اللحام بالليزر – تأثير معلمات التذبذب على اللحام بالليزر ذي الوضع الحلقي القابل للتعديل (ARM) لسبائك الألومنيوم

اللحام بالليزر – تأثير معلمات التذبذب على اللحام بالليزر ذي الوضع الحلقي القابل للتعديل (ARM) لسبائك الألومنيوم

1. الملخص

تدرس هذه الدراسة تأثيرات سعة التذبذب وتردده على جودة السطح والبنية الكلية والجزئية ومسامية نمط الحلقة القابل للتعديل (ARM).اللحام بالتذبذب الليزريألواح من سبائك الألومنيوم A5083. تُظهر النتائج أنه مع زيادة سعة وتردد التذبذب، تتحسن جودة سطح اللحام. ومع زيادة السعة، يتحول المقطع العرضي للحام من شكل "كأس" إلى شكل "هلالي". ويشير التحليل المجهري إلى أن حجم حبيبات اللحام لا يتناقص مع زيادة سعة وتردد التذبذب، وذلك بسبب التنافس بين تأثير التحريك وانخفاض معدل التبريد. تنخفض مسامية اللحام مع زيادة معلمات التذبذب، لتصل إلى مسامية نهائية قدرها 0.22% عند سعة 2 مم. ويؤكد التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد بالأشعة السينية تأثير التذبذب على توزيع المسام: تميل المسام الكبيرة إلى التجمع خلف حوض الانصهار، بينما تُظهر المسام الصغيرة تناظرًا أفضل. يوفر هذا البحث رؤى قيّمة لتحسين معلمات التذبذب لتحقيق لحام ليزري عالي الجودة في تطبيقات سبائك الألومنيوم A5083.

2- خلفية الصناعة

تتميز سبائك الألومنيوم بخفة وزنها، وقوة تحملها العالية، ومقاومتها الجيدة للتآكل، وتُستخدم على نطاق واسع في صناعات السيارات، والسكك الحديدية فائقة السرعة، والفضاء، وغيرها. أما اللحام بالليزر، فيتميز بكفاءته العالية، وصغر منطقة التأثير الحراري، وقلة تشوه اللحام. لذلك،تُعد اللحام بالليزر طريقة لحام اقتصادية ومناسبة للصفائح السميكة.مما يُقلل بشكل كبير من عدد مرات اللحام. تُعد المسامية عيبًا رئيسيًا في لحام سبائك الألومنيوم بالليزر، حيث تؤثر سلبًا على الخواص الميكانيكية للوصلات الملحومة. لذلك، أُجريت دراسات مُستفيضة للحد من تكوّن المسامية والقضاء عليها، بما في ذلك تحسين غاز الحماية، وتطبيق تقنية الشعاع المزدوج، واستخدام أنظمة طاقة الليزر المُعدّلة، واعتماد طرق الشعاع المُتذبذب. تتميز تقنية اللحام بالليزر المُتذبذب بقدرتها على الجمع بين مزايا اللحام بالليزر وخصائصها الفريدة. لا يُقلل استخدام اللحام بالليزر المُتذبذب من المسامية فحسب، بل يُحسّن أيضًا البنية المجهرية للحام ويعزز جودته. ركزت العديد من الدراسات بشكل أساسي على جوانب مُختلفة من اللحام بالليزر المُتذبذب، بما في ذلك تقليل المسامية، وتحسين توزيع الطاقة، وتحسين بنية الحبيبات، وتوصيف تدفق المصهور في حوض اللحام. يلعب توزيع طاقة الليزر دورًا حاسمًا في توزيع درجة الحرارة وعمق الاختراق في اللحام بالليزر. عند سعة تذبذب معينة، ومع زيادة تردد المسح، تتحول عملية اللحام من لحام الاختراق العميق إلى لحام غير مستقر، ثم إلى لحام التوصيل الحراري. تُظهر النتائج أن زيادة سعة المسح وتردده تُقلل المسامية، ولكنها تُقلل أيضًا بشكل ملحوظ من عمق اختراق اللحام، مما يُؤثر سلبًا على خواصه الميكانيكية. في السنوات الأخيرة، تم تطوير ليزر ذي نمط حلقي قابل للتعديل (ARM)، والذي يقسم طاقة الليزر إلى نواة ذات كثافة طاقة عالية وحلقة ذات كثافة طاقة منخفضة، بهدف تثبيت ثقب المفتاح وتحسين جودة اللحام. استخدم الباحثون لحام التذبذب بالليزر ARM للحام سبائك الألومنيوم عالية القوة 6xxx بنسب طاقة مختلفة للنواة/الحلقة وعرض تذبذب مختلف. تُشير النتائج التجريبية إلى أن العامل الرئيسي المؤثر على هندسة اللحام هو عرض التذبذب، وليس نسبة طاقة النواة إلى الحلقة. مع ذلك، لم تتم دراسة توزيع المسام وآلية تثبيطها في ظل تراكب التذبذب وليزر ARM. في هذه الورقة البحثية، تم اعتماد تقنية لحام ليزرية متذبذبة جديدة بتقنية ARM لتقليل مسامية اللحام، والحصول على عمق اختراق أكبر وجودة لحام أفضل. وقد أُجريت دراسة شاملة حول توزيع طاقة الليزر، والسلوك الديناميكي لحوض الانصهار، والبنية المجهرية تحت ترددات وسعات تذبذب مختلفة.

