لطالما استُخدم كلٌّ من لحام شعاع الليزر ولحام القوس الكهربائي في الإنتاج الصناعي، وهما يتيحان نطاقًا واسعًا من الاستخدامات في مجال تكنولوجيا وصل المواد. ولكلٍّ من هاتين العمليتين مجالات تطبيق محددة، كما يتضح من العمليات الفيزيائية لنقل الطاقة إلى قطعة العمل وتدفقات الطاقة التي يمكن الحصول عليها. تُنقل الطاقة من مصدر شعاع الليزر إلى المادة المراد معالجتها بواسطة إشعاع الأشعة تحت الحمراء المتماسك عالي الطاقة، باستخدام كابل ألياف بصرية. أما القوس الكهربائي، فينقل الحرارة اللازمة للحام بواسطة تيار كهربائي عالٍ يتدفق إلى قطعة العمل عبر عمود القوس. ويؤدي إشعاع الليزر إلى منطقة متأثرة بالحرارة ضيقة جدًا ذات نسبة كبيرة بين عمق اللحام وعرض خط اللحام (تأثير اللحام العميق). وتتميز عملية لحام الليزر بقدرة منخفضة جدًا على سد الفجوات، نظرًا لصغر قطر بؤرتها، ولكنها في المقابل قادرة على الوصول إلى سرعات لحام عالية جدًا. أما عملية لحام القوس الكهربائي، فتتميز بكثافة طاقة أقل بكثير، ولكنها تُحدث بقعة بؤرية أكبر على سطح قطعة العمل، وتتميز بسرعة معالجة أبطأ. بدمج هاتين العمليتين، يمكن تحقيق أوجه تآزر مفيدة. وهذا بدوره يتيح تحقيق مزايا في الجودة وفوائد هندسية في الإنتاج، فضلاً عن تحسين كفاءة التكلفة. توفر هذه العملية تطبيقات مثيرة للاهتمام وجذابة اقتصادياً، لا سيما في صناعة السيارات، وذلك بفضل السماح بتفاوتات أعلى في اللحامات، وإمكانية تحقيق معدلات ربط أعلى، وتحقيق معايير ميكانيكية/تكنولوجية ممتازة.
1. مقدمة:
من المعروف منذ سبعينيات القرن الماضي كيفية دمج ضوء الليزر والقوس الكهربائي في عملية لحام متكاملة، إلا أنه لم يُجرَ أي تطوير إضافي في هذا المجال لفترة طويلة بعد ذلك. ومؤخرًا، عاد الباحثون إلى الاهتمام بهذا الموضوع وحاولوا الجمع بين مزايا القوس الكهربائي ومزايا الليزر في عملية لحام هجينة. فبينما كانت مصادر الليزر في بداياتها لا تزال بحاجة إلى إثبات ملاءمتها للاستخدام الصناعي، أصبحت اليوم من المعدات التكنولوجية الأساسية في العديد من الشركات الصناعية.
يُطلق على الجمع بين اللحام بالليزر وعملية لحام أخرى اسم "عملية اللحام الهجينة". وهذا يعني أن شعاع الليزر والقوس الكهربائي يعملان في وقت واحد في منطقة لحام واحدة، ويؤثر كل منهما على الآخر ويدعمه.
2. الليزر:
لا يتطلب اللحام بالليزر طاقة ليزر عالية فحسب، بل يتطلب أيضًا شعاعًا عالي الجودة للحصول على "تأثير اللحام العميق" المطلوب. ويمكن استغلال جودة الشعاع العالية الناتجة إما للحصول على قطر بؤري أصغر أو مسافة بؤرية أكبر.
في مشاريع التطوير الجارية حالياً، يُستخدم ليزر الحالة الصلبة الذي يُضخ بواسطة مصباح، بقدرة شعاع ليزر تبلغ 4 كيلوواط. ويتم نقل ضوء الليزر عبر ألياف زجاجية قطرها 600 ميكرومتر.
يُنقل ضوء الليزر عبر ألياف زجاجية، حيث يتم تبريد بدايتها ونهايتها بالماء. ويتم إسقاط شعاع الليزر على قطعة العمل بواسطة وحدة تركيز ذات بُعد بؤري يبلغ 200 مم.
