تاريخ تطور اللحام بالليزر

طرق اللحام للأجزاء الدقيقة والصغيرة: يُعدّ اللحام بالليزر طريقة لحام فعّالة ودقيقة تستخدم شعاع ليزر عالي الكثافة كمصدر للحرارة. وهو أحد التطبيقات المهمة لتكنولوجيا معالجة المواد بالليزر. في سبعينيات القرن الماضي، كان يُستخدم بشكل أساسي في لحام المواد ذات الجدران الرقيقة واللحام البطيء، وكانت عملية اللحام تعتمد على التوصيل الحراري. تحديدًا، يُسخّن إشعاع الليزر سطح قطعة العمل، وتنتشر الحرارة من السطح إلى الداخل عبر التوصيل الحراري. ومن خلال التحكم في معايير مثل عرض نبضات الليزر وطاقتها وذروة قدرتها وتردد تكرارها، تُصهر قطعة العمل لتشكيل حوض منصهر محدد. ونظرًا لمزاياه الفريدة، فقد طُبّق بنجاح فياللحام الدقيق للأجزاء الدقيقة والصغيرة.تُصنّف تقنية اللحام بالليزر في الصين ضمن المستويات المتقدمة عالميًا. فهي تمتلك التقنية والقدرة على تشكيل مكونات معقدة من سبائك التيتانيوم تزيد مساحتها عن 12 مترًا مربعًا باستخدام الليزر، وقد طُبّقت هذه التقنية في تصنيع النماذج الأولية والمنتجات للعديد من مشاريع البحث والتطوير في مجال الطيران المحلي. وفي أكتوبر 2013، فاز خبير لحام صيني بجائزة بروك، وهي أرفع جائزة أكاديمية في مجال اللحام، مما يؤكد مكانة الصين العالمية في مجال اللحام بالليزر.

## تاريخ التطوير: تم توليد أول شعاع ليزر في العالم عام 1960 عن طريق إثارة بلورات الياقوت باستخدام مصباح وميضي. ونظرًا لمحدودية السعة الحرارية للبلورة، لم يكن بالإمكان إنتاج سوى أشعة نبضية قصيرة جدًا ذات تردد منخفض. وعلى الرغم من أن ذروة طاقة النبضة اللحظية قد تصل إلى 10^6 واط، إلا أنها لا تزال تُصنف ضمن مخرجات الطاقة المنخفضة. أما قضيب بلوري من غارنيت الألومنيوم الإيتريوم المُطعّم بالنيوديميوم (Nd:YAG)، حيث يُستخدم النيوديميوم (Nd) كعنصر إثارة، فيمكنه توليد شعاع ليزر مستمر أحادي الطول الموجي بقدرة تتراوح بين 1 و8 كيلوواط. ويمكن توصيل ليزر YAG، بطول موجي يبلغ 1.06 ميكرومتر، برأس معالجة الليزر عبر ألياف بصرية مرنة، مما يتيح مرونة في تصميم المعدات وملاءمتها للحام قطع العمل التي يتراوح سمكها بين 0.5 و6 ملم. يُمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون، الذي يستخدم ثاني أكسيد الكربون كمُثير (بطول موجي 10.6 ميكرومتر)، أن يُحقق طاقة خرج تصل إلى 25 كيلوواط، ويُمكنه إجراء لحام كامل الاختراق بتمريرة واحدة لألواح بسماكة 2 مم. وقد شاع استخدامه في معالجة المعادن في القطاع الصناعي. في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، اجتذبت تقنية اللحام بالليزر، كتقنية جديدة، اهتمامًا واسعًا في أوروبا والولايات المتحدة واليابان. في عام 1985، تعاونت شركتا تيسن كروب ستيل (ألمانيا) وفولكس فاجن (ألمانيا) بنجاح لتطبيق أول قطعة ملحومة بالليزر في العالم على هيكل سيارة أودي 100. في تسعينيات القرن الماضي، بدأت كبرى شركات تصنيع السيارات في أوروبا وأمريكا الشمالية واليابان باستخدام تقنية القطع الملحومة بالليزر على نطاق واسع في تصنيع هياكل السيارات. وقد أثبتت التجارب العملية من المختبرات وشركات تصنيع السيارات على حد سواء إمكانية تطبيق القطع الملحومة بالليزر بنجاح في إنتاج هياكل السيارات. تستخدم تقنية اللحام المخصص بالليزر طاقة الليزر لربط ولحام أنواع مختلفة من