في السنوات الأخيرة، وبفضل التطور السريع لقطاع الطاقة المتجددة، انتشر اللحام بالليزر بسرعة في جميع أنحاء هذا القطاع نظرًا لمزاياه السريعة والمستقرة. وتُشكل معدات اللحام بالليزر النسبة الأكبر من التطبيقات في قطاع الطاقة المتجددة.
اللحام بالليزرسرعان ما أصبح الخيار الأول في جميع مجالات الحياة بفضل سرعته العالية وعمقه الكبير وتشوهه الضئيل. من اللحام النقطي إلى اللحام التناكبي، ولحام التراكم ولحام الختم،اللحام بالليزرتوفر دقة وتحكمًا لا مثيل لهما. وتلعب دورًا هامًا في الإنتاج والتصنيع الصناعي، بما في ذلك الصناعات العسكرية، والرعاية الطبية، والفضاء، وقطع غيار السيارات، والصفائح المعدنية الميكانيكية، والطاقة الجديدة، وغيرها من الصناعات.
بالمقارنة مع تقنيات اللحام الأخرى، يتميز اللحام بالليزر بمزايا وعيوب فريدة.
ميزة:
1. سرعة عالية، وعمق كبير، وتشوه صغير.
٢. يمكن إجراء اللحام في درجة حرارة عادية أو في ظروف خاصة، ومعدات اللحام بسيطة. على سبيل المثال، لا ينحرف شعاع الليزر في المجال الكهرومغناطيسي. يمكن لليزر اللحام في الفراغ أو الهواء أو بيئات غازية معينة، ويمكنه لحام المواد التي تخترق الزجاج أو المواد الشفافة لشعاع الليزر.
3. يمكنها لحام المواد المقاومة للحرارة مثل التيتانيوم والكوارتز، ويمكنها أيضًا لحام المواد غير المتشابهة بنتائج جيدة.
4. بعد تركيز الليزر، تكون كثافة الطاقة عالية. يمكن أن تصل نسبة العرض إلى الارتفاع إلى 5:1، ويمكن أن تصل إلى 10:1 عند لحام الأجهزة عالية الطاقة.
٥. يمكن إجراء اللحام الدقيق. بعد تركيز شعاع الليزر، يمكن الحصول على بقعة صغيرة وتحديد موضعها بدقة. يمكن تطبيق هذه التقنية على تجميع ولحام القطع الصغيرة والدقيقة لتحقيق الإنتاج الكمي الآلي.
٦. تتميز هذه التقنية بقدرتها على لحام المناطق التي يصعب الوصول إليها، وإجراء عمليات اللحام عن بُعد دون تلامس، مع مرونة عالية. وقد ساهمت تقنية معالجة الليزر YAG، لا سيما في السنوات الأخيرة، في اعتماد تقنية نقل البيانات عبر الألياف الضوئية، مما أتاح انتشارًا وتطبيقًا أوسع لتقنية اللحام بالليزر.
7. يسهل تقسيم شعاع الليزر في الزمان والمكان، ويمكن معالجة حزم متعددة في مواقع متعددة في وقت واحد، مما يوفر ظروفًا للحام أكثر دقة.
عيب:
1. يجب أن تكون دقة تجميع قطعة العمل عالية، ولا يجوز أن ينحرف موضع شعاع الليزر عليها بشكل ملحوظ. وذلك لأن حجم بقعة الليزر بعد التركيز صغير وخط اللحام ضيق، مما يصعب إضافة مواد الحشو المعدنية. إذا لم تستوفِ دقة تجميع قطعة العمل أو دقة تحديد موضع الشعاع المتطلبات، فمن المرجح حدوث عيوب في اللحام.
2. تكلفة الليزر والأنظمة ذات الصلة مرتفعة، والاستثمار لمرة واحدة كبير.