3. الأهداف والإجراءات التجريبية

استُخدمت تقنية اللحام بالليزر الدائري المتذبذب للحام سبائك الألومنيوم. كانت المادة الأساسية (BM) سبيكة ألومنيوم 5083-O بأبعاد 300 مم × 100 مم × 5 مم (طول × عرض × سمك)، ويُبين الجدول تركيبها الكيميائي. قبل اللحام، صُقلت العينات لإزالة طبقة الأكسيد السطحية، ثم نُظفت بالأسيتون في حمام فوق صوتي لمدة 15 دقيقة لإزالة الزيت السطحي.نظام اللحام بالليزريتكون النظام بشكل أساسي من روبوت Kuka، وليزر قرصي TruDisk 8001، وماسح ضوئي جلفانومتري ثلاثي الأبعاد من نوع PFO. استُخدم ليزر TruDisk 8001 كمصدر ليزر حلقي قابل للتعديل، بنسبة ألياف مركزية/حلقية تبلغ 100/400 ميكرومتر، وقدرة خرج قصوى تبلغ 8 كيلوواط (طول موجي 1030 نانومتر، ومعامل جودة شعاع 4.0 مم·راديان). يتألف شعاع الليزر من جزء مركزي وجزء حلقي، حيث يُولّد الليزر في الجزء المركزي ثقبًا رئيسيًا (60% من طاقة الليزر)، بينما يضمن الليزر في الجزء الحلقي توزيعًا جيدًا لدرجة الحرارة (40% من طاقة الليزر)، كما هو موضح في الشكل (ب). يبلغ البعد البؤري للمُجمِّع 138 مم، وللعدسة المُركِّزة 450 مم. أثناء عملية اللحام، استُخدمت كاميرا Phantom V1840 عالية السرعة ومصدر ضوء Cavilux عالي التردد لمراقبة عملية اللحام في الوقت الفعلي، بسرعة تصوير تبلغ 5000 إطار في الثانية وزمن تعريض 1 ميكروثانية. في هذه الدراسة، تم تعريف مسار تذبذب الشعاع الدائري، ومسار حركة الليزر، والسرعة اللحظية كما هو موضح في الشكل.