الفولاذ، والفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك الألومنيوم، وغيرها، بمواد وسماكات وطلاءات متنوعة، لتشكيل لوحة أو مقطع أو لوح مركب متكامل. يلبي هذا متطلبات الأداء المختلفة للمواد المستخدمة في المكونات، ويحقق معدات خفيفة الوزن، مع بنية مثالية وأداء متميز. في الدول المتقدمة مثل أوروبا والولايات المتحدة،اللحام المخصص بالليزرلا يقتصر استخدام تقنية اللحام بالليزر على صناعة معدات النقل فحسب، بل يمتد ليشمل مجالات واسعة كالبناء والجسور وإنتاج ألواح الأجهزة المنزلية باللحام، بالإضافة إلى لحام ألواح الصلب في خطوط الدرفلة (وصل الألواح في الدرفلة المستمرة). ومن أبرز شركات اللحام بالليزر عالميًا: سودونيك (سويسرا)، ومجموعة أرسيلور ميتال (فرنسا)، وتيسن كروب تي دبليو بي (ألمانيا)، وسيرفو روبوت (كندا)، وبريسيتك (ألمانيا). وقد بدأ تطبيق هذه التقنية في الصين مؤخرًا. ففي 25 أكتوبر 2002، تم تشغيل أول خط إنتاج تجاري متخصص في الصين للحام بالليزر، والذي قدمته شركة ووهان تيسن كروب تشونغ رن ليزر تايلور ويلدينغ من شركة تيسن كروب تي دبليو بي (ألمانيا). لاحقًا، انضمت شركات أخرى، مثل شركة شنغهاي باوستيل أرسيلور ليزر تايلور ويلدينغ المحدودة، وشركة فاو باويو ليزر تايلور ويلدينغ المحدودة، إلى خط الإنتاج. في عام 2003، حققت دول أجنبية تقنية اللحام بسلك الحشو باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون ذي الشعاع المزدوج ولحام سلك الحشو بالليزر YAGبالنسبة لهيكل لوحة الجدار السفلي المصنوع من سبائك الألومنيوم لطائرة A318، حلت هذه التقنية محل الهيكل التقليدي المثبت بالمسامير، مما قلل وزن جسم الطائرة بنسبة 20% ووفر 20% من التكلفة. آمن غونغ شويلي بأن تقنية اللحام بالليزر ستلعب دورًا هامًا في تحويل وتطوير صناعة الطيران التقليدية في الصين. فسارع إلى التقدم لعدد من مشاريع البحث التمهيدية ذات الصلة، وشكّل فريقًا بحثيًا، وقاد عملية إدخال تقنية "اللحام بالليزر ثنائي الحزمة" في مشاريع البحث في الصين. ومنذ البداية، خطط لتطبيق هذه التقنية في صناعة الطائرات. قدم فريق الخبراء الصيني تقريرًا عن التقنية الأولية إلى معهد تصميم طائرات، وسلط الضوء على مزايا وجدوى اللحام بالليزر ثنائي الحزمة. وبعد إجراء العديد من عمليات التحقق والتقييم، قرر معهد التصميم تطبيق هذه التقنية في تصنيع ألواح الجدران المضلعة لطائرة معينة، محققًا بذلك الهدف الأولي المتمثل في تطبيق تقنية "اللحام بالليزر ثنائي الحزمة" في صناعة الطائرات. حققت الشركة إنجازات رائدة في تقنيات أساسية، مثل التحكم الدقيق في سلك حشو اللحام بالليزر للسبائك الخفيفة، وطورت جهاز لحام هجين متكامل ومبتكر يعمل بشعاعين ليزريين، وأنشأت أول منصة لحام عالية الطاقة بشعاعين ليزريين في الصين، وحققت اللحام المتزامن ثنائي الشعاع وثنائي الجانب للوصلات على شكل حرف T في الهياكل الكبيرة ذات الجدران الرقيقة، وطبقته بنجاح لأول مرة في تصنيع اللحام للأجزاء الهيكلية الرئيسية لألواح الجدران المضلعة للطائرات، ما ساهم بشكل كبير في تطوير الطائرات الصينية الحديثة. وفي عام 2003، اجتازت أول مجموعة كاملة من معدات اللحام الشريطي واسعة النطاق على الإنترنت، والمقدمة من شركة HG Laser، مرحلة القبول النهائي. وتدمج هذه المعدات القطع بالليزر واللحام والمعالجة الحرارية، ما جعل HG Laser واحدة من أربع شركات