عيوب اللحام بالليزر الشائعةفي تصنيع بطاريات الليثيوم
1. مسامية اللحام
العيوب الشائعة فياللحام بالليزرالمسامات. حوض اللحام المنصهر عميق وضيق. أثناء عملية اللحام بالليزر، يتغلغل النيتروجين إلى حوض اللحام المنصهر من الخارج. خلال عملية تبريد وتصلب المعدن، تقل ذوبانية النيتروجين مع انخفاض درجة الحرارة. عندما يبرد المعدن المنصهر ويبدأ بالتبلور، تنخفض الذوبانية بشكل حاد ومفاجئ. في هذه الحالة، تترسب كمية كبيرة من الغاز لتشكل فقاعات. إذا كانت سرعة طفو الفقاعات أقل من سرعة تبلور المعدن، ستتكون المسامات.
في تطبيقات صناعة بطاريات الليثيوم، نلاحظ غالبًا أن المسامات تتشكل بكثرة أثناء لحام القطب الموجب، بينما نادرًا ما تتشكل أثناء لحام القطب السالب. ويعود ذلك إلى أن القطب الموجب مصنوع من الألومنيوم والقطب السالب من النحاس. أثناء اللحام، يتكثف الألومنيوم السائل على السطح قبل أن يفيض الغاز الداخلي تمامًا، مما يمنع تدفق الغاز الزائد وتكوين ثقوب صغيرة وكبيرة.
بالإضافة إلى أسباب المسام المذكورة أعلاه، تشمل المسام أيضًا الهواء الخارجي والرطوبة والزيوت السطحية وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، فإن اتجاه وزاوية نفخ النيتروجين سيؤثران أيضًا على تكوين المسام.
أما عن كيفية تقليل حدوث المسام في اللحام؟
أولاً، قبلاللحام، يجب تنظيف بقع الزيت والشوائب الموجودة على سطح المواد الواردة في الوقت المناسب؛ في إنتاج بطاريات الليثيوم، يعد فحص المواد الواردة عملية أساسية.
ثانيًا، يجب ضبط تدفق غاز الحماية وفقًا لعوامل مثل سرعة اللحام، والطاقة، والموضع، وما إلى ذلك، بحيث لا يكون مرتفعًا جدًا ولا منخفضًا جدًا. كما يجب ضبط ضغط غطاء الحماية وفقًا لعوامل مثل طاقة الليزر وموضع التركيز، بحيث لا يكون مرتفعًا جدًا ولا منخفضًا جدًا. ويجب ضبط شكل فوهة غطاء الحماية وفقًا لشكل اللحام واتجاهه وعوامل أخرى، لضمان تغطية غطاء الحماية لمنطقة اللحام بشكل متساوٍ.
ثالثًا، يجب التحكم بدرجة الحرارة والرطوبة والغبار في هواء ورشة العمل. تؤثر درجة الحرارة والرطوبة المحيطة على نسبة الرطوبة على سطح المادة الأساسية والغاز الواقي، مما يؤثر بدوره على توليد بخار الماء وخروجه من حوض اللحام. فإذا كانت درجة الحرارة والرطوبة المحيطة مرتفعة جدًا، ستتراكم كمية كبيرة من الرطوبة على سطح المادة الأساسية والغاز الواقي، مما يؤدي إلى توليد كمية كبيرة من بخار الماء وظهور المسام. أما إذا كانت درجة الحرارة والرطوبة المحيطة منخفضة جدًا، فستكون نسبة الرطوبة على سطح المادة الأساسية وفي الغاز الواقي منخفضة جدًا، مما يقلل من توليد بخار الماء، وبالتالي يقلل من المسام. لذا، يجب على فريق مراقبة الجودة التحقق من القيم المستهدفة لدرجة الحرارة والرطوبة والغبار في محطة اللحام.
