العيوب الشائعة في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر

العيوب الشائعة فيلحام الليزر لسبائك الألومنيوم

سواء كان ذلك اللحام الذاتي بالليزر أواللحام الهجين بالليزر والقوسعند استخدامها لسبائك الألومنيوم، توجد بعض المشكلات التقنية الشائعة، أي قد تحدث عيوب إذا كانت معايير العملية وظروف اللحام غير دقيقة من الناحية المعدنية.غير لائق. الـتشمل العيوب الرئيسية في وصلات سبائك الألومنيوم نوعين: مسامية اللحام والتشققات الساخنة. بالإضافة إلى المسامية والتشققات الساخنة، توجد عيوب أخرى في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر، مثل التآكل وضعف تشكيل السطح الخلفي. بالمقارنة مع مسامية اللحام، فإن احتمالية ظهور تشققات اللحام (المرئية بالعين المجردة أو تحت تكبير منخفض) ليست عالية. ومع ذلك، نظرًا لخطورة التشققات، ينص معيار JIS Z 3105 على أنه بمجرد اكتشاف تشقق في اللحام، يُصنف اللحام ضمن الفئة الرابعة. أما التآكل وضعف تشكيل السطح الخلفي وغيرها من العيوب، فهي في الغالب عيوب خطيرة ناتجة عن عدم التحكم السليم في السرعة أو عدم تطابق معايير العملية. تظهر هذه العيوب عادةً في مرحلة استكشاف العملية وتصحيحها، ونادرًا ما تحدث في عمليات الإنتاج الفعلية العادية. لذلك، تُعد المسامية نوعًا من العيوب الأكثر ضررًا في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر وفي خدمة الهياكل الملحومة، ويصعب القضاء عليها بشكل جذري.

1. المسامية

المسامية هي أكثر عيوب الحجم شيوعًا وأهمية فيلحام سبائك الألومنيوم بالليزرتتراوح أحجام المسامات من مئات الميكرونات إلى عدة ملليمترات. ولا تزال آلية تشكلها غير واضحة تمامًا. لا تُضعف المسامات الجزء الفعال من اللحام فحسب، بل تُسبب أيضًا تركيزًا للإجهاد، مما يُقلل من قوة التحمل الديناميكية ومقاومة الإجهاد للوصلة الملحومة.

عند انصهار سبيكة الألومنيوم في بيئة غنية بالهيدروجين، قد يصل محتواها الداخلي من الهيدروجين إلى أكثر من 0.69 مل/100 غرام، ولكن بعد تصلب السبيكة، لا تتجاوز ذوبانية الهيدروجين فيها عند التوازن 0.036 مل/100 غرام. يُعتقد عمومًا أنه خلال عملية التبريد في لحام الليزر، تنخفض ذوبانية الهيدروجين بشكل حاد، ويؤدي ترسب الهيدروجين المشبع إلى تكوين مسامية هيدروجينية. كما قد يؤدي تبخر عناصر السبائك ذات درجة الانصهار المنخفضة وضغط البخار العالي إلى تكوين مسامية، تُعرف بالمسامية المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي اضطراب شعاع الليزر وعدم استقرار ثقب المفتاح إلى تكوين مسامية، ولكن هذه المسامية تكون ذات شكل غير منتظم، وتُعرف بالمسامية الناتجة عن العملية. ونظرًا للنشاط الكيميائي العالي لسبائك الألومنيوم، تتشكل طبقة أكسيد بسهولة على سطحها. أثناء اللحام، يتحلل الماء البلوري والماء المرتبط به من طبقة الأكسيد على سطح سبيكة الألومنيوم، بالإضافة إلى رطوبة الهواء والغاز الواقي، مُنتجًا الهيدروجين مباشرةً في منطقة درجات الحرارة العالية تحت تأثير الليزر. قد تترسب غازات الهيدروجين هذه أثناء تبريد وتصلب حوض اللحام المنصهر مُشكلةً فقاعات، أو قد تُشكل فقاعات مباشرةً على طبقة الأكسيد غير المنصهرة بالكامل. نظرًا لانخفاض الكثافة النوعية لسبائك الألومنيوم، فإن سرعة صعود الفقاعات في حوض اللحام المنصهر بطيئة. إضافةً إلى ذلك، تتميز سبائك الألومنيوم بموصلية حرارية عالية، وسرعة تبريد وتصلب حوض اللحام المنصهر فائقة السرعة. لا تستطيع بعض الفقاعات الخروج في الوقت المناسب، فتبقى في اللحام، مُشكلةً بذلك مسامية معدنية. وقد أظهرت الدراسات أن الغاز الرئيسي في مسامية لحام سبائك الألومنيوم هو الهيدروجين، ولذلك تُسمى هذه المسامية أحيانًا بالمسامية الهيدروجينية. عند فحص كسر المسامية تحت المجهر الإلكتروني الماسح، تظهر المسامية في الغالب بشكل كروي مع نهايات متفرعة متراصة للبلورات المتفرعة، ويكون الجدار الداخلي أملسًا ونظيفًا وخاليًا من آثار الأكسدة. لا يؤدي وجود المسامية إلى تقليل تماسك اللحام وقدرة تحمل الوصلة فحسب، بل يقلل أيضًا من قوة الوصلة ومرونتها بدرجات متفاوتة.

