عاصفة الليزر – التغيرات التكنولوجية المستقبلية في تكنولوجيا الليزر ثنائي الشعاع 1

بالمقارنة مع تقنية اللحام التقليدية،اللحام بالليزرتتمتع هذه التقنية بمزايا لا مثيل لها في دقة اللحام وكفاءته وموثوقيته وأتمتته وغيرها من الجوانب. وقد شهدت في السنوات الأخيرة تطوراً سريعاً في مجالات السيارات والطاقة والإلكترونيات وغيرها، وتُعتبر من أكثر تقنيات التصنيع الواعدة في القرن الحادي والعشرين.

1. نظرة عامة على الشعاع المزدوجاللحام بالليزر

شعاع مزدوجاللحام بالليزرتتمثل إحدى الطرق في استخدام أساليب بصرية لفصل شعاع الليزر نفسه إلى شعاعين ضوئيين منفصلين للحام، أو استخدام نوعين مختلفين من الليزر للدمج، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر Nd:YAG، وليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. يمكن دمج جميع هذه الأنواع. وقد طُرحت هذه الطريقة بشكل أساسي لحل مشكلة ملاءمة لحام الليزر لدقة التجميع، وتحسين استقرار عملية اللحام، وتحسين جودة اللحام. شعاع مزدوجاللحام بالليزريمكن تعديل مجال درجة حرارة اللحام بسهولة ومرونة عن طريق تغيير نسبة طاقة الشعاع، والمسافة بين الشعاعين، وحتى نمط توزيع الطاقة لشعاعي الليزر، مما يُغير نمط وجود ثقب المفتاح ونمط تدفق المعدن السائل في حوض اللحام. يوفر ذلك خيارات أوسع لعمليات اللحام. ولا يقتصر الأمر على مزايا الحجم الكبيراللحام بالليزريتميز هذا الجهاز بقدرة اختراق عالية وسرعة فائقة ودقة عالية، ولكنه مناسب أيضًا للمواد والوصلات التي يصعب لحامها بالطرق التقليدية.اللحام بالليزر.

للشعاع المزدوجاللحام بالليزرسنناقش أولًا طرق تنفيذ الليزر ثنائي الحزمة. تشير الدراسات الشاملة إلى وجود طريقتين رئيسيتين لتحقيق اللحام ثنائي الحزمة: التركيز بالنقل والتركيز بالانعكاس. تحديدًا، تُحقق إحداهما بضبط زاوية ومسافة شعاعي ليزر باستخدام مرايا تركيز ومرايا تجميع. أما الأخرى، فتُحقق باستخدام مصدر ليزر ثم تركيزه عبر مرايا عاكسة ومرايا ناقلة ومرايا إسفينية الشكل للحصول على شعاعين. بالنسبة للطريقة الأولى، توجد ثلاثة أشكال رئيسية. الشكل الأول هو ربط شعاعي ليزر عبر ألياف بصرية وتقسيمهما إلى شعاعين مختلفين تحت نفس مرآة التجميع ومرآة التركيز. الشكل الثاني هو أن يُخرج كل ليزر شعاعه من خلال رأس اللحام الخاص به، ويتم تشكيل شعاع مزدوج بضبط الموضع المكاني لرأسي اللحام. أما الشكل الثالث، فهو تقسيم شعاع الليزر أولًا عبر مرآتين (1 و2)، ثم تركيزه بواسطة مرآتي تركيز (3 و4) على التوالي. يمكن ضبط موضع البؤرتين والمسافة بينهما عن طريق تعديل زوايا مرآتي التركيز 3 و4. أما الطريقة الثانية فتعتمد على استخدام ليزر الحالة الصلبة لتقسيم الضوء والحصول على شعاعين ضوئيين، مع ضبط الزاوية والمسافة بينهما باستخدام مرآة منظور ومرآة تركيز. تُظهر الصورتان الأخيرتان في الصف الأول أدناه النظام الطيفي لليزر ثاني أكسيد الكربون. تُستبدل المرآة المستوية بمرآة إسفينية الشكل وتوضع أمام مرآة التركيز لتقسيم الضوء والحصول على شعاعين ضوئيين متوازيين.