3. عملية الليزر الهجينة:
في لحام القطع المعدنية، يُركز شعاع ليزر Nd:YAG بكثافة تزيد عن 106 واط/سم². عند اصطدام شعاع الليزر بسطح المادة، يسخن هذه البقعة إلى درجة حرارة التبخر، ويتشكل تجويف بخاري في معدن اللحام نتيجةً لتصاعد بخار المعدن. السمة المميزة لخط اللحام هي نسبة العمق إلى العرض العالية. تبلغ كثافة تدفق الطاقة للقوس الكهربائي الحر ما يزيد قليلاً عن 104 واط/سم². يوضح الشكل 1 المبدأ الأساسي للحام الهجين.
يُظهر الشكل هنا عملية تغذية معدن اللحام بالحرارة في الجزء العلوي من خط اللحام، بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن القوس الكهربائي. وعلى عكس التكوين التسلسلي حيث تعمل عمليتا لحام منفصلتان بالتتابع، يمكن اعتبار اللحام الهجين مزيجًا من عمليتي اللحام تعملان في وقت واحد في منطقة معالجة واحدة. وبحسب نوع عملية اللحام بالقوس الكهربائي أو الليزر المستخدمة، ومعايير العملية، ستؤثر العمليتان على بعضهما البعض بدرجات متفاوتة وبطرق مختلفة [1، 2].
بفضل الجمع بين عملية الليزر وعملية القوس الكهربائي، يزداد كل من عمق اختراق اللحام وسرعة اللحام (مقارنةً باستخدام أيٍّ من العمليتين على حدة). ويتفاعل بخار المعدن المتصاعد من تجويف البخار مع بلازما القوس الكهربائي. ويبقى امتصاص إشعاع ليزر Nd:YAG في بلازما المعالجة ضئيلاً. وبحسب نسبة مدخلات الطاقة المختارة، قد تتحدد طبيعة العملية برمتها بدرجة أكبر أو أقل إما بواسطة الليزر أو بواسطة القوس الكهربائي [3، 4].
الشكل 1: تمثيل تخطيطي: اللحام الهجين بالليزر
يتأثر امتصاص إشعاع الليزر بشكل كبير بدرجة حرارة سطح قطعة العمل. قبل بدء عملية اللحام بالليزر، يجب التغلب على الانعكاس الأولي، خاصةً على أسطح الألومنيوم. يمكن تحقيق ذلك ببدء اللحام ببرنامج بدء خاص. بعد الوصول إلى درجة حرارة التبخير، تتشكل فجوة البخار، مما يسمح بإدخال معظم طاقة الإشعاع إلى قطعة العمل. وبالتالي، تتحدد الطاقة اللازمة لذلك من خلال الامتصاص الذي يعتمد على درجة الحرارة وكمية الطاقة المفقودة.
عن طريق التوصيل إلى باقي قطعة العمل. في اللحام الهجين بالليزر، لا يحدث التبخير من سطح قطعة العمل فحسب، بل من سلك الحشو أيضًا، مما يعني توفر كمية أكبر من بخار المعدن، الأمر الذي يُسهّل بدوره دخول إشعاع الليزر. وهذا يمنع أيضًا انقطاع العملية [5، 6، 7، 8، 9].
4. تطبيقات السيارات:
باستخدام تقنية الإطار الفضائي، يمكن تحقيق تخفيض في الوزن بنسبة 43% مقارنة بهيكل السيارة المصنوع من الفولاذ.
الشكل 2: نموذج أودي A2 ذو الهيكل الفضائي
يتكون الهيكل الفضائي لسيارة أودي A2 من 30 مترًا من اللحام بالليزر (الشرائط الصفراء في الشكل 2) و20 مترًا من اللحام بتقنية MIG. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام 1700 مسمار تثبيت.
الشكل 3: مقارنة بين المقاطع وتقنيات الربط في سيارة أودي A2
يوضح الشكل 4 وصلة لحام هجينة بالليزر بين مادة مصبوبة من الألومنيوم والمغنيسيوم (ALMg3) ومادة صفائحية من الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون (AlMgSi). سلك الحشو المستخدم هو AlSi5، وغاز الحماية المستخدم هو الأرجون. مع زيادة طاقة الليزر، يصبح الاختراق أعمق. يؤدي دمج شعاع الليزر مع القوس الكهربائي بهذه الطريقة إلى الحصول على حوض لحام أكبر من عملية لحام شعاع الليزر وحدها. وهذا يُمكّن من لحام مكونات ذات فجوات أوسع.