رابعًا، تُستخدم طريقة تأرجح الشعاع لتقليل المسام أو إزالتها في لحام الاختراق العميق بالليزر. فبفضل إضافة التأرجح أثناء اللحام، يتسبب التأرجح الترددي للشعاع على خط اللحام في إعادة صهر جزء من خط اللحام بشكل متكرر، مما يُطيل زمن بقاء المعدن السائل في حوض اللحام. وفي الوقت نفسه، يزيد انحراف الشعاع من كمية الحرارة المُدخلة لكل وحدة مساحة. كما تقل نسبة العمق إلى العرض في اللحام، مما يُساعد على ظهور الفقاعات، وبالتالي إزالة المسام. من ناحية أخرى، يتسبب تأرجح الشعاع في تأرجح الثقوب الصغيرة تبعًا لذلك، مما يُوفر قوة تقليب لحوض اللحام، ويزيد من الحمل الحراري والتقليب فيه، وله تأثير إيجابي في إزالة المسام.
خامساً، تردد النبضات، وهو عدد النبضات المنبعثة من شعاع الليزر في وحدة الزمن، ويؤثر على كمية الحرارة المُدخلة والمتراكمة في حوض الانصهار، وبالتالي على مجال درجة الحرارة ومجال التدفق فيه. فإذا كان تردد النبضات مرتفعاً جداً، سيؤدي ذلك إلى زيادة مفرطة في كمية الحرارة المُدخلة إلى حوض الانصهار، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارته بشكل كبير، وإنتاج بخار معدني أو عناصر أخرى متطايرة عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى ظهور مسامات. أما إذا كان تردد النبضات منخفضاً جداً، فسيؤدي ذلك إلى عدم كفاية تراكم الحرارة في حوض الانصهار، مما يتسبب في انخفاض درجة حرارته بشكل كبير، وتقليل ذوبان الغازات وخروجها، مما يؤدي أيضاً إلى ظهور مسامات. وبشكل عام، ينبغي اختيار تردد النبضات ضمن نطاق مناسب بناءً على سُمك الركيزة وقدرة الليزر، مع تجنب أن يكون مرتفعاً جداً أو منخفضاً جداً.
لحام الثقوب (اللحام بالليزر)
2. تناثر اللحام
يؤثر تناثر المعدن أثناء عملية اللحام بالليزر بشكل كبير على جودة سطح اللحام، كما يُلوث العدسة ويُتلفها. وتتلخص المشكلة العامة فيما يلي: بعد اكتمال اللحام بالليزر، تظهر جزيئات معدنية كثيرة على سطح المادة أو قطعة العمل وتلتصق بها. ومن أبرز هذه المشاكل، عند استخدام الجلفانومتر في وضع اللحام، ظهور حفر كثيفة على سطح العدسة الواقية بعد فترة من الاستخدام، وهذه الحفر ناتجة عن تناثر المعدن. ومع مرور الوقت، قد تحجب هذه الحفر الضوء، مما يُسبب مشاكل في إضاءة اللحام، وينتج عنها سلسلة من المشاكل مثل انقطاع اللحام أو اللحام غير المكتمل.
ما هي أسباب تناثر الماء؟
أولًا، كثافة الطاقة؛ فكلما زادت كثافة الطاقة، زادت سهولة توليد الرذاذ، ويرتبط الرذاذ ارتباطًا مباشرًا بكثافة الطاقة. هذه مشكلةٌ عمرها قرنٌ من الزمان. على الأقل حتى الآن، لم تتمكن الصناعة من حل مشكلة الرذاذ، ولا يمكن القول إلا أنها انخفضت بشكل طفيف. في صناعة بطاريات الليثيوم، يُعدّ الرذاذ السبب الرئيسي لحدوث قصر الدائرة في البطارية، ولكن لم يتم التوصل إلى حل جذري. لا يمكن تقليل تأثير الرذاذ على البطارية إلا من منظور الحماية. على سبيل المثال، تُضاف دائرة من منافذ إزالة الغبار وأغطية واقية حول منطقة اللحام، وتُضاف صفوف من سكاكين الهواء بشكل دائري لمنع تأثير الرذاذ أو حتى تلف البطارية. يمكن القول إن تدمير البيئة والمنتجات والمكونات المحيطة بمحطة اللحام قد استُنفد.