4. النتائج والمناقشة

4.1 خصائص مورفولوجيا اللحام: يوضح الشكل مورفولوجيا سطح اللحام في ظل أنماط تذبذب الليزر المختلفة. تُظهر النتائج أن سطح اللحام في اللحام الخطي التقليدي خشن (خشونة 78.01 ميكرومتر)، مع ضعف استمرارية تموجات اللحام وعدم كفاية انتشاره. كما لوحظ عدم كفاية تكوين اللحام، وتناثر شديد، وتآكل. مع زيادة سعة التذبذب وتردده، يظهر سطح اللحام بنمط حراشف سمكية كثيفة ومتجانسة. تبلغ خشونة سطح اللحامات بسعات تذبذب 0.5 مم، و1 مم، و2 مم، 80.71 ميكرومتر، و49.63 ميكرومتر، و31.12 ميكرومتر على التوالي. لا توجد أي نتوءات أو بروزات ناتجة عن التناثر. تشير النتائج إلى أن زيادة تردد التذبذب تؤدي إلى تدفق أكثر انتظامًا لحوض المعدن المنصهر، وتأثير تحريك أقوى لشعاع الليزر، وسطح لحام أكثر مثالية. يرتبط شكل لحام الليزر ارتباطًا وثيقًا بحركة شعاع الليزر. أثناء اللحام، تُغير التغيرات في سعة التذبذب وتردده سرعة اللحام، مما يؤثر على كثافة الطاقة الخطية وإجمالي الحرارة المُدخلة من الليزر. يتخذ المقطع العرضي للحام شكل كأس، ويتكون من جزأين: الجزء السفلي هو "الساق"، والجزء العلوي هو "الحوض". يُرمز لعمق الاختراق و"الساق" بـ H1 وH2 على التوالي، بينما يُرمز لعرض اللحام ("الحوض") و"الساق" بـ W1 وW2 على التوالي. يزداد كل من عرضي اللحام W1 وW2 بالتزامن مع زيادة سعة التذبذب، ويتحول شكل اللحام تدريجيًا من شكل "الكأس" إلى شكل "الهلال". تظهر أعلى كثافة لطاقة الليزر عند نقطة تداخل المسار. وبمقارنة الشكلين (ب، د) و(ج، هـ)، يتضح أن زيادة تردد المسح تزيد من مساحة تداخل المسار على طول مسار المسح، مما يجعل توزيع طاقة الليزر أكثر تجانسًا. مع ذلك، فإن انخفاض أعلى كثافة للطاقة سيؤدي إلى انخفاض في عمق اللحام.

4.2 سلوك حوض الانصهار: لتوضيح تأثير مسار المسح على سلوك حوض الانصهار، استُخدم نظام كاميرا عالي السرعة لمراقبة تطور حوض الانصهار وفتحة المفتاح. يوضح الشكل (أ) تطور حوض الانصهار على مسار مستقيم. أما الشكلان (ب، و) فيوضحان مخططات تطور حوض الانصهار تحت تأثير معلمات تذبذب مختلفة. مع زيادة تردد التذبذب وسعته، يصبح الجزء الخلفي من حوض الانصهار أكثر استدارةً نتيجةً لتوسع عرضه. ومع ازدياد طول حوض الانصهار، يقل تذبذب السطح الناتج عن ثوران فتحة المفتاح أثناء الانتشار العكسي. لذلك، يتصلب المعدن السائل المنصهر بسلاسة وانتظام عند الطرف الخلفي لحوض الانصهار، مُشكلاً حراشف لحام متجانسة وكثيفة. يوضح الشكل تغير مساحة فتحة المفتاح أثناء اللحام بالليزر، والمستمد من صور التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة لحوض الانصهار. كما هو موضح في الشكل (أ)، يُظهر حجم فتحة ثقب المفتاح تقلبات واضحة أثناء اللحام الخطي. وقد لوحظت عدة حالات انغلاق لثقب المفتاح (0 مم²)، بمتوسط ​​مساحة فتحة يبلغ 0.47 مم². ويمكن لزيادة سعة التذبذب أن تقلل من هذه التقلبات وتحسن الاستقرار. ويعود ذلك إلى أنه في اللحام التذبذبي، يتم توزيع نسبة أكبر من الطاقة على كلا الجانبين. وبالتالي، يتسع مخرج ثقب المفتاح، وتزداد سعة التذبذب، مما يزيد من مساحة الفتحة. وتؤدي زيادة السعة إلى توسيع نطاق تحريك شعاع الليزر، مما يؤدي إلى زيادة نصف قطر الحركة الدورية لثقب المفتاح. وبسبب لزوجة المعدن المنصهر والضغط الهيدروديناميكي المؤثر بالقرب من جدار ثقب المفتاح، تحدث حركة تيارات دوامية في حوض اللحام المنصهر بالقرب من فتحة ثقب المفتاح. ويعزز توسع مساحة فتحة ثقب المفتاح استقرارها، ويمنع تكون الفقاعات، وبالتالي يحد بشكل كبير من المسامية.