الشكل 4: وصلة تراكب بمسافة 0.5 مم
تُستخدم تقنية اللحام التراكبي بدون تحضير مسبق في صناعة السيارات. حاليًا، تُعتبر عملية اللحام بالليزر باستخدام سلك حشو بارد هي الأحدث والأكثر تطورًا في هذا المجال، وذلك بسبب التصدع الحراري لسبائك الألومنيوم AA 6xxx. عند استخدام سلك الحشو في اللحام، يُفقد جزء كبير من طاقة الليزر في عملية صهر هذا السلك.
يوضح الشكل التالي الفروقات بين اللحام الهجين بالليزر واللحام بالليزر العادي على وصلة تراكب بسرعة لحام تبلغ 2.4 متر/دقيقة. في حالة اللحام بالليزر العادي، لا يمكن ملء خرزة اللحام، مما يؤدي إلى حدوث تآكل. كما أن الاختراق في المادة الأساسية يكون ضئيلاً للغاية. عرض خرزة اللحام صغير جدًا، وبالتالي يُتوقع انخفاض قوة الشد. أما في حالة اللحام الهجين بالليزر،
تُضاف كمية إضافية من المادة إلى حوض اللحام. يُملأ الفراغ السفلي بسلك اللحام الناتج عن عملية اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (MIG)، مما يوفر جزءًا من طاقة الليزر. يمكن استخدام هذه الطاقة الموفرة لزيادة عمق الاختراق في المادة الأساسية، وبالتالي يصبح عرض خرزة اللحام أكبر من سمك المادة، وهو ما تتطلبه المحاكاة العددية.
الشكل 5: مقارنة بين اللحام الهجين بالليزر واللحام بالليزر بدون سلك حشو
باستخدام تقنية اللحام الهجين بالليزر، يُمكن لحام مواد من الألومنيوم والفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة تصل إلى 4 مم. في حال كانت السماكة كبيرة جدًا، لا يُمكن تحقيق اختراق كامل. كما يُفضّل استخدام عملية اللحام بالليزر لربط المواد المطلية بالزنك.
وتشمل التطبيقات الأخرى في مجال السيارات أنظمة نقل الحركة والمحاور وهياكل السيارات، حيث يمكن أن تكون عملية اللحام الهجين بالليزر مناسبة.
رأس اللحام:
يجب أن يتميز رأس اللحام بأبعاد هندسية صغيرة لضمان سهولة الوصول إلى المكونات المراد لحامها، لا سيما في مجال هياكل السيارات. علاوة على ذلك، ينبغي تصميمه بحيث يسمح بوصلة قابلة للفصل برأس الروبوت، وإمكانية ضبط متغيرات العملية مثل المسافة البؤرية ومسافات شعلة اللحام في جميع الإحداثيات الديكارتية. يوضح الشكل 5 رأس اللحام أثناء عملية اللحام. يؤدي تناثر المعدن أثناء عملية اللحام إلى زيادة اتساخ الزجاج الواقي. يُغطى زجاج الكوارتز من كلا الجانبين بمادة مضادة للانعكاس لحماية النظام البصري لليزر من التلف.
بحسب درجة الاتساخ، قد يؤدي تراكم رذاذ اللحام على الزجاج إلى انخفاض طاقة الليزر المؤثرة على قطعة العمل بنسبة تصل إلى 90%. ويؤدي الاتساخ الشديد عادةً إلى تلف الزجاج الواقي، حيث يمتص الزجاج نسبة كبيرة من الطاقة الإشعاعية، مما يُسبب إجهادات حرارية فيه. وباستخدام رأس اللحام ومعداته، يُمكن استخدامه في اللحام الهجين بالليزر، ولحام الليزر، ولحام MSG.اللحام بالليزر باستخدام الأسلاك الساخنة.
