرجون والنيتروجين والغازات الأخرى للحماية، بحيث تكون قطعة العمل من الأكسدة أثناء عملية اللحام.

لا يتأين الهيليوم بسهولة (طاقة التأين عالية)، مما يسمح لليزر بالمرور وطاقة الشعاع للوصول إلى سطح قطعة العمل دون عوائق. وهو غاز الحماية الأكثر فعالية المستخدم في اللحام بالليزر، ولكنه أكثر تكلفة.

الأرجون أرخص وأكثر كثافة، لذا فهو يوفر حماية أفضل. ومع ذلك، فهو عرضة لتأين البلازما المعدنية بدرجة حرارة عالية، مما يؤدي إلى حماية جزء من الشعاع لقطعة العمل، مما يقلل من قوة الليزر الفعالة للحام ويضعف أيضًا سرعة اللحام وعمق الذوبان. يكون سطح الجزء الملحوم أكثر سلاسة مع حماية الأرجون مقارنة بحماية الهيليوم.

يعتبر النيتروجين أرخص غاز حماية، ولكنه غير مناسب لبعض أنواع لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشاكل معدنية، مثل الامتصاص، والذي ينتج أحيانًا مسامية في منطقة اللفة.

الدور الثاني لاستخدام غاز التدريع هو حماية عدسة التركيز من تلوث البخار المعدني وتناثر القطرات السائلة المنصهرة. وهذا ضروري بشكل خاص في اللحام بالليزر عالي الطاقة، حيث تصبح القاذفات قوية جدًا.

الوظيفة الثالثة لغاز التدريع هي أنه فعال في تشتيت درع البلازما الناتج عن اللحام بالليزر عالي الطاقة. يمتص البخار المعدني شعاع الليزر ويتأين في سحابة البلازما، ويتأين الغاز الواقي حول بخار المعدن أيضًا بالحرارة. في حالة وجود الكثير من البلازما، يتم استهلاك شعاع الليزر بواسطة البلازما إلى حد ما. إن وجود البلازما كطاقة ثانية على سطح العمل يجعل عمق الذوبان أقل سطحية وسطح حوض اللحام أوسع. يتم زيادة معدل تعقيد الإلكترون عن طريق زيادة عدد تصادمات الأجسام الثلاثة بين الأيونات الإلكترونية والذرة المحايدة لتقليل كثافة الإلكترون في البلازما. كلما كانت الذرة المحايدة أخف، كلما زاد تردد الاصطدام، زاد معدل المركب؛ ومن ناحية أخرى، فقط طاقة التأين العالية للغاز التدريعي، حتى لا تزيد كثافة الإلكترون بسبب تأين الغاز نفسه.

وكما يتبين من الجدول، فإن حجم سحابة البلازما يختلف باختلاف الغاز الواقي المستخدم، حيث يكون الهيليوم هو الأصغر، يليه النيتروجين، والأكبر عند استخدام الأرجون. كلما زاد حجم البلازما، كلما كان عمق الانصهار أقل عمقا. يرجع سبب هذا الاختلاف أولاً إلى اختلاف درجة تأين جزيئات الغاز وأيضًا إلى اختلاف انتشار البخار المعدني الناتج عن اختلاف كثافات الغازات الواقية.

الهيليوم هو الأقل تأينا والأقل كثافة، وهو يبدد بسرعة البخار المعدني المتصاعد من تجمع المعدن المنصهر. ولذلك، فإن استخدام الهيليوم كغاز درع يمكن أن يزيد من قمع البلازما، وبالتالي زيادة عمق الذوبان وتحسين سرعة اللحام؛ ليس من السهل أن تسبب المسامية بسبب وزنها الخفيف وقدرتها على الهروب. وبطبيعة الحال، من نتائج اللحام الفعلية لدينا، فإن تأثير الحماية بغاز الأرجون ليس سيئا.

سحابة البلازما على عمق الذوبان في منطقة سرعة اللحام المنخفضة هي الأكثر وضوحًا. عندما تزيد سرعة اللحام يضعف تأثيرها.

يتم إخراج غاز التدريع من خلال فتحة الفوهة عند ضغط معين للوصول إلى سطح قطعة العمل. إن الشكل الهيدروديناميكي للفوهة وحجم قطر المخرج مهمان للغاية. يجب أن تكون كبيرة بما يكفي لدفع غاز الحماية المرشوش لتغطية سطح اللحام، ولكن من أجل حماية العدسة بشكل فعال ومنع تلوث البخار المعدني أو تلف العدسة المعدنية، يجب أيضًا أن يكون حجم الفوهة محدودًا. يجب أيضًا التحكم في معدل التدفق، وإلا فإن التدفق الصفحي لغاز التدريع يصبح مضطربًا ويصبح الغلاف الجوي متورطًا في البركة المنصهرة، مما يؤدي في النهاية إلى تشكيل المسامية.