4.3 البنية المجهرية: يوضح الشكل مورفولوجيا حيود الإلكترونات المشتتة عكسيًا (EBSD) للمقطع العرضي للحام عند ترددات وسعات تذبذب مختلفة. بالقرب من خط انصهار اللحام الليزري، تنمو حبيبات التفرعات العمودية باتجاه مركز اللحام. كما هو موضح في الشكل (أ)، يمكن ملاحظة اختلافات واضحة في توزيع الحبيبات العمودية بين منطقتي "الوعاء" و"الساق". تتوزع الحبيبات العمودية على شكل حرف U على طول جدار "الوعاء"، بينما في منطقة "الساق"، تتوزع على شكل حرف U على طول خط الانصهار. أثناء تصلب اللحام، تعمل الحبيبات المتصلبة جزئيًا في منطقة الانصهار كمواقع تنوية لجبهة التصلب، وتنمو بشكل تفضيلي عموديًا على حدود حوض اللحام المنصهر في اتجاه تدرج درجة الحرارة الأقصى. تحدث هذه الظاهرة نتيجة لارتفاع كثافة طاقة الليزر، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة داخل حوض اللحام. يؤدي التدرج الحراري العالي G ومعدل النمو المعتدل R إلى تجاوز نسبة G/R عتبة تحول البنية المجهرية، مما ينتج عنه تكوين حبيبات عمودية. ينخفض ​​التدرج الحراري G في مركز اللحام، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة G/R تدريجيًا إلى ما دون عتبة تحول البنية المجهرية، والتحول إلى حبيبات متساوية المحاور. تقع الحبيبات متساوية المحاور في الأجزاء المركزية لكل من "الحوض" و"الساق". نظرًا لأن "ساق" اللحام ضيق وقريب من المادة الأساسية، فإنه يتصلب تمامًا قبل منطقة "الحوض" أثناء التبريد. يعمل الجزء المتصلب من "الساق" كموقع تنوي في قاع "الحوض"، مما يعزز النمو الصاعد للحبيبات العمودية. يوضح الشكل عمليات اللحام الخطي والتذبذبي. يتضح أن التغيير المستمر لموضع شعاع الليزر في اللحام التذبذبي بالليزر سيزيد من طول حوض الانصهار الوسيط، مما يؤدي إلى إعادة صهر المعدن المتصلب بالفعل، وبالتالي انخفاض معدل نمو الحبيبات r. قد يؤدي هذا إلى انخفاض نسبة G/R في منطقة الحبيبات متساوية المحاور السفلية.

