مقارنة تأثيرات اللحام باستخدام الليزر ذي الأقطار الأساسية المختلفة

اللحام بالليزريمكن تحقيق ذلك باستخدام أشعة ليزر مستمرة أو نبضية. مبادئاللحام بالليزريمكن تقسيم اللحام إلى نوعين: اللحام بالتوصيل الحراري واللحام بالليزر ذي الاختراق العميق. عندما تكون كثافة الطاقة أقل من 10⁴ إلى 10⁵ واط/سم²، يكون اللحام بالتوصيل الحراري. في هذه الحالة، يكون عمق الاختراق ضحلاً وسرعة اللحام بطيئة. أما عندما تكون كثافة الطاقة أكبر من 10⁵ إلى 10⁷ واط/سم²، فإن سطح المعدن يتقعر مكونًا "ثقوبًا" بفعل الحرارة، مما يؤدي إلى تشكيل لحام ذي اختراق عميق، يتميز بسرعة اللحام العالية ونسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة. مبدأ التوصيل الحراري...اللحام بالليزرتتمثل العملية في تسخين سطح المادة المراد معالجتها بواسطة إشعاع الليزر، ثم تنتشر الحرارة السطحية إلى الداخل عبر التوصيل الحراري. ومن خلال التحكم في معايير الليزر، مثل عرض نبضة الليزر والطاقة وذروة القدرة وتردد التكرار، يتم صهر قطعة العمل لتشكيل حوض منصهر محدد.

تستخدم عملية اللحام بالليزر العميق عادةً شعاع ليزر مستمر لإتمام عملية ربط المواد. وتتشابه العملية الفيزيائية المعدنية لهذه العملية إلى حد كبير مع عملية لحام شعاع الإلكترون، حيث تتم آلية تحويل الطاقة من خلال بنية "ثقب المفتاح".

عند تعريض المادة لإشعاع ليزري بكثافة طاقة عالية كافية، تتبخر وتتشكل ثقوب صغيرة. هذا الثقب الصغير المملوء بالبخار يشبه الجسم الأسود، حيث يمتص تقريبًا كل طاقة الشعاع الساقط. تصل درجة حرارة التوازن في الثقب إلى حوالي 2500 درجة مئوية.°ج. تنتقل الحرارة من الجدار الخارجي للثقب ذي درجة الحرارة العالية، مما يؤدي إلى انصهار المعدن المحيط به. يمتلئ الثقب الصغير ببخار عالي الحرارة يتولد نتيجة التبخر المستمر لمادة الجدار تحت تأثير شعاع الليزر. تُحاط جدران الثقب الصغير بمعدن منصهر، ويُحاط المعدن السائل بمواد صلبة (في معظم عمليات اللحام التقليدية ولحام التوصيل بالليزر، تترسب الطاقة أولًا على سطح قطعة العمل ثم تنتقل إلى الداخل). يتزامن تدفق السائل خارج جدار الثقب والتوتر السطحي لطبقة الجدار مع ضغط البخار المتولد باستمرار داخل تجويف الثقب، مما يحافظ على توازن ديناميكي. يدخل شعاع الليزر باستمرار إلى الثقب الصغير، وتتدفق المادة خارجه باستمرار. ومع حركة شعاع الليزر، يبقى الثقب الصغير في حالة تدفق مستقرة.

بمعنى آخر، تتحرك الفتحة الصغيرة والمعدن المنصهر المحيط بجدارها للأمام بسرعة شعاع التوجيه. يملأ المعدن المنصهر الفراغ المتبقي بعد إزالة الفتحة الصغيرة ويتكثف تبعًا لذلك، فتتشكل اللحام. كل هذا يحدث بسرعة فائقة لدرجة أن سرعات اللحام قد تصل بسهولة إلى عدة أمتار في الدقيقة.

بعد فهم المفاهيم الأساسية لكثافة الطاقة، ولحام التوصيل الحراري، ولحام الاختراق العميق، سنقوم بعد ذلك بإجراء تحليل مقارن لكثافة الطاقة والأطوار المعدنية لأقطار القلب المختلفة.

مقارنة تجارب اللحام بناءً على أقطار قلب الليزر الشائعة في السوق:

كثافة الطاقة لموضع البؤرة لأشعة الليزر ذات أقطار النواة المختلفة

من منظور كثافة الطاقة، عند نفس القدرة، كلما صغر قطر النواة، زاد سطوع الليزر وتركزت الطاقة فيه. إذا شبّهنا الليزر بسكين حاد، فكلما صغر قطر النواة، زادت حدة الليزر. تبلغ كثافة طاقة الليزر ذي النواة بقطر 14 ميكرومتر أكثر من 50 ضعف كثافة طاقة الليزر ذي النواة بقطر 100 ميكرومتر، مما يجعله أكثر قدرة على المعالجة. مع ذلك، فإن كثافة الطاقة المحسوبة هنا هي مجرد متوسط ​​بسيط. أما التوزيع الفعلي للطاقة فهو توزيع غاوسي تقريبي، وستكون الطاقة المركزية أعلى بعدة مرات من متوسط ​​كثافة الطاقة.

رسم تخطيطي لتوزيع طاقة الليزر بأقطار لب مختلفة

يمثل لون مخطط توزيع الطاقة توزيع الطاقة. كلما كان اللون أحمر، زادت الطاقة. الطاقة الحمراء هي المنطقة التي تتركز فيها الطاقة. من خلال توزيع طاقة الليزر لأشعة الليزر ذات أقطار النواة المختلفة، يتضح أن مقدمة شعاع الليزر ليست حادة، بينما يكون شعاع الليزر حادًا. كلما كان أصغر، زادت كثافة الطاقة في نقطة واحدة، وأصبح أكثر حدة وقوة في الاختراق.

مقارنة تأثيرات اللحام باستخدام الليزر ذي الأقطار الأساسية المختلفة

مقارنة بين الليزر ذي الأقطار الأساسية المختلفة:

(1) تستخدم التجربة سرعة 150 مم/ثانية، ولحام موضع التركيز، والمادة هي ألومنيوم من السلسلة 1، بسمك 2 مم؛

(2) كلما زاد قطر القلب، زاد عرض الانصهار، وزادت المنطقة المتأثرة بالحرارة، وقلّت كثافة الطاقة للوحدة. عندما يتجاوز قطر القلب 200 ميكرومتر، يصعب تحقيق عمق اختراق في السبائك عالية التفاعل مثل الألومنيوم والنحاس، ولا يمكن تحقيق لحام اختراق عميق إلا باستخدام طاقة عالية.

(3) تتميز ليزرات النواة الصغيرة بكثافة طاقة عالية، ويمكنها إحداث ثقوب مفتاحية بسرعة على سطح المواد ذات الطاقة العالية والمناطق المتأثرة بالحرارة الصغيرة. مع ذلك، يكون سطح اللحام خشنًا، وتزداد احتمالية انهيار الثقب المفتاحي أثناء اللحام البطيء، كما ينغلق الثقب المفتاحي خلال دورة اللحام الطويلة، مما يزيد من احتمالية ظهور عيوب مثل المسامات. وهي مناسبة للمعالجة عالية السرعة أو المعالجة ذات المسار المتأرجح.

(4) تتميز الليزرات ذات القطر الأساسي الكبير ببقع ضوئية أكبر وطاقة أكثر تشتتًا، مما يجعلها أكثر ملاءمة لإعادة صهر الأسطح بالليزر والتكسية والتلدين وغيرها من العمليات.