بالمقارنة مع تكنولوجيا اللحام التقليدية،اللحام بالليزرتتمتع بمزايا لا مثيل لها في دقة اللحام والكفاءة والموثوقية والأتمتة والجوانب الأخرى. وفي السنوات الأخيرة، تطورت بسرعة في مجالات السيارات والطاقة والإلكترونيات وغيرها من المجالات، وتعتبر واحدة من تقنيات التصنيع الواعدة في القرن الحادي والعشرين.
1. نظرة عامة على الشعاع المزدوجاللحام بالليزر
شعاع مزدوجاللحام بالليزرهو استخدام الطرق البصرية لفصل نفس الليزر إلى شعاعين منفصلين من الضوء للحام، أو استخدام نوعين مختلفين من الليزر للدمج، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر Nd: YAG، وليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. يمكن الجمع بين كل شيء. تم اقتراحه بشكل أساسي لحل قابلية تكيف اللحام بالليزر مع دقة التجميع وتحسين استقرار عملية اللحام وتحسين جودة اللحام. شعاع مزدوجاللحام بالليزريمكن ضبط مجال درجة حرارة اللحام بسهولة ومرونة عن طريق تغيير نسبة طاقة الشعاع، وتباعد الشعاع، وحتى نمط توزيع الطاقة لشعاعي الليزر، مما يغير نمط وجود ثقب المفتاح ونمط تدفق المعدن السائل في البركة المنصهرة. يوفر خيارًا أوسع لعمليات اللحام. ليس لديها فقط مزايا كبيرةاللحام بالليزرالاختراق والسرعة والدقة العالية، ولكنه مناسب أيضًا للمواد والمفاصل التي يصعب لحامها بالطرق التقليديةاللحام بالليزر.
للشعاع المزدوجاللحام بالليزر، نناقش أولاً طرق تنفيذ الليزر مزدوج الشعاع. تُظهر الأدبيات الشاملة أن هناك طريقتين رئيسيتين لتحقيق اللحام المزدوج الشعاع: تركيز الإرسال وتركيز الانعكاس. على وجه التحديد، يتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط الزاوية والتباعد بين جهازي ليزر من خلال مرايا التركيز والمرايا الموازية. ويتم تحقيق الآخر باستخدام مصدر ليزر ثم التركيز من خلال المرايا العاكسة والمرايا الناقلة والمرايا ذات الشكل الإسفيني لتحقيق أشعة مزدوجة. بالنسبة للطريقة الأولى، هناك ثلاثة أشكال بشكل أساسي. النموذج الأول هو دمج جهازي ليزر من خلال الألياف الضوئية وتقسيمهما إلى شعاعين مختلفين تحت نفس المرآة المتوازية ومرآة التركيز. والثاني هو أن اثنين من الليزر يخرجان أشعة الليزر من خلال رؤوس اللحام الخاصة بهما، ويتم تشكيل شعاع مزدوج عن طريق ضبط الموضع المكاني لرؤوس اللحام. الطريقة الثالثة هي أن شعاع الليزر يتم تقسيمه أولا من خلال مرآتين 1 و 2، ومن ثم يتم تركيزه بواسطة مرآتين تركيز 3 و 4 على التوالي. يمكن تعديل الموضع والمسافة بين نقطتي التركيز عن طريق ضبط زوايا مرآتي التركيز 3 و4. الطريقة الثانية هي استخدام ليزر الحالة الصلبة لتقسيم الضوء لتحقيق أشعة مزدوجة، وضبط الزاوية و التباعد من خلال مرآة المنظور ومرآة التركيز. تُظهر الصورتان الأخيرتان في الصف الأول أدناه النظام الطيفي لليزر ثاني أكسيد الكربون. يتم استبدال المرآة المسطحة بمرآة على شكل إسفين ويتم وضعها أمام مرآة التركيز لتقسيم الضوء لتحقيق ضوء متوازي مزدوج الشعاع.
بعد فهم تنفيذ الحزم المزدوجة، دعونا نقدم بإيجاز مبادئ وطرق اللحام. في الشعاع المزدوجاللحام بالليزرفي هذه العملية، هناك ثلاثة ترتيبات مشتركة للشعاع، وهي الترتيب التسلسلي والترتيب المتوازي والترتيب الهجين. القماش، أي أن هناك مسافة في كل من اتجاه اللحام واتجاه اللحام الرأسي. كما هو موضح في الصف الأخير من الشكل، وفقًا للأشكال المختلفة للثقوب الصغيرة والمسابح المنصهرة التي تظهر تحت مسافات نقطية مختلفة أثناء عملية اللحام التسلسلي، يمكن تقسيمها أيضًا إلى مصهورات مفردة. هناك ثلاث حالات: حمام السباحة، حمام السباحة المنصهر المشترك، حمام السباحة المنصهر المنفصل. تتشابه خصائص البركة المنصهرة المفردة والمسبح المنصهر المنفصل مع خصائص البركة المنصهرة الفرديةاللحام بالليزر، كما هو موضح في مخطط المحاكاة العددية. هناك تأثيرات عملية مختلفة لأنواع مختلفة.