من أجل تحسين تأثير الحماية، تتوفر أيضًا طريقة نفخ جانبية إضافية، أي من خلال فوهة ذات قطر أصغر، سيتم توصيل الغاز الواقي بزاوية معينة مباشرة إلى ثقب اللحام المنصهر العميق. لا يقوم غاز التدريع بقمع سحابة البلازما على سطح قطعة العمل فحسب، بل يمارس أيضًا تأثيرًا على البلازما الموجودة في الثقب وتكوين الثقب الصغير، مما يزيد من عمق الانصهار والحصول على وصلة لحام أعمق وأوسع مما هو مرغوب فيه. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في حجم واتجاه تدفق الغاز، وإلا فمن السهل إحداث اضطراب وإتلاف حوض الذوبان، مما يؤدي إلى صعوبة استقرار عملية اللحام.

6) البعد البؤري للعدسة. عادة ما يستخدم اللحام للتركيز على طريقة تقارب الليزر، والاختيار العام هو 63 ~ 254 مم (2.5 '~ 10') البعد البؤري للعدسة. يتناسب حجم البقعة المركزة مع البعد البؤري، فكلما كان الطول البؤري أقصر، كانت البقعة أصغر. لكن البعد البؤري يؤثر أيضًا على العمق البؤري، أي أن العمق البؤري يزيد في وقت واحد مع البعد البؤري، لذلك يمكن للبعد البؤري القصير تحسين كثافة الطاقة، ولكن بسبب العمق البؤري الصغير، يجب الحفاظ على المسافة بين العدسة وقطعة العمل بدقة، وعمق الانصهار ليس كبيرًا. نظرًا لتأثير التناثر المتولد أثناء عملية اللحام ووضع الليزر، فإن اللحام الفعلي باستخدام أقصر عمق للتركيز يبلغ طولًا بؤريًا أكبر يبلغ 126 مم (5 بوصات). عندما يكون خط التماس كبيرًا أو يلزم زيادة خط اللحام عن طريق زيادة حجم البقعة، يمكن اختيار عدسة ذات طول بؤري يبلغ 254 مم (10 بوصات)، وفي هذه الحالة تكون هناك حاجة إلى طاقة خرج ليزر أعلى (كثافة الطاقة) لتحقيق تأثير ثقب صغير ذوبان عميق.

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، لتجنب خطر الضرر البصري لعدسة التركيز، غالبًا ما تختار طريقة تركيز الانعكاس، بشكل عام باستخدام مرآة نحاسية مصقولة للعاكس. نظرًا للتبريد الفعال، غالبًا ما يوصى بتركيز شعاع الليزر عالي الطاقة.

7) موقف نقطة التركيز. اللحام، من أجل الحفاظ على كثافة طاقة كافية، فإن موضع النقطة المحورية أمر بالغ الأهمية. تؤثر التغييرات في موضع النقطة المحورية بالنسبة لسطح قطعة العمل بشكل مباشر على عرض اللحام وعمقه. يوضح الشكل 3 تأثير موضع النقطة المحورية على عمق الذوبان وعرض التماس للفولاذ 1018. في معظم تطبيقات اللحام بالليزر، يتم وضع النقطة البؤرية عادةً على مسافة 1/4 تقريبًا من عمق الذوبان 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 التي تكون أكثر حساسية لذلك من الوصلات اللفة. على سبيل المثال، عندما يتم لحام التروس الفولاذية المقساة ببراميل من الفولاذ الطري، فإن التحكم المناسب في موضع شعاع الليزر سيسهل إنتاج اللحام بمكون منخفض الكربون في الغالب، والذي يتمتع بمقاومة أفضل للتشقق. 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) بداية اللحام ونقطة النهاية لارتفاع قوة الليزر تدريجيًا والتحكم في الانخفاض التدريجي. اللحام بالليزر العميق، بغض النظر عن عمق اللحام، فإن ظاهرة الثقوب الصغيرة موجودة دائمًا. عند انتهاء عملية اللحام وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة، ستظهر حفرة في نهاية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، عندما تغطي طبقة اللحام بالليزر اللحام الأصلي، سيكون هناك امتصاص مفرط لشعاع الليزر، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللحام أو مساميةه.

من أجل منع الظواهر المذكورة أعلاه، يمكن برمجة نقاط بدء وتوقف الطاقة بحيث تصبح أوقات بدء وإيقاف الطاقة قابلة للتعديل، أي يتم زيادة قوة البدء إلكترونيًا من الصفر إلى قيمة الطاقة المحددة في فترة زمنية قصيرة ويتم ضبط وقت اللحام، وأخيرًا يتم تقليل الطاقة تدريجيًا من الطاقة المحددة إلى القيمة الصفرية عند إنهاء اللحام.