أما بالنسبة لحل مشكلة تناثر اللحام، فيمكن القول إن تقليل طاقة اللحام يُسهم في الحد من التناثر. كما أن تقليل سرعة اللحام قد يُفيد في حال عدم كفاية الاختراق. ولكن في بعض متطلبات العمليات الخاصة، يكون تأثير ذلك ضئيلاً. ففي نفس العملية، تُؤدي الآلات المختلفة ودفعات المواد المختلفة إلى نتائج لحام متباينة تمامًا. لذا، توجد قاعدة غير مكتوبة في صناعة الطاقة الجديدة، وهي استخدام مجموعة واحدة من معايير اللحام لكل قطعة من المعدات.
ثانيًا، إذا لم يتم تنظيف سطح المادة أو قطعة العمل المُعالجة، فإن بقع الزيت أو الملوثات ستتسبب أيضًا في تناثرات خطيرة. في هذه الحالة، يكون أسهل حل هو تنظيف سطح المادة المُعالجة.
3. انعكاسية عالية للحام بالليزر
بشكل عام، يشير الانعكاس العالي إلى حقيقة أن مادة المعالجة تتمتع بمقاومة منخفضة، وسطح أملس نسبيًا، ومعدل امتصاص منخفض لأشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء، مما يؤدي إلى انبعاث كمية كبيرة من الليزر، ولأن معظم الليزرات تستخدم في الوضع الرأسي، وبسبب المادة أو بزاوية ميل صغيرة، فإن ضوء الليزر العائد يعود إلى رأس الإخراج، بل إن جزءًا من الضوء العائد يتم ربطه بالألياف الناقلة للطاقة، وينتقل مرة أخرى على طول الألياف إلى داخل الليزر، مما يجعل المكونات الأساسية داخل الليزر تستمر في التعرض لدرجة حرارة عالية.
عندما تكون نسبة الانعكاس عالية جدًا أثناء اللحام بالليزر، يمكن اتخاذ الحلول التالية:
3.1 استخدام طلاء مضاد للانعكاس أو معالجة سطح المادة: يمكن لطلاء سطح مادة اللحام بطبقة مضادة للانعكاس أن يقلل بشكل فعال من انعكاس الليزر. عادةً ما تكون هذه الطبقة عبارة عن مادة بصرية خاصة ذات انعكاسية منخفضة تمتص طاقة الليزر بدلاً من عكسها. في بعض العمليات، مثل لحام جامع التيار، والوصلات المرنة، وما إلى ذلك، يمكن أيضًا نقش السطح.
3.2 ضبط زاوية اللحام: من خلال ضبط زاوية اللحام، يمكن أن يسقط شعاع الليزر على مادة اللحام بزاوية أكثر ملاءمة، مما يقلل من حدوث الانعكاس. عادةً، يُعدّ إسقاط شعاع الليزر عموديًا على سطح المادة المراد لحامها طريقة جيدة لتقليل الانعكاسات.
3.3 إضافة مادة ماصة مساعدة: أثناء عملية اللحام، تُضاف كمية معينة من مادة ماصة مساعدة، مثل مسحوق أو سائل، إلى منطقة اللحام. تمتص هذه المواد طاقة الليزر وتقلل من انعكاسها. يجب اختيار المادة الماصة المناسبة بناءً على مواد اللحام المحددة وظروف التطبيق. في صناعة بطاريات الليثيوم، من غير المرجح حدوث ذلك.
3.4 استخدام الألياف الضوئية لنقل الليزر: يُفضّل استخدام الألياف الضوئية لنقل الليزر إلى موضع اللحام لتقليل الانعكاس. تعمل الألياف الضوئية على توجيه شعاع الليزر إلى منطقة اللحام لتجنب التعرض المباشر لسطح مادة اللحام وتقليل حدوث الانعكاسات.
3.5 ضبط معايير الليزر: من خلال ضبط معايير مثل قدرة الليزر، والبعد البؤري، والقطر البؤري، يمكن التحكم في توزيع طاقة الليزر وتقليل الانعكاسات. بالنسبة لبعض المواد العاكسة، قد يكون خفض قدرة الليزر وسيلة فعالة لتقليل الانعكاسات.
