01 لحام هجين بالليزر والقوس الكهربائي للصفائح السميكة
يلعب لحام الصفائح السميكة (بسماكة ≥ 20 مم) دورًا محوريًا في تصنيع المعدات الضخمة في مجالات حيوية كالفضاء والملاحة وبناء السفن والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها. وتتميز هذه المكونات عادةً بسماكتها الكبيرة، وأشكال وصلاتها المعقدة، وبيئات تشغيلها الصعبة. وتؤثر جودة اللحام تأثيرًا مباشرًا على أداء المعدات وعمرها الافتراضي. ونظرًا لبطء سرعة اللحام ومشاكل تناثر اللحام الخطيرة، تواجه طريقة اللحام التقليدية المحمية بالغاز تحدياتٍ كضعف كفاءة اللحام، وارتفاع استهلاك الطاقة، والإجهاد المتبقي الكبير، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات التصنيع المتزايدة باستمرار. إلا أن تقنية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي تختلف عن تقنية اللحام التقليدية، إذ تجمع بنجاح بين مزايا...اللحام بالليزروتتميز هذه التقنية، التي تُعرف أيضًا باسم اللحام بالقوس الكهربائي، بعمق اختراق كبير، وسرعة لحام عالية، وكفاءة عالية، وجودة لحام أفضل، كما هو موضح في الشكل 1. ولذلك، فقد حظيت هذه التقنية باهتمام واسع النطاق، وبدأت تُطبق في بعض المجالات الرئيسية.
الشكل 1: مبدأ اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي
02 بحث حول اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي للصفائح السميكة
أجرى المعهد النرويجي للتكنولوجيا الصناعية وجامعة لولي للتكنولوجيا في السويد دراسةً حول التجانس الهيكلي للوصلات الملحومة المركبة عند قدرة 15 كيلوواط لفولاذ منخفض السبائك عالي القوة بسمك 45 مم مُعالج بسبائك دقيقة. واستخدمت جامعة أوساكا والمعهد المركزي لبحوث المعادن في مصر ليزرًا ليفيًّا بقدرة 20 كيلوواط لإجراء بحث حول عملية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي أحادي المرور للصفائح السميكة (25 مم)، باستخدام بطانة سفلية لحل مشكلة الحدبة السفلية. واستخدمت شركة فورس تكنولوجي الدنماركية ليزرين قرصيين بقدرة 16 كيلوواط موصولين على التوالي لإجراء بحث حول اللحام الهجين لصفائح فولاذية بسمك 40 مم عند قدرة 32 كيلوواط، مما يشير إلى إمكانية استخدام اللحام بالليزر والقوس الكهربائي عالي القدرة في لحام قواعد أبراج طاقة الرياح البحرية، كما هو موضح في الشكل 2. وتُعد شركة هاربين للحام المحدودة أول شركة في البلاد تتقن التكنولوجيا الأساسية وتقنية تكامل المعدات للحام الهجين بالليزر الصلب عالي القدرة باستخدام مصدر حرارة قوس كهربائي ذي قطب صهر صلب. إنها المرة الأولى التي يتم فيها تطبيق تقنية ومعدات اللحام الهجين بالقوس الكهربائي باستخدام قطب صهر مزدوج السلك عالي الطاقة بالليزر الصلب بنجاح على المعدات المتطورة في بلدنا.
الشكل 2. مخطط تخطيط تركيب الليزر
وفقًا للأبحاث الحالية حول اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي للصفائح السميكة محليًا وعالميًا، يتضح أن الجمع بين طريقة اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي وتقنية اللحام ذي الفجوة الضيقة يُتيح لحام الصفائح السميكة. عند زيادة قدرة الليزر إلى أكثر من 10000 واط، وتحت تأثير إشعاع الليزر عالي الطاقة، تطرأ تغييرات متفاوتة على سلوك تبخر المادة، وعملية التفاعل بين الليزر والبلازما، وحالة استقرار تدفق حوض المعدن المنصهر، وآلية انتقال الحرارة، والسلوك المعدني للحام. مع زيادة القدرة إلى أكثر من 10000 واط، تُؤدي زيادة كثافة الطاقة إلى تكثيف درجة التبخر في المنطقة المحيطة بالثقب الصغير، وتؤثر قوة الارتداد بشكل مباشر على استقرار الثقب الصغير وتدفق حوض المعدن المنصهر، مما يؤثر على عملية اللحام. لهذه التغييرات تأثير ملحوظ على تطبيق الليزر وعمليات اللحام المركبة. تعكس هذه الظواهر المميزة في عملية اللحام، بشكل مباشر أو غير مباشر، استقرار عملية اللحام إلى حد ما، بل ويمكنها تحديد جودة اللحام. يُتيح تأثير اقتران مصدري الحرارة، الليزر والقوس الكهربائي، لكل منهما الاستفادة القصوى من خصائصه، مما يُحقق نتائج لحام أفضل من اللحام بالليزر أو القوس الكهربائي منفردين. بالمقارنة مع طريقة اللحام الذاتي بالليزر، تتميز هذه الطريقة بقدرة عالية على التكيف مع الفجوات وسماكات لحام كبيرة. وبالمقارنة مع طريقة لحام ملء الفراغات الضيقة بسلك الليزر للصفائح السميكة، تتميز هذه الطريقة بكفاءة عالية في صهر السلك وتأثير دمج جيد في الأخاديد. إضافةً إلى ذلك، يُعزز انجذاب الليزر إلى القوس الكهربائي استقراره، مما يجعل اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي أسرع من اللحام التقليدي بالقوس الكهربائي.لحام الأسلاك الحشوية بالليزر، بكفاءة لحام عالية نسبياً.