بعد فهم كيفية تطبيق العوارض المزدوجة، دعونا نقدم بإيجاز مبادئ وأساليب اللحام. في العوارض المزدوجةاللحام بالليزرفي هذه العملية، توجد ثلاثة ترتيبات شائعة للشعاع، وهي الترتيب التسلسلي، والترتيب المتوازي، والترتيب الهجين. في عملية اللحام التسلسلي، توجد مسافة في كل من اتجاه اللحام والاتجاه الرأسي للحام. كما هو موضح في الصف الأخير من الشكل، وفقًا للأشكال المختلفة للثقوب الصغيرة وبرك الانصهار التي تظهر تحت مسافات مختلفة بين النقاط أثناء عملية اللحام التسلسلي، يمكن تقسيمها إلى ثلاث حالات: بركة انصهار واحدة، وبركة انصهار مشتركة، وبركة انصهار منفصلة. تتشابه خصائص بركة الانصهار الواحدة وبركة الانصهار المنفصلة مع خصائص بركة الانصهار الواحدة.اللحام بالليزركما هو موضح في مخطط المحاكاة العددية. توجد تأثيرات عملية مختلفة لأنواع مختلفة.

النوع 1: في ظل تباعد معين بين البقع، يشكل ثقبان رئيسيان للشعاع ثقبًا رئيسيًا مشتركًا كبيرًا في نفس حوض الصهر؛ بالنسبة للنوع 1، يُذكر أنه يتم استخدام شعاع ضوئي واحد لإنشاء ثقب صغير، ويتم استخدام الشعاع الضوئي الآخر للمعالجة الحرارية للحام، مما يمكن أن يحسن بشكل فعال الخصائص الهيكلية للفولاذ عالي الكربون والفولاذ السبائكي.

النوع 2: زيادة المسافة بين النقاط في نفس حوض اللحام المنصهر، وفصل الشعاعين إلى فتحتين مستقلتين، وتغيير نمط تدفق حوض اللحام المنصهر؛ بالنسبة للنوع 2، فإن وظيفته تعادل لحام شعاعين إلكترونيين، ويقلل من تناثر اللحام واللحامات غير المنتظمة عند البعد البؤري المناسب.

النوع الثالث: زيادة المسافة بين نقاط اللحام وتغيير نسبة الطاقة بين الشعاعين، بحيث يُستخدم أحدهما كمصدر حراري لإجراء عمليات ما قبل اللحام أو ما بعده أثناء عملية اللحام، بينما يُستخدم الآخر لتوليد ثقوب صغيرة. وقد أظهرت الدراسة أن الشعاعين في هذا النوع يشكلان ثقبًا رئيسيًا، وأن هذا الثقب الصغير لا ينهار بسهولة، كما أن اللحام لا يُنتج مسامات بسهولة.

2. تأثير عملية اللحام على جودة اللحام

تأثير نسبة طاقة الشعاع التسلسلي على تكوين خط اللحام

عندما تكون قدرة الليزر 2 كيلوواط، وسرعة اللحام 45 مم/ث، ومقدار عدم التركيز 0 مم، والمسافة بين الشعاعين 3 مم، يكون شكل سطح اللحام عند تغيير نسبة طاقة الشعاع (RS = 0.50، 0.67، 1.50، 2.00) كما هو موضح في الشكل. عند RS = 0.50 و2.00، يكون اللحام أكثر انخفاضًا، ويزداد تناثر المعدن على حافته، دون تشكيل أنماط منتظمة تشبه حراشف السمك. يعود ذلك إلى أنه عندما تكون نسبة طاقة الشعاع صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، تتركز طاقة الليزر بشكل مفرط، مما يتسبب في تذبذب ثقب الليزر بشكل أكبر أثناء عملية اللحام، ويؤدي ضغط ارتداد البخار إلى قذف المعدن المنصهر وتناثره في حوض اللحام. كما أن زيادة الحرارة المدخلة تؤدي إلى زيادة عمق اختراق المعدن المنصهر على جانب سبيكة الألومنيوم، مما يتسبب في انخفاضه بفعل الجاذبية. عندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS تساوي 0.67 و1.50، يكون نمط حراشف السمك على سطح اللحام منتظمًا، ويكون شكل اللحام أكثر جمالًا، ولا توجد تشققات ساخنة مرئية أو مسامات أو عيوب لحام أخرى على سطح اللحام. يوضح الشكل أشكال المقطع العرضي للحامات بنسب طاقة شعاع مختلفة RS. يتميز المقطع العرضي للحامات بشكل "كأس النبيذ" النموذجي، مما يشير إلى أن عملية اللحام تتم في وضع اللحام بالليزر ذي الاختراق العميق. تؤثر نسبة طاقة الشعاع RS بشكل كبير على عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبيكة الألومنيوم. عندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS تساوي 0.5، يكون P2 هو 1203.2 ميكرون. وعندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS تساوي 0.67 و1.5، ينخفض ​​P2 بشكل ملحوظ، ليصبح 403.3 ميكرون و93.6 ميكرون على التوالي. وعندما تكون نسبة طاقة الشعاع RS تساوي 2، يكون عمق اختراق اللحام في المقطع العرضي للوصلة 1151.6 ميكرون.

