تفاعل الليزر مع المواد – تأثير ثقب المفتاح

تكوين وتطور ثقوب المفاتيح:

تعريف ثقب المفتاح: عندما تتجاوز شدة الإشعاع 10^6 واط/سم^2، ينصهر سطح المادة ويتبخر بفعل الليزر. وعندما تكون سرعة التبخر كافية، يكون ضغط ارتداد البخار الناتج كافيًا للتغلب على التوتر السطحي وجاذبية المعدن السائل، مما يؤدي إلى إزاحة جزء منه، وبالتالي غرق حوض المعدن المنصهر في منطقة الإثارة وتكوين حفر صغيرة. يؤثر شعاع الليزر مباشرةً على قاع الحفرة الصغيرة، مما يزيد من انصهار المعدن وتحوله إلى غاز. يستمر البخار عالي الضغط في دفع المعدن السائل في قاع الحفرة نحو محيط حوض المعدن المنصهر، مما يزيد من عمق الثقب الصغير. تستمر هذه العملية، لتشكل في النهاية ثقبًا يشبه ثقب المفتاح في المعدن السائل. عندما يصل ضغط بخار المعدن الناتج عن شعاع الليزر في الثقب الصغير إلى حالة توازن مع التوتر السطحي وجاذبية المعدن السائل، يتوقف الثقب الصغير عن التعمق، ويشكل ثقبًا صغيرًا مستقر العمق، وهو ما يُعرف بـ "تأثير الثقب الصغير".

مع تحرك شعاع الليزر بالنسبة لقطعة العمل، يظهر الثقب الصغير بانحناء أمامي طفيف للخلف ومثلث مقلوب مائل بوضوح في الخلف. تمثل الحافة الأمامية للثقب منطقة تأثير الليزر، حيث ترتفع درجة الحرارة وضغط البخار، بينما تكون درجة الحرارة على طول الحافة الخلفية منخفضة نسبيًا وضغط البخار منخفضًا. تحت تأثير هذا التفاوت في الضغط ودرجة الحرارة، يتدفق السائل المنصهر حول الثقب الصغير من الطرف الأمامي إلى الطرف الخلفي، مكونًا دوامة في الطرف الخلفي، ثم يتصلب في النهاية عند الحافة الخلفية. يوضح الشكل أعلاه الحالة الديناميكية للثقب الرئيسي، والتي تم الحصول عليها من خلال محاكاة الليزر واللحام الفعلي، بالإضافة إلى شكل الثقوب الصغيرة وتدفق السائل المنصهر المحيط بها أثناء تحركها بسرعات مختلفة.

بسبب وجود ثقوب صغيرة، تخترق طاقة شعاع الليزر المادة من الداخل، مُشكّلةً خط لحام عميقًا وضيقًا. يوضح الشكل أعلاه الشكل المورفولوجي النموذجي لمقطع خط اللحام الناتج عن اختراق الليزر العميق. يقترب عمق اختراق خط اللحام من عمق ثقب المفتاح (وبالتحديد، تكون الطبقة المعدنية أعمق من ثقب المفتاح بمقدار 60-100 ميكرومتر، أي أقل بطبقة سائلة واحدة). كلما زادت كثافة طاقة الليزر، زاد عمق الثقب الصغير، وبالتالي زاد عمق اختراق خط اللحام. في لحام الليزر عالي الطاقة، قد تصل نسبة العمق إلى العرض القصوى لخط اللحام إلى 12:1.

تحليل امتصاصطاقة الليزرعن طريق ثقب المفتاح

قبل تكوّن الثقوب الصغيرة والبلازما، تنتقل طاقة الليزر بشكل رئيسي إلى داخل قطعة العمل عبر التوصيل الحراري. تُصنّف عملية اللحام هذه ضمن اللحام التوصيلي (بعمق اختراق أقل من 0.5 مم)، وتتراوح نسبة امتصاص الليزر في المادة بين 25 و45%. بمجرد تكوّن الثقب الرئيسي، يمتصّ باطن قطعة العمل طاقة الليزر بشكل رئيسي من خلال تأثير الثقب الرئيسي، وتتحوّل عملية اللحام إلى لحام اختراق عميق (بعمق اختراق يزيد عن 0.5 مم)، حيث تصل نسبة الامتصاص إلى ما يزيد عن 60-90%.

يلعب تأثير ثقب المفتاح دورًا بالغ الأهمية في تعزيز امتصاص الليزر أثناء عمليات المعالجة مثل اللحام والقطع والحفر بالليزر. يتم امتصاص شعاع الليزر الداخل إلى ثقب المفتاح بشكل شبه كامل من خلال انعكاسات متعددة من جدار الثقب.

يُعتقد عمومًا أن آلية امتصاص الطاقة لليزر داخل ثقب المفتاح تتضمن عمليتين: الامتصاص العكسي وامتصاص فريسنل.