النوع 1: تحت مسافة معينة من البقعة، يشكل ثقبا المفتاح ذو الشعاعين ثقب مفتاح كبير مشتركًا في نفس البركة المنصهرة؛ بالنسبة للنوع 1، يُذكر أنه يتم استخدام شعاع واحد من الضوء لإنشاء ثقب صغير، ويتم استخدام شعاع الضوء الآخر للمعالجة الحرارية للحام، مما يمكن أن يحسن بشكل فعال الخصائص الهيكلية للفولاذ عالي الكربون وسبائك الفولاذ.
النوع 2: زيادة التباعد الموضعي في نفس البركة المنصهرة، وفصل العارضتين إلى فتحتين مستقلتين، وتغيير نمط تدفق البركة المنصهرة؛ بالنسبة للنوع 2، فإن وظيفته تعادل لحام شعاع الإلكترون، مما يقلل من تناثر اللحام واللحامات غير المنتظمة عند الطول البؤري المناسب.
النوع الثالث: زيادة تباعد البقع وتغيير نسبة الطاقة بين العتبتين، بحيث يتم استخدام إحدى العتبتين كمصدر للحرارة لإجراء عملية اللحام المسبق أو ما بعد اللحام أثناء عملية اللحام، والعارضة الأخرى يستخدم لإنشاء ثقوب صغيرة. بالنسبة للنوع 3، وجدت الدراسة أن الحزمتين تشكلان ثقب المفتاح، والثقب الصغير ليس من السهل طيه، واللحام ليس من السهل إنتاج المسام.
2. تأثير عملية اللحام على جودة اللحام
تأثير نسبة طاقة الحزمة التسلسلية على تشكيل التماس اللحام
عندما تكون قوة الليزر 2 كيلو واط، تكون سرعة اللحام 45 مم / ثانية، ومقدار إزالة التركيز البؤري 0 مم، وتباعد الشعاع 3 مم، ويكون شكل سطح اللحام عند تغيير RS (RS = 0.50، 0.67، 1.50، 2.00) كما هو يظهر في الشكل. عندما RS = 0.50 و 2.00، يتم انبعاج اللحام إلى حد أكبر، ويكون هناك المزيد من التناثر على حافة اللحام، دون تشكيل أنماط منتظمة لقشرة السمك. وذلك لأنه عندما تكون نسبة طاقة الشعاع صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، فإن طاقة الليزر تكون مركزة جدًا، مما يتسبب في تأرجح ثقب الليزر بشكل أكثر خطورة أثناء عملية اللحام، ويتسبب ضغط الارتداد للبخار في طرد وتناثر المادة المنصهرة تجمع المعدن في البركة المنصهرة؛ يؤدي الإدخال المفرط للحرارة إلى أن يكون عمق اختراق حوض السباحة المنصهر على جانب سبائك الألومنيوم كبيرًا جدًا، مما يتسبب في انخفاض تحت تأثير الجاذبية. عندما تكون RS = 0.67 و1.50، يكون نمط مقياس السمك على سطح اللحام موحدًا، ويكون شكل اللحام أكثر جمالاً، ولا توجد شقوق ساخنة مرئية في اللحام، ومسام وعيوب لحام أخرى على سطح اللحام. تظهر أشكال المقطع العرضي للحامات ذات نسب طاقة الشعاع المختلفة RS في الشكل. يكون المقطع العرضي للحامات على شكل "زجاج نبيذ" نموذجي، مما يشير إلى أن عملية اللحام تتم في وضع اللحام باختراق عميق بالليزر. RS له تأثير مهم على عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبائك الألومنيوم. عندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS=0.5، تكون P2 1203.2 ميكرون. عندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS=0.67 و1.5، يتم تقليل P2 بشكل كبير، وهي 403.3 ميكرون و93.6 ميكرون على التوالي. عندما تكون نسبة طاقة الحزمة RS = 2، يكون عمق اختراق اللحام للمقطع العرضي المشترك 1151.6 ميكرون.