الشكل 6: رأس اللحام والعملية
5. مزايا اللحام الهجين بالليزر:
تترتب المزايا التالية على دمج القوس الكهربائي وشعاع الليزر: مزايا اللحام الهجين بالليزر مقارنةً باللحام بالليزر:
• استقرار أعلى للعملية
• سهولة أكبر في بناء الجسور
• اختراق أعمق
• انخفاض تكاليف الاستثمار الرأسمالي
• مرونة أكبر
مزايا اللحام الهجين بالليزر مقارنةً بلحام MIG:
• سرعات لحام أعلى
• اختراق أعمق عند سرعات لحام أعلى
• انخفاض المدخلات الحرارية
• قوة شد أعلى
• لحامات أضيق
الشكل 7: مزايا الجمع بين العمليتين
تتميز عملية اللحام بالقوس الكهربائي بانخفاض تكلفة مصدر الطاقة، وقدرتها الجيدة على وصل المواد، وإمكانية التأثير على بنية المعدن بإضافة معادن الحشو. أما عملية اللحام بشعاع الليزر، فتتميز بعمق اللحام الكبير، وسرعة اللحام العالية، وانخفاض الحمل الحراري، وخطوط اللحام الضيقة. عند تجاوز كثافة شعاع معينة، يُحدث شعاع الليزر "تأثير اللحام العميق" في المواد المعدنية، مما يُتيح لحام مكونات ذات سماكات جدارية أكبر - شريطة أن تكون طاقة الليزر عالية بما يكفي. وبالتالي، يُحقق اللحام الهجين بالليزر سرعات لحام أعلى، واستقرارًا للعملية بفضل التفاعل بين القوس الكهربائي وشعاع الليزر، وكفاءة حرارية مُحسّنة، ودقة أكبر في قطعة العمل. ولأن حوض اللحام أصغر من حوض اللحام في عملية اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (MIG)، فإن المدخلات الحرارية تكون أقل، وبالتالي تكون المنطقة المتأثرة بالحرارة أصغر. وهذا يعني لحامًا أقل.
التشوه، مما يقلل من كمية أعمال تقويم اللحام اللاحقة التي يجب القيام بها.
عند وجود حوضي لحام منفصلين، فإنّ المدخلات الحرارية اللاحقة من القوس الكهربائي تعني أن شعاع الليزر - منطقة اللحام - وخاصة في حالة الفولاذ - يخضع لمعالجة تلدين بعد اللحام، مما يوزع قيم الصلابة بشكل أكثر تجانسًا عبر خط اللحام. يوضح الشكل 6 مزايا العملية المدمجة (أي الهجينة).
بالانتقال الآن إلى المزايا الاقتصادية للحام الهجين مقارنةً باللحام بالليزر، يمكننا القول ما يلي: يتكون خط اللحام جزئيًا من لحام ليزري وجزئيًا من لحام MIG. تتيح عملية اللحام الهجين تقليل طاقة شعاع الليزر، مما يعني انخفاضًا كبيرًا في استهلاك الطاقة لمصدر الليزر، حيث تبلغ كفاءة جهاز شعاع الليزر 3% فقط. بعبارة أخرى: يؤدي انخفاض طاقة شعاع الليزر المؤثر على قطعة العمل بمقدار 1 كيلوواط إلى انخفاض استهلاك الطاقة من الشبكة الكهربائية بمقدار 35 كيلو فولت أمبير تقريبًا.
يكلف جهاز شعاع الليزر حوالي 0.1 مليون يورو لكل 1 كيلوواط منقوة شعاع الليزرعلى سبيل المثال، في حالة استخدام عملية هجينة تسمح باستخدام جهاز ليزر بقدرة 2 كيلوواط بدلاً من جهاز بقدرة 4 كيلوواط، ينتج عن ذلك توفير 0.2 مليون يورو في النفقات الاستثمارية. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه العملية الهجينة تتطلب آلة لحام MIG بتكلفة تقارب 20,000 يورو.
بفضل سرعة اللحام العالية، يمكن تقليل كل من أوقات التصنيع وتكاليف اللحام.