عالمية قادرة على إنتاج مثل هذه المعدات. في عام 2004، فاز مشروع "تقنية ومعدات معالجة القطع واللحام بالليزر عالي الطاقة والقطع واللحام المدمج" التابع لشركة HG Laser Farley Laserlab بالجائزة الثانية لجائزة التقدم العلمي والتكنولوجي الوطنية، مما جعلها الشركة الوحيدة في الصين التي تمتلك القدرة على البحث والتطوير في هذه التقنية والمعدات. ومع التطور السريع لصناعة الليزر، فرض السوق متطلبات أعلى على تقنية معالجة الليزر. وقد تحولت تقنية الليزر تدريجيًا من تطبيق واحد إلى تطبيقات متنوعة. ففي مجال معالجة الليزر، لم تعد مقتصرة على القطع أو اللحام فقط. ويتزايد طلب السوق على معدات معالجة الليزر المتكاملة التي تجمع بين القطع واللحام، ومن هنا ظهرت معدات القطع واللحام المتكاملة بالليزر. وقد طورت شركة HG Laser Farley Laserlab آلة القطع واللحام المتكاملة Walc9030، ذات الحجم الكبير جدًا 9×3 أمتار، والتي تُعد حاليًا أكبر معدات القطع واللحام المتكاملة بالليزر في العالم. وتُعد Walc9030 معدات قطع ولحام كبيرة الحجم تجمع بين...وظائف القطع بالليزر واللحام بالليزرمُجهّز برأس قطع احترافي ورأس لحام، حيث يتشارك رأسَا المعالجة شعاعًا واحدًا. تضمن تقنية التحكم الرقمي عدم تداخلهما. يُمكن للجهاز إنجاز عمليتين تتطلبان القطع واللحام في آنٍ واحد. يُمكنه التبديل بسلاسة بين القطع أولًا ثم اللحام، أو اللحام أولًا ثم القطع، مُحققًا بذلك وظيفتي القطع واللحام بالليزر بجهاز واحد دون الحاجة إلى معدات إضافية. يُوفر هذا تكاليف المعدات لمُصنّعي التطبيقات، ويُحسّن كفاءة المعالجة ونطاقها. علاوة على ذلك، وبفضل تكامل القطع واللحام، تُضمن دقة المعالجة بشكل كامل، ويتميز أداء الجهاز بالكفاءة والاستقرار. بالإضافة إلى ذلك، فقد تغلب على صعوبات التشوه الحراري للصفائح أثناء اللحام المُخصّص للصفائح فائقة الحجم، وعلى تحقيق مسارات بصرية طائرة فائقة الطول بثبات. يُمكنه لحام صفيحتين مُسطّحتين بطول 6 أمتار وعرض 1.5 متر في وقت واحد، ويكون سطح اللحام أملسًا ومستويًا دون الحاجة إلى معالجة لاحقة. في الوقت نفسه، يمكنها قطع ألواح بعرض 3 أمتار، وطول يزيد عن 6 أمتار، وسماكة أقل من 20 ملم في عملية تشكيل واحدة دون الحاجة إلى تحديد موضع ثانوي. وقد أجرى معهد شنيانغ للأتمتة، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، تعاونًا دوليًا مع شركة IHI (اليابان). وباتباع استراتيجية التنمية العلمية والتكنولوجية الوطنية القائمة على "الاستيعاب والدمج وإعادة الابتكار"، تمكن المعهد من التغلب على العديد من التقنيات الرئيسية.اللحام المخصص بالليزرفي سبتمبر 2006، طوّر غونغ شويلي أول مجموعة متكاملة من خطوط إنتاج اللحام بالليزر في الصين، ونجح في تطوير نظام لحام ليزري آلي، مما أتاح لحام المنحنيات المستوية والفراغية. وفي أكتوبر 2013، فاز خبير لحام صيني بجائزة بروك، وهي أرفع جائزة أكاديمية في مجال اللحام. يُرشّح معهد اللحام (TWI، المملكة المتحدة) سنويًا مرشحين من بين أكثر من 4000 وحدة عضو في أكثر من 120 دولة، ويمنح هذه الجائزة في النهاية لخبير واحد تقديرًا لمساهماته المتميزة في علوم وتكنولوجيا اللحام أو الربط وتطبيقاتها الصناعية. لا تُعدّ هذه الجائزة تقديرًا لغونغ شويلي وفريقه فحسب، بل هي أيضًا تأكيد على دور شركة AVIC في تعزيز تقدّم تكنولوجيا ربط المواد.