03 تطبيق اللحام الهجين عالي الطاقة بالليزر والقوس
تُستخدم تقنية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة على نطاق واسع في صناعة بناء السفن. أنشأت شركة ماير لبناء السفن في ألمانيا خط إنتاج للحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي باستخدام ثاني أكسيد الكربون بقدرة 12 كيلوواط، وذلك للحام ألواح الهيكل المسطحة والدعامات، مما يُتيح تشكيل لحامات زاوية بطول 20 مترًا دفعة واحدة، ويُقلل من درجة التشوه بمقدار الثلثين. طورت شركة جنرال إلكتريك نظام لحام هجين بالليزر والقوس الكهربائي الليفي بقدرة خرج قصوى تبلغ 20 كيلوواط، وذلك للحام حاملة الطائرات الأمريكية ساراتوغا، مما وفر 800 طن من معدن اللحام، وخفض ساعات العمل بنسبة 80%، كما هو موضح في الشكل 3. تعتمد السفينة CSSC 725 نظام لحام هجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة باستخدام ليزر ليفي بقدرة 20 كيلوواط، والذي يُمكنه تقليل تشوه اللحام بنسبة 60%، وزيادة كفاءة اللحام بنسبة 300%. يستخدم حوض بناء السفن في شنغهاي وايغاوكياو نظام لحام هجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة باستخدام ليزر ليفي بقدرة 16 كيلوواط. يعتمد خط الإنتاج تقنية معالجة جديدة تجمع بين اللحام الهجين بالليزر ولحام القوس الكهربائي (MAG) لتحقيق لحام أحادي الجانب بتمريرة واحدة وتشكيل ثنائي الجانب لألواح فولاذية بسماكة تتراوح بين 4 و25 مم. تُستخدم تقنية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة على نطاق واسع في المركبات المدرعة، وتتميز بقدرتها على لحام الهياكل المعدنية المعقدة ذات السماكة الكبيرة، وانخفاض تكلفتها، وكفاءة تصنيعها العالية.
الشكل 3. حاملة الطائرات يو إس إس سارا توغا
طُبقت تقنية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة مبدئيًا في بعض المجالات الصناعية، وستصبح وسيلةً مهمةً لتصنيع الهياكل الكبيرة بكفاءة عالية، ذات سماكات جدارية متوسطة وكبيرة. وحاليًا، لا يزال البحث في آلية عمل هذه التقنية محدودًا، ويحتاج إلى مزيد من البحث، لا سيما فيما يتعلق بتفاعل البلازما الضوئية مع القوس الكهربائي، وتفاعل القوس مع حوض المعدن المنصهر. ولا تزال هناك العديد من المشكلات العالقة في عملية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة، مثل ضيق نطاق التشغيل، وعدم تجانس الخصائص الميكانيكية لبنية اللحام، وتعقيد عملية مراقبة جودة اللحام. ومع ازدياد قدرة خرج الليزر الصناعي تدريجيًا، ستشهد تقنية اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي عالي الطاقة تطورًا سريعًا، وستستمر تقنيات اللحام الهجين بالليزر الجديدة في الظهور. وسيكون التوطين والتوسع والذكاء من أهم التوجهات في تطوير معدات اللحام بالليزر عالي الطاقة مستقبلًا.
تاريخ النشر: ٢٤ أبريل ٢٠٢٤