تأثير نسبة طاقة الحزمة المتوازية على تشكيل التماس اللحام
عندما تكون طاقة الليزر 2.8 كيلو وات، تكون سرعة اللحام 33 مم / ثانية، ومقدار إزالة التركيز البؤري 0 مم، وتباعد الشعاع 1 مم، ويتم الحصول على سطح اللحام عن طريق تغيير نسبة طاقة الشعاع (RS = 0.25، 0.5، 0.67، 1.5) ، 2، 4) المظهر موضح في الشكل. عندما تكون RS = 2، يكون نمط قشور السمك على سطح اللحام غير منتظم نسبيًا. يتم تشكيل سطح اللحام الذي تم الحصول عليه بواسطة نسب طاقة الشعاع الخمسة المختلفة الأخرى بشكل جيد، ولا توجد عيوب مرئية مثل المسام والترشيش. لذلك، بالمقارنة مع الشعاع المزدوج التسلسلياللحام بالليزر، سطح اللحام باستخدام الحزم المزدوجة المتوازية يكون أكثر تجانسًا وجمالاً. عندما RS = 0.25، هناك انخفاض طفيف في اللحام؛ مع زيادة نسبة طاقة الشعاع تدريجيًا (RS=0.5، 0.67 و1.5)، يكون سطح اللحام موحدًا ولا يتشكل أي انخفاض؛ ومع ذلك، عندما تزيد نسبة طاقة الحزمة (RS = 1.50، 2.00)، ولكن هناك انخفاضات على سطح اللحام. عندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS = 0.25 و1.5 و2، يكون شكل المقطع العرضي للحام "على شكل زجاج النبيذ"؛ عندما RS = 0.50، 0.67 و 1، يكون شكل المقطع العرضي للحام "على شكل قمع". عندما RS = 4، لا يتم إنشاء الشقوق في الجزء السفلي من اللحام فحسب، بل تتولد أيضًا بعض المسام في الجزء الأوسط والسفلي من اللحام. عندما RS = 2، تظهر مسام عملية كبيرة داخل اللحام، ولكن لا تظهر أي شقوق. عندما تكون RS = 0.5 و0.67 و1.5، يكون عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبائك الألومنيوم أصغر، ويتم تشكيل المقطع العرضي للحام بشكل جيد ولا تتشكل عيوب لحام واضحة. يوضح ذلك أن نسبة طاقة الشعاع أثناء اللحام بالليزر ثنائي الشعاع المتوازي لها أيضًا تأثير مهم على اختراق اللحام وعيوب اللحام.
الحزمة المتوازية – تأثير تباعد الحزمة على تشكيل التماس اللحام
عندما تكون قوة الليزر 2.8 كيلو واط، تكون سرعة اللحام 33 مم / ثانية، وكمية إزالة التركيز البؤري 0 مم، ونسبة طاقة الشعاع RS = 0.67، قم بتغيير تباعد الشعاع (d = 0.5 مم، 1 مم، 1.5 مم، 2 مم) للحصول على مورفولوجيا سطح اللحام كما تظهر الصورة. عندما يكون d = 0.5 مم، 1 مم، 1.5 مم، 2 مم، يكون سطح اللحام أملسًا ومسطحًا، والشكل جميل؛ نمط اللحام على شكل قشور السمك منتظم وجميل، ولا توجد مسام أو شقوق أو عيوب أخرى مرئية. لذلك، في ظل ظروف تباعد الحزم الأربعة، يتم تشكيل سطح اللحام بشكل جيد. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون d = 2 مم، يتم تشكيل لحامين مختلفين، مما يوضح أن شعاعي الليزر المتوازيين لم يعد يعملان على حوض منصهر، ولا يمكنهما تشكيل لحام هجين فعال بالليزر مزدوج الشعاع. عندما تكون مسافة الشعاع 0.5 مم، يكون اللحام "على شكل قمع"، ويبلغ عمق اختراق اللحام P2 على جانب سبائك الألومنيوم 712.9 ميكرون، ولا توجد شقوق ومسام وعيوب أخرى داخل اللحام. مع استمرار تباعد الشعاع في الزيادة، ينخفض عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبائك الألومنيوم بشكل ملحوظ. عندما تكون مسافة الشعاع 1 مم، يكون عمق اختراق اللحام على جانب سبائك الألومنيوم 94.2 ميكرون فقط. مع زيادة المسافة بين الحزم، لا يشكل اللحام اختراقًا فعالاً على جانب سبائك الألومنيوم. ولذلك، عندما يكون تباعد الشعاع 0.5 مم، فإن تأثير إعادة تركيب الشعاع المزدوج هو الأفضل. مع زيادة تباعد الشعاع، ينخفض مدخل حرارة اللحام بشكل حاد، ويصبح تأثير إعادة تركيب الليزر ثنائي الشعاع أسوأ تدريجياً.