3.6 استخدام مُقسِّم الشعاع: يُمكن لمُقسِّم الشعاع توجيه جزء من طاقة الليزر إلى جهاز الامتصاص، مما يُقلل من حدوث الانعكاسات. تتكون أجهزة تقسيم الشعاع عادةً من مكونات بصرية ومواد ماصة، ومن خلال اختيار المكونات المناسبة وتعديل تصميم الجهاز، يُمكن تحقيق انعكاسية أقل.
4. لحام القطع السفلي
في عملية تصنيع بطاريات الليثيوم، ما هي العمليات الأكثر عرضة للتسبب في ظاهرة التآكل؟ ولماذا تحدث هذه الظاهرة؟ دعونا نحلل ذلك.
في حالة القطع السفلي، لا يتم دمج المواد الخام للحام بشكل جيد مع بعضها البعض، وتكون الفجوة كبيرة جدًا أو يظهر أخدود، ويكون العمق والعرض أكبر من 0.5 مم بشكل أساسي، ويكون الطول الإجمالي أكبر من 10٪ من طول اللحام، أو أكبر من الطول المطلوب وفقًا لمعيار عملية المنتج.
في عملية تصنيع بطاريات الليثيوم، يُعدّ التآكل الناتج عن اللحام الجزئي أكثر شيوعًا، ويتركز عادةً في مرحلتي اللحام المسبق واللحام الكامل لغطاء الأسطوانة وغطاء الألومنيوم المربع. والسبب الرئيسي هو أن غطاء اللحام يحتاج إلى التوافق مع الغلاف أثناء عملية اللحام، مما يجعل عملية التوافق بينهما عرضةً لظهور فجوات لحام زائدة، وتجاويف، وانهيارات، وغيرها، وبالتالي فهو أكثر عرضةً للتآكل الناتج عن اللحام الجزئي.
إذن ما الذي يسبب التخفيضات غير المباشرة؟
إذا كانت سرعة اللحام عالية جدًا، فلن يتاح للمعدن السائل خلف الثقب الصغير المتجه نحو مركز اللحام الوقت الكافي لإعادة التوزيع، مما يؤدي إلى تصلب المعدن وتآكله من الجانبين. وبناءً على ذلك، نحتاج إلى تحسين معايير اللحام. وبعبارة أخرى، يتطلب الأمر إجراء تجارب متكررة للتحقق من مختلف المعايير، والاستمرار في تصميم التجارب حتى الوصول إلى المعايير المناسبة.
٢. إن وجود فجوات أو أخاديد أو انهيارات زائدة في مواد اللحام يقلل من كمية المعدن المنصهر الذي يملأ هذه الفجوات، مما يزيد من احتمالية حدوث تآكل في اللحام. هذه مسألة تتعلق بالمعدات والمواد الخام. هل تلبي مواد اللحام الخام متطلبات المواد الواردة في عمليتنا؟ هل تفي دقة المعدات بالمتطلبات؟ إن الممارسة الشائعة هي الضغط المستمر على الموردين والمسؤولين عن المعدات.
3. إذا انخفضت الطاقة بسرعة كبيرة في نهاية عملية اللحام بالليزر، فقد ينهار الثقب الصغير، مما يؤدي إلى حدوث تآكل موضعي. يمكن للمطابقة الصحيحة بين الطاقة والسرعة أن تمنع بشكل فعال حدوث هذا التآكل. وكما يقول المثل، كرر التجارب، وتحقق من مختلف المعايير، واستمر في تصميم التجارب حتى تجد المعايير المناسبة.
5. انهيار مركز اللحام
إذا كانت سرعة اللحام بطيئة، فسيكون حوض المعدن المنصهر أكبر وأوسع، مما يزيد من كمية المعدن المنصهر. وهذا قد يُصعّب الحفاظ على التوتر السطحي. عندما يصبح المعدن المنصهر ثقيلاً للغاية، قد يغوص مركز اللحام مُشكّلاً انخفاضات وحفرًا. في هذه الحالة، يجب تقليل كثافة الطاقة بشكل مناسب لمنع انهيار حوض المعدن المنصهر.