4.4 توزيع المسامية: استُخدم التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد بالأشعة السينية لإجراء فحص شامل للحام، والحصول على التوزيع ثلاثي الأبعاد للمسام فيه، كما هو موضح في الشكل. تُحسب المسامية بقسمة الحجم الكلي للمسام على الحجم الكلي للحام. وبمقارنة شكل المسام وتوزيعها في اللحامات الليزرية المتذبذبة ذات الخط المستقيم واللحامات الليزرية المتذبذبة الدائرية، وُجد أن اللحامات الليزرية المتذبذبة ذات الخط المستقيم تحتوي على مسامية أكبر حجمًا، حيث تبلغ مساميتها 2.49%، وهي أعلى بكثير من مسامية اللحامات الدائرية.لحامات الليزر المتذبذبةبمقارنة الشكلين (ب، ج) و(د، هـ)، يتضح أن زيادة تردد التذبذب تُسهم في تثبيط تكوّن المسام. وبمقارنة الشكلين (ب، د) و(ج، هـ)، يتضح أن زيادة سعة التذبذب تلعب دورًا هامًا في تثبيط تكوّن المسام. فعند زيادة سعة التذبذب إلى 2 مم (الشكل (و))، تنخفض المسامية إلى 0.22%، ولا يتبقى سوى مسام صغيرة الحجم. يوضح الشكل توزيع مساحة المسام على مسافات مختلفة من خط اللحام المركزي، ممثلاً المسامية بناءً على حجم مساحة المسام. في اللحام الخطي، تتوزع مساحة المسام بشكل متناظر على طول خط اللحام المركزي، وتتناقص تدريجيًا مع زيادة المسافة من خط اللحام المركزي. تُظهر النتائج أن المسام الناتجة عن ثقب المفتاح تتركز بشكل أساسي خلف الحاجز الخلفي لحوض المعدن المنصهر عند خط اللحام المركزي. في اللحام التذبذبي بالليزر، يقلّ تناظر توزيع المسام. يوضح الشكل مساحة المسام على مسافات مختلفة من سطح اللحام، حيث يمثل الخط الأحمر الحد الفاصل بين منطقتي "الوعاء" و"الساق". في حالة غلبة المسام الكبيرة (الشكلان (أ، ج))، تشكل مساحة المسام فوق الحد الفاصل أكثر من 85%. ويعود ذلك إلى أن انتقال المحيط عند الحد الطولي يزيد من احتمالية احتجاز الفقاعات في حوض اللحام، وتميل هذه الفقاعات المحتجزة إلى الهجرة للأعلى بفعل الطفو. أما في حالة غلبة المسام الصغيرة (الشكلان (د، و))، فتتركز المسام في المنطقة الواقعة ضمن مسافة 0.5 مم أسفل خط الحد الفاصل. وقد يكون قصر زمن التبريد وقلة الإزاحة للأعلى من أسباب هذه الظاهرة.

5. الاستنتاجات

(1) تؤثر أنماط تذبذب الليزر المختلفة بشكل واضح على سطح اللحام. يمكن أن يؤدي ارتفاع السعة والتردد إلى تحسين جودة السطح، بينما قد تؤدي معلمات التذبذب الكبيرة للغاية إلى زيادة الخشونة وتسبب عيوبًا مقعرة.

(2) يتحدد شكل اللحام بشكل أساسي بواسطة معايير تذبذب الليزر، والتي تؤثر على سرعة اللحام، وتوزيع الطاقة، وإجمالي الحرارة المدخلة. مع زيادة سعة التذبذب، يتغير شكل اللحام من "كأس" إلى "هلال"، وتقل نسبة العرض إلى الارتفاع.

(3) مع ازدياد سعة التذبذب وتردده، تتسع منطقة الانصهار ويصبح الجزء الخلفي منها مستديرًا. يزيد تأثير التذبذب من طول منطقة الانصهار، مما يُسهّل خروج الفقاعات ويُحسّن التصلب. أثناء اللحام الخطي، تتذبذب مساحة فتحة المفتاح؛ ويمكن تقليل هذا التذبذب نسبيًا، مما يُحسّن استقرار اللحام.

(4) يؤدي زيادة سعة التذبذب وتردده إلى تقليل كل من التدرج الحراري ومعدل النمو، مما يُسهم في تكوين حبيبات كبيرة الحجم. ومع ذلك، فإن تأثير التحريك بالليزر يُساعد على تحسين حجم الحبيبات وتعزيز قوة النسيج. في ظل معايير ليزر مختلفة، تبقى صلابة اللحام مستقرة نسبيًا، وأقل قليلًا من صلابة المادة الأساسية، وهو ما قد يُعزى إلى فقدان المغنيسيوم بالتبخر.

(5) يُظهر التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد بالأشعة السينية أن اللحام الخطي يتميز بمسامية أعلى (2.49%) وحجم مسام أكبر من اللحام التذبذبي. ويمكن أن يؤدي زيادة معلمات التذبذب إلى تقليل المسامية بشكل ملحوظ، حتى أنها تصل إلى 0.22% عند سعة 2 مم. ويتغير توزيع مساحة المسام مع التذبذب: تتجمع المسام الكبيرة خلف حوض اللحام المنصهر، بينما تتمتع المسام الصغيرة بتناظر أفضل. وتتوزع المسام الكبيرة بشكل رئيسي فوق الحد الفاصل بين منطقتي "الوعاء" و"الساق"، في حين تتركز المسام الصغيرة أسفل هذا الحد.