تأثير نسبة طاقة الشعاع المتوازي على تكوين خط اللحام

عندما تكون قدرة الليزر 2.8 كيلوواط، وسرعة اللحام 33 مم/ث، ومقدار عدم التركيز 0 مم، والمسافة بين الشعاعين 1 مم، يتم الحصول على سطح اللحام بتغيير نسبة طاقة الشعاع (RS=0.25، 0.5، 0.67، 1.5، 2، 4). يظهر الشكل الناتج. عند RS=2، يكون نمط حراشف السمك على سطح اللحام غير منتظم نسبيًا. أما سطح اللحام الناتج عن نسب طاقة الشعاع الخمس الأخرى فهو متجانس، ولا توجد به عيوب مرئية مثل المسام أو التناثر. لذلك، بالمقارنة مع اللحام التسلسلي ثنائي الشعاعاللحام بالليزرعند استخدام شعاعين متوازيين، يكون سطح اللحام أكثر تجانسًا وجمالًا. عند نسبة طاقة الشعاع RS=0.25، يظهر انخفاض طفيف في اللحام؛ ومع الزيادة التدريجية في نسبة طاقة الشعاع (RS=0.5، 0.67، و1.5)، يصبح سطح اللحام متجانسًا ولا يتشكل أي انخفاض؛ إلا أنه عند زيادة نسبة طاقة الشعاع أكثر (RS=1.50، 2.00)، تظهر انخفاضات على سطح اللحام. عند نسب طاقة الشعاع RS=0.25، 1.5، و2، يكون شكل المقطع العرضي للحام "على شكل كأس نبيذ"؛ وعند RS=0.50، 0.67، و1، يكون شكل المقطع العرضي للحام "على شكل قمع". عند RS=4، لا تتولد شقوق في أسفل اللحام فحسب، بل تتولد أيضًا بعض المسامات في الجزء الأوسط والسفلي منه. عندما تكون قيمة RS تساوي 2، تظهر مسامات كبيرة داخل اللحام، لكن لا تظهر أي شقوق. وعندما تكون قيم RS تساوي 0.5 و0.67 و1.5، يكون عمق اختراق اللحام P2 على جانب سبيكة الألومنيوم أصغر، ويكون المقطع العرضي للحام متجانسًا ولا تظهر أي عيوب لحام واضحة. هذا يدل على أن نسبة طاقة الشعاع أثناء اللحام بالليزر ثنائي الشعاع المتوازي لها تأثير كبير على عمق اختراق اللحام وعيوبه.

تأثير تباعد الحزم على تكوين خط اللحام: الحزمة المتوازية

عندما تكون قدرة الليزر 2.8 كيلوواط، وسرعة اللحام 33 مم/ث، ومقدار عدم التركيز 0 مم، ونسبة طاقة الشعاع RS=0.67، يتم تغيير تباعد الشعاع (d=0.5 مم، 1 مم، 1.5 مم، 2 مم) للحصول على شكل سطح اللحام الموضح في الصورة. عند d=0.5 مم، 1 مم، 1.5 مم، 2 مم، يكون سطح اللحام أملسًا ومستويًا، وشكله جميل؛ كما أن نمط حراشف السمك في اللحام منتظم وجميل، ولا توجد مسامات أو شقوق أو عيوب أخرى ظاهرة. لذلك، في ظل ظروف تباعد الشعاع الأربعة، يكون سطح اللحام متماسكًا. بالإضافة إلى ذلك، عند d=2 مم، يتشكل لحامان مختلفان، مما يدل على أن شعاعي الليزر المتوازيين لم يعودا يؤثران على حوض منصهر واحد، ولا يمكنهما تشكيل لحام هجين فعال باستخدام شعاعي ليزر. عندما تكون المسافة بين الشعاعين 0.5 مم، يكون اللحام على شكل قمع، ويبلغ عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبيكة الألومنيوم 712.9 ميكرون، ولا توجد شقوق أو مسامات أو عيوب أخرى داخل اللحام. مع استمرار زيادة المسافة بين الشعاعين، ينخفض ​​عمق الاختراق P2 للحام على جانب سبيكة الألومنيوم بشكل ملحوظ. عندما تكون المسافة بين الشعاعين 1 مم، يبلغ عمق الاختراق 94.2 ميكرون فقط. ومع زيادة المسافة بين الشعاعين أكثر، لا يخترق اللحام جانب سبيكة الألومنيوم بشكل فعال. لذلك، عندما تكون المسافة بين الشعاعين 0.5 مم، يكون تأثير إعادة تركيب الشعاع المزدوج في أفضل حالاته. مع زيادة المسافة بين الشعاعين، ينخفض ​​مدخل حرارة اللحام بشكل حاد، ويتدهور تأثير إعادة تركيب الليزر ثنائي الشعاع تدريجيًا.