في حالة أخرى، تتشكل فجوة اللحام ببساطة دون إحداث ثقب. هذه بلا شك مشكلة في تركيب المعدات بالضغط.
إن الفهم الصحيح للعيوب التي يمكن أن تحدث أثناء اللحام بالليزر وأسباب العيوب المختلفة يسمح باتباع نهج أكثر دقة لحل أي مشاكل لحام غير طبيعية.
6. تشققات اللحام
تُعدّ الشقوق التي تظهر أثناء اللحام بالليزر المستمر شقوقًا حرارية في الغالب، مثل شقوق التبلور وشقوق التسييل. والسبب الرئيسي لهذه الشقوق هو قوى الانكماش الكبيرة الناتجة عن اللحام قبل تصلبه الكامل.
وهناك أيضاً الأسباب التالية لحدوث تشققات في اللحام بالليزر:
1. تصميم لحام غير مناسب: قد يؤدي التصميم غير السليم لشكل وحجم اللحام إلى تركيز الإجهاد أثناء اللحام، مما يتسبب في حدوث تشققات. الحل هو تحسين تصميم اللحام لتجنب تركيز الإجهاد. يمكنك استخدام لحامات إزاحة مناسبة، أو تغيير شكل اللحام، وما إلى ذلك.
٢. عدم توافق معايير اللحام: قد يؤدي اختيار معايير اللحام بشكل غير مناسب، كاستخدام سرعة لحام عالية جدًا أو طاقة عالية جدًا، إلى تفاوت في درجات الحرارة في منطقة اللحام، مما ينتج عنه إجهاد كبير وتشققات. يكمن الحل في ضبط معايير اللحام لتتناسب مع نوع المادة وظروف اللحام.
3. سوء تحضير سطح اللحام: يؤدي عدم تنظيف سطح اللحام ومعالجته مسبقًا بشكل صحيح قبل اللحام، كإزالة الأكاسيد والشحوم وغيرها، إلى التأثير سلبًا على جودة اللحام وقوته، مما قد يتسبب في حدوث تشققات. لذا، يُنصح بتنظيف سطح اللحام ومعالجته مسبقًا بشكل كافٍ لضمان إزالة الشوائب والملوثات من منطقة اللحام بفعالية.
4. سوء التحكم في كمية الحرارة المُدخلة أثناء اللحام: يؤدي سوء التحكم في كمية الحرارة المُدخلة أثناء اللحام، كارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط أو عدم كفاية معدل تبريد طبقة اللحام، إلى تغييرات في بنية منطقة اللحام، مما ينتج عنه تشققات. يكمن الحل في التحكم في درجة الحرارة ومعدل التبريد أثناء اللحام لتجنب ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط أو التبريد السريع.
5. عدم كفاية معالجة تخفيف الإجهاد: يؤدي عدم كفاية معالجة تخفيف الإجهاد بعد اللحام إلى عدم كفاية تخفيف الإجهاد في منطقة اللحام، مما يُسهّل حدوث التشققات. والحل هو إجراء معالجة مناسبة لتخفيف الإجهاد بعد اللحام، مثل المعالجة الحرارية أو المعالجة بالاهتزاز (السبب الرئيسي).
أما بالنسبة لعملية تصنيع بطاريات الليثيوم، فأي العمليات هي الأكثر عرضة للتسبب في التشققات؟
بشكل عام، تكون الشقوق عرضة للظهور أثناء لحام الختم، مثل لحام الختم للأغلفة الفولاذية الأسطوانية أو الأغلفة الألومنيوم، ولحام الختم للأغلفة الألومنيوم المربعة، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية تغليف الوحدة، يكون لحام جامع التيار عرضة للتشقق أيضًا.
بالطبع، يمكننا أيضاً استخدام سلك الحشو أو التسخين المسبق أو طرق أخرى لتقليل هذه الشقوق أو القضاء عليها.
تاريخ النشر: 1 سبتمبر 2023