6. اللحام بالليزر والأسلاك الساخنة:
ثمة إمكانية أخرى لدمج شعاع الليزر مع سلك الحشو، وهي عملية LaserHotwire [10]. في هذه العملية، يُسخّن سلك الحشو مسبقًا باستخدام نفس مصدر الطاقة، والذي يمكن استخدامه لـعملية اللحام الهجين بالليزريتحمل سلك الحشو تيارًا كهربائيًا يتراوح بين 100 و220 أمبير. وتعتمد سرعة تغذية السلك على مساحة مقطع خرزة اللحام وسرعة اللحام. يوفر اللحام، من خلال كمية معدن الحشو، مادة تشكيل يمكن تشطيبها بسهولة أكبر من وصلات اللحام التقليدية. كما يُسهّل لحام الصفائح المعدنية أعمال الإصلاح مقارنةً بالوصلات الملحومة. ومن مزايا اللحام بالليزر ذي السلك الساخن مقاومة منطقة اللحام للتآكل.
تُستخدم سبائك رخيصة أساسها النحاس مثل SG-CuSi3 كمعادن حشو، ويعمل الأرجون كغاز واقٍ.
الشكل 8: تمثيل تخطيطياللحام بالليزر باستخدام الأسلاك الساخنة:
يوضح الشكل التالي المقطع العرضي لمادة ملحومة بسلك ساخن باستخدام الليزر. يتم لحام المادة المطلية بالزنك بسرعة 3 أمتار/دقيقة، ويبلغ تيار سلك الحشو 205 أمبير. تكون الحرارة المُدخلة منخفضة للغاية، مما ينتج عنه تشوه طفيف.
7. ملخص:
تُعدّ اللحام الهجين بالليزر تقنية جديدة كلياً توفر مزايا تآزرية لمجالات تطبيق واسعة في صناعات تشكيل المعادن، لا سيما في الحالات التي لا يكون فيها من الممكن أو المجدي اقتصادياً تحقيق دقة المكونات المطلوبة لـلحام شعاع الليزر. إن النطاق الأوسع بكثير للتطبيق والقدرة العالية للعملية المدمجة تؤدي إلى تعزيز القدرة التنافسية من حيث انخفاض النفقات الاستثمارية، وتقصير أوقات التصنيع، وانخفاض تكاليف التصنيع، وزيادة الإنتاجية.
تُقدّم عملية اللحام الهجين بالليزر نهجًا جديدًا في لحام الألومنيوم. مع ذلك، لم يُصبح تطوير عملية مستقرة قابلة للتطبيق العملي ممكنًا إلا مؤخرًا، بفضل القدرات العالية المتاحة لأشعة الليزر الصلبة. وقد تناولت دراسات عديدة أساسيات عمليات اللحام الهجين بالليزر والقوس الكهربائي. ونقصد بـ"عملية اللحام الهجينة" الجمع بين لحام شعاع الليزر ولحام القوس الكهربائي، باستخدام منطقة معالجة واحدة فقط (البلازما والمصهور). وقد أظهرت الدراسات البحثية الأساسية إمكانية تطوير عملية تجمع بين العمليتين، ما يُحقق تكاملًا بينهما ويُعوض عيوب كل عملية على حدة، ما يُحسّن إمكانيات اللحام وقابليته وموثوقيته للعديد من المواد والتركيبات المختلفة. وقد ثبت ذلك بشكل خاص في سبائك الألومنيوم. ومن خلال اختيار معايير معالجة مُلائمة، يُمكن التأثير بشكل انتقائي على خصائص اللحام، مثل الشكل الهندسي والتركيب البنيوي. كما تُحسّن عملية لحام القوس الكهربائي من إمكانية وصل الأجزاء المتضررة بإضافة معدن الحشو، وتُحدد أيضًا عرض خط اللحام، ما يُقلل من كمية تحضير قطعة العمل المطلوبة. علاوة على ذلك، تؤدي التفاعلات التي تحدث بين العمليات إلى زيادة كبيرة في كفاءة العملية. كما تتطلب هذه العملية المدمجة تكاليف استثمارية أقل بكثير من عملية اللحام بالليزر.
يمكن استخدام عملية اللحام بالليزر السلكي الساخن بشكل خاص للمواد المطلية بالزنك للحصول على مقاومة جيدة للتآكل.
تاريخ النشر: 18 أبريل 2025