توازن الضغط داخل ثقب المفتاح

أثناء عملية اللحام بالليزر العميق، تتعرض المادة لتبخر شديد، ويؤدي ضغط التمدد الناتج عن البخار عالي الحرارة إلى طرد المعدن السائل، مُشكلاً ثقوبًا صغيرة. بالإضافة إلى ضغط البخار وضغط التبخر (المعروف أيضًا بقوة رد فعل التبخر أو ضغط الارتداد) للمادة، هناك أيضًا التوتر السطحي، والضغط الساكن للسائل الناتج عن الجاذبية، والضغط الديناميكي للسائل الناتج عن تدفق المادة المنصهرة داخل الثقب الصغير. من بين هذه الضغوط، يحافظ ضغط البخار فقط على فتح الثقب الصغير، بينما تسعى القوى الثلاث الأخرى إلى إغلاقه. وللحفاظ على استقرار الثقب الرئيسي أثناء عملية اللحام، يجب أن يكون ضغط البخار كافيًا للتغلب على المقاومة الأخرى وتحقيق التوازن، مما يضمن استقرار الثقب الرئيسي على المدى الطويل. ولتبسيط الأمر، يُعتقد عمومًا أن القوى المؤثرة على جدار الثقب الرئيسي هي بشكل أساسي ضغط التبخر (ضغط ارتداد بخار المعدن) والتوتر السطحي.

عدم استقرار ثقب المفتاح

الخلفية: يؤثر الليزر على سطح المواد، مما يؤدي إلى تبخر كمية كبيرة من المعدن. يضغط ضغط الارتداد على حوض المعدن المنصهر، مكونًا ثقوبًا وبلازما، مما يزيد من عمق الانصهار. أثناء هذه الحركة، يصطدم الليزر بالجدار الأمامي للثقب، ويتسبب موضع تلامس الليزر مع المادة في تبخرها بشكل كبير. في الوقت نفسه، يفقد جدار الثقب جزءًا من كتلته، ويؤدي التبخر إلى ضغط ارتدادي يضغط على المعدن السائل، مما يتسبب في تذبذب الجدار الداخلي للثقب نحو الأسفل وتحركه حول قاع الثقب باتجاه الجزء الخلفي من حوض المعدن المنصهر. نتيجةً لتذبذب حوض المعدن المنصهر من الجدار الأمامي إلى الجدار الخلفي، يتغير حجم الثقب باستمرار، ويتغير الضغط الداخلي تبعًا لذلك، مما يؤدي إلى تغير في حجم البلازما المتناثرة. يؤدي تغير حجم البلازما إلى تغيرات في الحماية والانكسار وامتصاص طاقة الليزر، مما ينتج عنه تغيرات في طاقة الليزر التي تصل إلى سطح المادة. هذه العملية ديناميكية ودورية، وتؤدي في النهاية إلى اختراق معدني متموج على شكل أسنان المنشار، ولا يوجد لحام ذو اختراق متساوٍ وسلس. الشكل أعلاه هو مقطع عرضي لمركز اللحام تم الحصول عليه عن طريق قطع طولي موازٍ لمركز اللحام، بالإضافة إلى قياس في الوقت الحقيقي لتغير عمق الثقب الرئيسي.IPG-LDD كدليل.

تحسين اتجاه استقرار ثقب المفتاح

أثناء اللحام بالليزر ذي الاختراق العميق، لا يمكن ضمان استقرار الثقب الصغير إلا من خلال التوازن الديناميكي للضغوط المختلفة داخله. ومع ذلك، فإن امتصاص طاقة الليزر بواسطة جدار الثقب، وتبخر المواد، وانبعاث بخار المعدن خارج الثقب، وحركة الثقب وحوض المعدن المنصهر للأمام، كلها عمليات شديدة وسريعة. في ظل ظروف معينة، وفي لحظات محددة أثناء عملية اللحام، قد يختل استقرار الثقب الصغير في مناطق محددة، مما يؤدي إلى عيوب في اللحام. ومن أكثر هذه العيوب شيوعًا عيوب المسامية الصغيرة وتناثر المعدن الناتج عن انهيار الثقب الرئيسي.

فكيف يمكن تثبيت ثقب المفتاح؟

يُعدّ تذبذب سائل ثقب المفتاح عملية معقدة نسبيًا، إذ ينطوي على عوامل عديدة (مجال درجة الحرارة، مجال التدفق، مجال القوة، فيزياء الإلكترونيات الضوئية)، ويمكن تلخيصها ببساطة في فئتين: العلاقة بين التوتر السطحي وضغط ارتداد بخار المعدن؛ إذ يؤثر ضغط ارتداد بخار المعدن بشكل مباشر على تكوين ثقوب المفتاح، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بعمقها وحجمها. وفي الوقت نفسه، وباعتباره المادة الوحيدة المتحركة لأعلى في بخار المعدن أثناء عملية اللحام، فإنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بحدوث التناثر؛ ويؤثر التوتر السطحي على تدفق حوض المعدن المنصهر.

لذا، تعتمد عملية اللحام بالليزر المستقرة على الحفاظ على تدرج توزيع التوتر السطحي في حوض اللحام المنصهر، دون حدوث تقلبات كبيرة. يرتبط التوتر السطحي بتوزيع درجة الحرارة، ويرتبط توزيع درجة الحرارة بمصدر الحرارة. لذلك، يُعد استخدام مصدر حرارة مركب ولحام متأرجح من الاتجاهات التقنية الواعدة لتحقيق عملية لحام مستقرة.

يجب مراعاة تأثير البلازما وحجم فتحة ثقب المفتاح عند حساب بخار المعدن وحجم ثقب المفتاح. فكلما كبرت الفتحة، كبرت فتحة المفتاح، مع إهمال التقلبات في قاع حوض الانصهار، مما يؤثر بشكل طفيف على الحجم الكلي لثقب المفتاح وتغيرات الضغط الداخلي. لذا، يمكن توسيع نطاق استخدام تقنيات مثل ليزر الحلقة القابل للتعديل (البقعة الحلقية)، وإعادة تركيب قوس الليزر، وتعديل التردد، وغيرها.