2. الشقوق الساخنة

تتشكل الشقوق الساخنة (بما في ذلك شقوق التصلب وشقوق التسييل) أثناء عملية تصلب المعدن المنصهر، وهي من أكثر أنواع العيوب شيوعًا في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر. أبرز ما يميز شكل كسر شقوق التصلب هو أن سطح الكسر يتكون من مساحة واسعة من بنية حبيبية ناعمة ولكنها غير منتظمة تشبه الحصى أو البطاطا، وغالبًا ما يحتفظ السطح بتركيبات يوتكتيكية منخفضة درجة الانصهار بين الحبيبات أو طيات أغشية سائلة، بالإضافة إلى آثار الكسر الهش للتغصنات. يشبه شكل كسر شقوق التسييل شكل كسر شقوق التصلب، ولكنه يتميز بخصائص الكسر بين الحبيبات عند درجات حرارة عالية أو كسر التصلب. في كسر الإجهاد في وصلات اللحام الانصهاري تحت تأثير أحمال الإجهاد، تُعد مصادر شقوق الإجهاد الناتجة عن هذه الشقوق الساخنة شائعة أيضًا. ترتبط أسباب الشقوق الساخنة في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر بشكل أساسي بخصائصها وعمليات اللحام نفسها. تتميز سبائك الألومنيوم بمعدل انكماش كبير أثناء التصلب (يصل إلى 5%)، مما ينتج عنه إجهاد وتشوه كبيران أثناء اللحام. إضافةً إلى ذلك، تتشكل بنى يوتكتيكية منخفضة درجة الانصهار على طول حدود الحبيبات أثناء تصلب معدن اللحام، مما يُضعف قوة الترابط بين حدود الحبيبات، وبالتالي يُؤدي إلى تكوّن شقوق ساخنة تحت تأثير إجهاد الشد. علاوة على ذلك، يمكن تصنيف أشكال الشقوق في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر إلى الفئات التالية: شقوق مركز اللحام؛ شقوق خط انصهار اللحام؛ شقوق بين الحبيبات في اللحامات؛ شقوق التسييل في المنطقة المتأثرة بالحرارة؛ شقوق ناتجة عن طبقات الأكسيد؛ وشقوق دقيقة بين الحبيبات.

بالإضافة إلى ذلك، يؤدي ضعف الحماية أثناء اللحام إلى تفاعل معدن اللحام مع الغازات الموجودة في الهواء، كما تُعدّ الشوائب المتكونة مصادر محتملة للتشقق. يؤثر نوع وكمية عناصر السبائك بشكل كبير على ميل سبائك الألومنيوم للتشقق الساخن أثناء اللحام. عمومًا، تتميز سبائك الألومنيوم من سلسلتي Al-Si وAl-Mn بقابلية لحام جيدة، ولا تُنتج تشققات ساخنة بسهولة؛ بينما تتميز سبائك الألومنيوم من سلسلتي Al-Mg وAl-Cu وAl-Zn بميل مرتفع نسبيًا للتشقق الساخن. يمكن تقليل ميل التشقق الساخن عن طريق ضبط معايير عملية اللحام للتحكم في معدلات التسخين والتبريد. بشكل عام، يكون ميل اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي للتشقق الساخن أفضل من ميل لحام سلك الحشو بالليزر، ويكون ميل لحام سلك الحشو بالليزر للتشقق الساخن أفضل من ميل اللحام الذاتي بالليزر.

3. القطع السفلي والحرق

تتميز سبائك الألومنيوم بانخفاض طاقة تأينها، كما أن البلازما المُستحثة ضوئيًا عُرضة لارتفاع درجة الحرارة والتمدد أثناء اللحام، مما يؤدي إلى عمليات لحام غير مستقرة. إضافةً إلى ذلك، تتميز سبائك الألومنيوم السائلة بسيولة جيدة وتوتر سطحي منخفض. ولتحسين الاختراق، غالبًا ما يتطلب الأمر معدل تدفق غاز واقٍ أعلى وقدرة خرج ليزر أكبر، مما يُضعف استقرار عملية اللحام، ويتسبب في تذبذب حوض المعدن المنصهر بشدة تحت الضغط، ويؤدي بسهولة إلى عيوب مثل التآكل والاحتراق. ويمكن تحسين قابلية تشكيل الجانب الخلفي لألواح سبائك الألومنيوم الملحومة بالليزر بشكل فعال عن طريق تركيب لوحة نحاسية مُبردة بالماء على الجانب الخلفي للحام.

4. شوائب الخبث

من العيوب الشائعة الأخرى في لحام هياكل السيارات وجود شوائب الخبث. وقد أظهرت الدراسات أن هذه الشوائب تنتج أساسًا عن الأكاسيد الموجودة على سطح اللحامات وأسلاك اللحام، بالإضافة إلى عدم استقرار عمليات ترسيب سبائك الألومنيوم. لذا، ينبغي على مصنعي سبائك الألومنيوم تعزيز الابتكار التكنولوجي وتحسين عمليات الصب لتقليل محتوى الشوائب والهيدروجين في المواد الخام، وبالتالي تحسين استقرار جودة المنتجات.