معدل امتصاص الليزر والتغيرات في حالة المادة الناتجة عن تفاعل الليزر مع المادة

يتضمن التفاعل بين الليزر والمواد العديد من الظواهر والخصائص الفيزيائية. ستتناول المقالات الثلاث التالية الظواهر الفيزيائية الرئيسية الثلاث المتعلقة بعملية اللحام بالليزر، وذلك لتزويد الزملاء بفهم أوضح لها.عملية اللحام بالليزرينقسم هذا إلى معدل امتصاص الليزر وتغيرات الحالة، والبلازما، وتأثير ثقب المفتاح. سنتناول في هذا المقال العلاقة بين تغيرات حالة الليزر والمواد ومعدل الامتصاص.

التغيرات في حالة المادة الناتجة عن التفاعل بين الليزر والمواد

تعتمد معالجة المواد المعدنية بالليزر بشكل أساسي على المعالجة الحرارية الناتجة عن التأثيرات الكهروحرارية. عند تسليط إشعاع الليزر على سطح المادة، تحدث تغيرات مختلفة في مساحة سطحها باختلاف كثافة الطاقة. تشمل هذه التغيرات ارتفاع درجة حرارة السطح، والانصهار، والتبخر، وتكوّن الثقوب، وتوليد البلازما. علاوة على ذلك، تؤثر التغيرات في الحالة الفيزيائية لسطح المادة بشكل كبير على امتصاصها لليزر. مع زيادة كثافة الطاقة ومدة التأثير، تخضع المادة المعدنية للتغيرات التالية في حالتها:

عندماقوة الليزرنظرًا لانخفاض الكثافة (<10^4 واط/سم^2) وقصر مدة التشعيع، فإن طاقة الليزر التي يمتصها المعدن لا تؤدي إلا إلى ارتفاع درجة حرارة المادة من السطح إلى الداخل، لكن الحالة الصلبة تبقى دون تغيير. ويُستخدم بشكل أساسي في تلدين الأجزاء ومعالجة التصليد بتحويل الطور، وتُعدّ الأدوات والتروس والمحامل من أكثرها استخدامًا.

مع ازدياد كثافة طاقة الليزر (10⁴-10⁶ واط/سم²) وإطالة مدة التشعيع، ينصهر سطح المادة تدريجيًا. ومع ازدياد الطاقة المُدخلة، يتحرك سطح التماس بين الطورين السائل والصلب تدريجيًا نحو أعماق المادة. تُستخدم هذه العملية الفيزيائية بشكل أساسي في إعادة صهر الأسطح، والسبائك، والتكسية، ولحام المعادن بالتوصيل الحراري.

بزيادة كثافة الطاقة (>10^6 واط/سم^2) وإطالة مدة عمل الليزر، لا ينصهر سطح المادة فحسب، بل يتبخر أيضًا، وتتجمع المواد المتبخرة بالقرب من سطح المادة وتتأين بشكل ضعيف لتشكيل بلازما. تساعد هذه البلازما الرقيقة المادة على امتصاص الليزر؛ وتحت ضغط التبخر والتمدد، يتشوه سطح المادة السائلة ويشكل حفرًا. يمكن استخدام هذه المرحلة في لحام الليزر، وخاصةً في لحام التوصيل الحراري للوصلات الدقيقة التي لا تتجاوز 0.5 مم.

بزيادة كثافة الطاقة (>10^7 واط/سم^2) وإطالة مدة التشعيع، يتعرض سطح المادة لتبخر شديد، مُشكِّلاً بلازما ذات درجة تأين عالية. تُوفِّر هذه البلازما الكثيفة حمايةً لليزر، مما يُقلِّل بشكل كبير من كثافة طاقة الليزر الساقط على المادة. في الوقت نفسه، وتحت تأثير قوة رد فعل البخار الكبيرة، تتشكل ثقوب صغيرة، تُعرف باسم "ثقوب المفتاح"، داخل المعدن المنصهر. يُفيد وجود هذه الثقوب المادة في امتصاص الليزر، ويمكن استخدام هذه المرحلة في اللحام العميق بالليزر، والقطع، والحفر، والتصليد بالصدمات، وغيرها.

في ظل ظروف مختلفة، ستؤدي أطوال موجية مختلفة من إشعاع الليزر على مواد معدنية مختلفة إلى قيم محددة لكثافة الطاقة في كل مرحلة.