يحدث الاختلاف في شكل اللحام بسبب اختلاف التدفق وتصلب التبريد للمسبح المنصهر أثناء عملية اللحام. لا يمكن لطريقة المحاكاة العددية أن تجعل تحليل الإجهاد للمجمع المنصهر أكثر سهولة فحسب، بل يمكنها أيضًا تقليل التكلفة التجريبية. الصورة أدناه توضح التغييرات في حوض الذوبان الجانبي مع عارضة واحدة، وترتيبات مختلفة وتباعد البقع. وتشمل الاستنتاجات الرئيسية ما يلي: (1) خلال شعاع واحداللحام بالليزرالعملية، عمق ثقب البركة المنصهر هو الأعمق، وهناك ظاهرة انهيار الثقب، وجدار الثقب غير منتظم، وتوزيع مجال التدفق بالقرب من جدار الثقب غير متساو؛ بالقرب من السطح الخلفي للمسبح المنصهر، يكون التدفق قويًا، ويوجد تدفق تصاعدي في قاع البركة المنصهرة؛ يكون توزيع مجال التدفق للمسبح المنصهر السطحي منتظمًا وبطيئًا نسبيًا، وعرض المجمع المنصهر غير متساوٍ على طول اتجاه العمق. هناك اضطراب ناتج عن ضغط ارتداد الجدار في البركة المنصهرة بين الفتحات الصغيرة في العارضة المزدوجةاللحام بالليزر، ودائماً ما يكون موجوداً على طول اتجاه عمق الثقوب الصغيرة. مع استمرار زيادة المسافة بين الحزمتين، تنتقل كثافة طاقة الحزمة تدريجيًا من ذروة واحدة إلى حالة ذروة مزدوجة. هناك قيمة دنيا بين القمتين، وتتناقص كثافة الطاقة تدريجيا. (2) للشعاع المزدوجاللحام بالليزر، عندما يكون تباعد البقعة 0-0.5 مم، ينخفض عمق الثقوب الصغيرة في حوض السباحة المنصهر قليلاً، ويكون سلوك تدفق حمام السباحة المنصهر الإجمالي مشابهًا لسلوك الشعاع الفردياللحام بالليزر; عندما يكون تباعد البقعة أعلى من 1 مم، يتم فصل الثقوب الصغيرة تمامًا، وأثناء عملية اللحام لا يوجد أي تفاعل تقريبًا بين الليزرين، وهو ما يعادل لحامين ليزر أحادي الشعاع متتاليين/متوازيين بقوة 1750 واط. لا يوجد أي تأثير للتسخين المسبق تقريبًا، ويشبه سلوك تدفق البركة المنصهرة سلوك اللحام بالليزر أحادي الشعاع. (3) عندما يكون تباعد البقعة 0.5-1 مم، يكون سطح جدار الثقوب الصغيرة مسطحًا في الترتيبين، ويتناقص عمق الثقوب الصغيرة تدريجيًا، وينفصل الجزء السفلي تدريجيًا. يبلغ الاضطراب بين الثقوب الصغيرة وتدفق حوض السباحة المنصهر السطحي 0.8 ملم. الأقوى. بالنسبة للحام التسلسلي، يزداد طول البركة المنصهرة تدريجيًا، ويكون العرض أكبر عندما يكون تباعد البقعة 0.8 مم، ويكون تأثير التسخين المسبق أكثر وضوحًا عندما يكون تباعد البقعة 0.8 مم. يضعف تأثير قوة مارانجوني تدريجيًا، ويتدفق المزيد من السائل المعدني إلى جانبي البركة المنصهرة. جعل توزيع عرض الذوبان أكثر اتساقا. بالنسبة للحام المتوازي، يزداد عرض البركة المنصهرة تدريجيًا، ويبلغ الطول الأقصى 0.8 مم، ولكن لا يوجد تأثير تسخين مسبق؛ إن الانحسار بالقرب من السطح الناجم عن قوة مارانجوني موجود دائمًا، ويختفي التدفق الهبوطي في قاع الحفرة الصغيرة تدريجيًا؛ مجال التدفق المستعرض ليس جيدًا كما هو قوي في السلسلة، والاضطراب بالكاد يؤثر على التدفق على جانبي البركة المنصهرة، ويتم توزيع العرض المنصهر بشكل غير متساو.
وقت النشر: 12 أكتوبر 2023