## المعايير الهيكلية

### معدات التشغيل: يتكون جهاز الليزر من مذبذب ضوئي ووسط موضوع بين مرآتين عند طرفي تجويف المذبذب. عند إثارة هذا الوسط إلى حالة طاقة عالية، يبدأ بتوليد موجات ضوئية متوافقة الطور، تنعكس ذهابًا وإيابًا بين المرآتين، مُشكلةً تأثيرًا كهروضوئيًا متسلسلًا. يُضخّم هذا التأثير الموجات الضوئية، وعند الحصول على طاقة كافية، ينبعث الليزر. يُمكن تعريف الليزر أيضًا بأنه جهاز يُحوّل مصادر الطاقة الأولية، مثل الطاقة الكهربائية، والطاقة الكيميائية، والطاقة الحرارية، والطاقة الضوئية، أو الطاقة النووية، إلى حزم إشعاع كهرومغناطيسي بترددات ضوئية محددة (ضوء فوق بنفسجي، أو ضوء مرئي، أو ضوء تحت أحمر). يُمكن إجراء هذا التحويل بسهولة في بعض الأوساط الصلبة أو السائلة أو الغازية. عند إثارة هذه الأوساط على شكل ذرات أو جزيئات، فإنها تُنتج حزمة ضوئية ذات طور متطابق تقريبًا وطول موجي واحد تقريبًا - وهو الليزر. بفضل خاصية التزامن الطوري وطول الموجة الأحادي، تكون زاوية التباعد صغيرة جدًا، ويمكن نقلها لمسافات طويلة قبل أن تتركز بشكل كبير لتوفير وظائف مثل اللحام والقطع والمعالجة الحرارية. ### تصنيف الليزر: يوجد نوعان رئيسيان من الليزر المستخدم في اللحام، وهما ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وليزر Nd:YAG. كلا النوعين عبارة عن ضوء تحت أحمر غير مرئي للعين المجردة. يتكون شعاع ليزر Nd:YAG بشكل أساسي من ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 1.06 ميكرومتر. تتميز الموصلات الحرارية بمعدل امتصاص عالٍ نسبيًا للضوء بهذا الطول الموجي، وبالنسبة لمعظم المعادن، تتراوح نسبة الانعكاس بين 20% و30%. يمكن تركيز شعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى قطر 0.25 ملم باستخدام العدسات البصرية القياسية. أما شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون فهو ضوء بعيد من الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 10.6 ميكرومتر. تتميز معظم المعادن بانعكاسية تتراوح بين 80% و90% لهذا النوع من الضوء، لذا يلزم استخدام عدسات بصرية خاصة لتركيز الشعاع بقطر يتراوح بين 0.75 و1.0 ملم. تصل قدرة ليزر Nd:YAG عمومًا إلى حوالي 4000-6000 واط، وقد بلغت أقصى قدرة له 10000 واط. في المقابل، يمكن أن تصل قدرة ليزر ثاني أكسيد الكربون بسهولة إلى 20000 واط أو أكثر. يتغلب ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي القدرة على مشكلة الانعكاسية العالية من خلال تأثير ثقب المفتاح. فعندما ينصهر سطح المادة المعرضة لبقعة الضوء، يتشكل ثقب مفتاح. هذا الثقب، المملوء بالبخار، يشبه الجسم الأسود، حيث يمتص معظم طاقة الضوء الساقط. تصل درجة حرارة التوازن داخل ثقب المفتاح إلى حوالي 25000 درجة مئوية، وتنخفض الانعكاسية بسرعة خلال بضع ميكروثوانٍ. على الرغم من أن تركيز تطوير ليزر ثاني أكسيد الكربون لا يزال منصباً على تطوير المعدات والبحوث، إلا أنه لم يعد يدور حول زيادة أقصى قدرة خرج، بل حول كيفية تحسين جودة الشعاع وأداء تركيزه. إضافةً إلى ذلك، عند استخدام الأرجون كغاز واقٍ في لحام ليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرة تزيد عن 10 كيلوواط، فإنه غالباً ما يُولّد بلازما قوية، مما يقلل من عمق الاختراق. لذلك، يُستخدم الهيليوم، الذي لا يُولّد بلازما، كغاز واقٍ في لحام ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي القدرة. يُعدّ استخدام تركيبات ليزر الديود لإثارة بلورات Nd:YAG عالية القدرة موضوعاً بحثياً وتطويرياً هاماً، من شأنه أن يُحسّن جودة أشعة الليزر بشكل كبير ويُتيح معالجة ليزرية أكثر كفاءة. وقد حقق استخدام مصفوفات الديود المباشرة لإثارة وإخراج الليزر في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة قدرة متوسطة تبلغ 1 كيلوواط وكفاءة تحويل كهروضوئي تقارب 50%. كما تتميز الديودات بعمر خدمة أطول (10000 ساعة)، مما يُساعد على تقليل تكلفة صيانة معدات الليزر. كما أن تطوير معدات الليزر ذي الحالة الصلبة المضخّم بالديود (DPSSL) يتقدم أيضاً.