فيما يتعلق بامتصاص الليزر بواسطة المواد، يُعد تبخر المواد عاملاً حاسماً. فعندما لا تتبخر المادة، سواء كانت صلبة أو سائلة، يتغير امتصاصها لليزر ببطء مع ارتفاع درجة حرارة سطحها؛ أما بمجرد تبخر المادة وتكوّن البلازما والثقوب، فإن امتصاصها لليزر يتغير فجأة.

كما هو موضح في الشكل 2، يتغير معدل امتصاص الليزر على سطح المادة أثناء اللحام بالليزر تبعًا لكثافة طاقة الليزر ودرجة حرارة سطح المادة. عندما لا تنصهر المادة، يزداد معدل امتصاصها لليزر تدريجيًا مع ارتفاع درجة حرارة سطحها. وعندما تتجاوز كثافة الطاقة 10⁶ واط/سم²، تتبخر المادة بشدة، مُشكّلةً ثقبًا. يدخل الليزر هذا الثقب مُحدثًا انعكاسات وامتصاصات متعددة، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في معدل امتصاص المادة لليزر، وبالتالي زيادة ملحوظة في عمق الانصهار.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – الطول الموجي

يوضح الشكل أعلاه منحنى العلاقة بين الانعكاسية والامتصاصية والطول الموجي للمعادن شائعة الاستخدام عند درجة حرارة الغرفة. في منطقة الأشعة تحت الحمراء، ينخفض ​​معدل الامتصاص وتزداد الانعكاسية مع زيادة الطول الموجي. تعكس معظم المعادن بقوة ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجي 10.6 ميكرومتر (ثاني أكسيد الكربون)، بينما تعكس بشكل ضعيف ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجي 1.06 ميكرومتر (1060 نانومتر). تتميز المواد المعدنية بمعدلات امتصاص أعلى لأشعة الليزر ذات الأطوال الموجية القصيرة، مثل الضوء الأزرق والأخضر.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية – درجة حرارة المادة وكثافة طاقة الليزر

على سبيل المثال، عند أخذ سبائك الألومنيوم، عندما تكون المادة صلبة، يكون معدل امتصاص الليزر حوالي 5-7%، ويصل معدل امتصاص السائل إلى 25-35%، ويمكن أن يصل إلى أكثر من 90% في حالة ثقب المفتاح.

يزداد معدل امتصاص المادة لليزر مع ارتفاع درجة الحرارة. يكون معدل امتصاص المواد المعدنية منخفضًا جدًا عند درجة حرارة الغرفة. وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى ما يقارب نقطة الانصهار، قد يصل معدل امتصاصها إلى 40% إلى 60%. أما إذا اقتربت درجة الحرارة من نقطة الغليان، فقد يصل معدل امتصاصها إلى 90%.

امتصاص الليزر بواسطة المواد المعدنية - حالة السطح

يتم قياس معدل الامتصاص التقليدي باستخدام سطح معدني أملس، ولكن في التطبيقات العملية للتسخين بالليزر، عادة ما يكون من الضروري زيادة معدل امتصاص بعض المواد ذات الانعكاس العالي (الألومنيوم والنحاس) لتجنب اللحام الخاطئ الناتج عن الانعكاس العالي؛

يمكن استخدام الطرق التالية:

1. اعتماد عمليات المعالجة المسبقة المناسبة للسطح لتحسين انعكاس الليزر: أكسدة النموذج الأولي، والتفجير الرملي، والتنظيف بالليزر، وطلاء النيكل، وطلاء القصدير، وطلاء الجرافيت، وما إلى ذلك، كلها يمكن أن تحسن معدل امتصاص المادة لليزر؛

يكمن جوهر هذه التقنية في زيادة خشونة سطح المادة (مما يُسهّل انعكاسات الليزر المتعددة وامتصاصه)، بالإضافة إلى زيادة كمية مادة الطلاء ذات معدل الامتصاص العالي. ومن خلال امتصاص طاقة الليزر وصهرها وتبخيرها عبر مواد ذات معدل امتصاص عالٍ، تنتقل حرارة الليزر إلى المادة الأساسية لتحسين معدل امتصاصها وتقليل اللحام الوهمي الناتج عن ظاهرة الانعكاس العالي.