يعود اختلاف شكل اللحام إلى اختلاف تدفق وتصلب حوض المعدن المنصهر أثناء عملية اللحام. لا تُسهّل طريقة المحاكاة العددية تحليل الإجهاد في حوض المعدن المنصهر فحسب، بل تُقلّل أيضًا من تكلفة التجربة. تُظهر الصورة أدناه التغيرات في حوض المعدن المنصهر الجانبي مع شعاع واحد، وترتيبات مختلفة، ومسافات متباينة بين النقاط. تشمل الاستنتاجات الرئيسية ما يلي: (1) أثناء اللحام بشعاع واحداللحام بالليزرفي هذه العملية، يكون عمق حفرة حوض الصهر هو الأعمق، وتحدث ظاهرة انهيار الحفرة، ويكون جدار الحفرة غير منتظم، وتوزيع مجال التدفق بالقرب من جدار الحفرة غير متجانس؛ بالقرب من السطح الخلفي لحوض الصهر، يكون التدفق العكسي قويًا، ويوجد تدفق عكسي صاعد في قاع حوض الصهر؛ توزيع مجال التدفق لسطح حوض الصهر متجانس نسبيًا وبطيء، ويكون عرض حوض الصهر غير متجانس على طول اتجاه العمق. يوجد اضطراب ناتج عن ضغط ارتداد الجدار في حوض الصهر بين الثقوب الصغيرة في الحزمة المزدوجةاللحام بالليزروهي موجودة دائمًا على امتداد عمق الثقوب الصغيرة. ومع ازدياد المسافة بين الشعاعين، تنتقل كثافة طاقة الشعاع تدريجيًا من ذروة واحدة إلى ذروتين. توجد قيمة دنيا بين الذروتين، وتتناقص كثافة الطاقة تدريجيًا. (2) بالنسبة للشعاع المزدوجاللحام بالليزرعندما تكون المسافة بين البقع من 0 إلى 0.5 مم، يقل عمق الثقوب الصغيرة في حوض الانصهار قليلاً، ويكون سلوك تدفق حوض الانصهار بشكل عام مشابهًا لسلوك التدفق في الشعاع الأحادي.اللحام بالليزرعندما تتجاوز المسافة بين البقعتين 1 مم، تنفصل الثقوب الصغيرة تمامًا، ويكاد ينعدم التفاعل بين الليزرين أثناء عملية اللحام، وهو ما يعادل لحامين متتاليين/متوازيين باستخدام ليزر أحادي الشعاع بقدرة 1750 واط. يكاد ينعدم تأثير التسخين المسبق، ويكون سلوك تدفق حوض المعدن المنصهر مشابهًا لسلوكه في لحام الليزر أحادي الشعاع. (3) عندما تتراوح المسافة بين البقعتين بين 0.5 و1 مم، يكون سطح جدار الثقوب الصغيرة أكثر استواءً في كلا الترتيبين، ويتناقص عمق الثقوب الصغيرة تدريجيًا، وينفصل قاعها تدريجيًا. ويبلغ الاضطراب بين الثقوب الصغيرة وتدفق حوض المعدن المنصهر السطحي ذروته عند 0.8 مم. في اللحام المتسلسل، يزداد طول حوض المعدن المنصهر تدريجيًا، ويبلغ عرضه أقصى حد له عند 0.8 مم، ويكون تأثير التسخين المسبق أكثر وضوحًا عند هذه المسافة. يضعف تأثير قوة مارانغوني تدريجيًا، ويتدفق المزيد من المعدن السائل إلى جانبي حوض الانصهار، مما يجعل توزيع عرض المصهور أكثر تجانسًا. في اللحام المتوازي، يزداد عرض حوض الانصهار تدريجيًا، ويبلغ طوله أقصى حد له عند 0.8 مم، ولكن لا يوجد تأثير للتسخين المسبق؛ ويستمر التدفق العكسي بالقرب من السطح الناتج عن قوة مارانغوني، ويختفي التدفق العكسي الهابط في قاع الفتحة الصغيرة تدريجيًا؛ ويكون مجال التدفق في المقطع العرضي أقل جودة من التدفق في اللحام التسلسلي القوي، ولا يؤثر الاضطراب تقريبًا على التدفق على جانبي حوض الانصهار، ويكون توزيع عرض المصهور غير متساوٍ.