موضوع خاص حول تكنولوجيا اللحام بالليزر الحديثة - اللحام بالليزر ذي الشعاع المزدوج

تم اقتراح طريقة اللحام بشعاعين، وذلك بشكل أساسي لحل مشكلة قابلية التكيف لـاللحام بالليزرلتحسين دقة التجميع، واستقرار عملية اللحام، وجودة اللحام، خاصةً في لحام الصفائح الرقيقة وسبائك الألومنيوم، يمكن استخدام تقنية اللحام بالليزر ثنائي الحزمة لفصل شعاع الليزر نفسه إلى شعاعين ضوئيين منفصلين. كما يمكن دمج نوعين مختلفين من الليزر، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر Nd:YAG، وليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. ومن خلال تغيير طاقة الشعاعين، والمسافة بينهما، وحتى نمط توزيع الطاقة، يمكن ضبط مجال درجة حرارة اللحام بسهولة ومرونة، مما يُغير نمط وجود الثقوب ونمط تدفق المعدن المنصهر في حوض اللحام، موفرًا بذلك حلاً أفضل لعملية اللحام. تتميز هذه التقنية بنطاق واسع من الخيارات لا يُضاهى بتقنية اللحام بالليزر أحادي الحزمة. فهي لا تتمتع فقط بمزايا اختراق الليزر العالي، والسرعة الفائقة، والدقة العالية، بل تتميز أيضًا بقدرة كبيرة على التكيف مع المواد والوصلات التي يصعب لحامها باستخدام تقنيات اللحام بالليزر التقليدية.

مبدألحام الليزر ذو الشعاع المزدوج

تعني عملية اللحام بشعاعين ليزريين استخدام شعاعين ليزريين في آنٍ واحد أثناء عملية اللحام. وتُعدّ كلٌّ من ترتيب الشعاعين، والمسافة بينهما، والزاوية بينهما، وموضع التركيز، ونسبة طاقة الشعاعين، من الإعدادات المهمة في هذه العملية. عادةً، توجد طريقتان لترتيب الشعاعين أثناء عملية اللحام. كما هو موضح في الشكل، تتمثل إحداهما في ترتيبهما على التوالي على طول اتجاه اللحام، مما يُقلل من معدل تبريد حوض المعدن المنصهر، ويُقلل من قابلية اللحام للتصلب، ويُقلل من تكوّن المسام. أما الطريقة الأخرى، فتتمثل في ترتيبهما جنبًا إلى جنب أو بشكل متقاطع على جانبي اللحام لتحسين التوافق مع فجوة اللحام.

مبدأ اللحام بالليزر ذي الشعاع المزدوج

تعني عملية اللحام بشعاعين ليزريين استخدام شعاعين ليزريين في آنٍ واحد أثناء عملية اللحام. وتُعدّ كلٌّ من ترتيب الشعاعين، والمسافة بينهما، والزاوية بينهما، وموضع التركيز، ونسبة طاقة الشعاعين، من الإعدادات المهمة في هذه العملية. عادةً، توجد طريقتان لترتيب الشعاعين أثناء عملية اللحام. كما هو موضح في الشكل، تتمثل إحداهما في ترتيبهما على التوالي على طول اتجاه اللحام، مما يُقلل من معدل تبريد حوض المعدن المنصهر، ويُقلل من قابلية اللحام للتصلب، ويُقلل من تكوّن المسام. أما الطريقة الأخرى، فتتمثل في ترتيبهما جنبًا إلى جنب أو بشكل متقاطع على جانبي اللحام لتحسين التوافق مع فجوة اللحام.

بالنسبة لنظام اللحام بالليزر ثنائي الحزمة المرتب بشكل متسلسل، هناك ثلاث آليات لحام مختلفة تعتمد على المسافة بين الحزمتين الأمامية والخلفية، كما هو موضح في الشكل أدناه.

١. في النوع الأول من آليات اللحام، تكون المسافة بين شعاعي الضوء كبيرة نسبيًا. يتميز أحد الشعاعين بكثافة طاقة أعلى، ويُركز على سطح قطعة العمل لتكوين ثقوب مفتاحية في اللحام؛ بينما يتميز الشعاع الآخر بكثافة طاقة أقل، ويُستخدم فقط كمصدر حرارة للمعالجة الحرارية قبل اللحام أو بعده. باستخدام هذه الآلية، يُمكن التحكم في معدل تبريد حوض اللحام ضمن نطاق محدد، مما يُفيد في لحام بعض المواد ذات الحساسية العالية للتشقق، مثل الفولاذ عالي الكربون والفولاذ السبائكي، كما يُحسّن من متانة اللحام.

٢. في النوع الثاني من آليات اللحام، تكون المسافة البؤرية بين شعاعي الضوء صغيرة نسبيًا. يُنتج شعاعا الضوء ثقبين مستقلين في حوض اللحام، مما يُغير نمط تدفق المعدن السائل ويُساعد على منع التكتل. كما يُمكنه القضاء على حدوث عيوب مثل الحواف غير المنتظمة وانتفاخات خرزة اللحام، ويُحسّن من جودة اللحام.

3. في النوع الثالث من آلية اللحام، تكون المسافة بين شعاعي الضوء صغيرة جدًا. في هذه الحالة، يُنتج الشعاعان ثقبًا واحدًا في حوض اللحام. بالمقارنة مع اللحام بالليزر أحادي الشعاع، نظرًا لأن حجم الثقب يصبح أكبر ويصعب إغلاقه، فإن عملية اللحام تكون أكثر استقرارًا ويسهل تصريف الغاز، مما يُسهم في تقليل المسام والتناثر، والحصول على لحامات متصلة ومتجانسة وذات مظهر جميل.

أثناء عملية اللحام، يمكن توجيه شعاعي الليزر بزاوية محددة بينهما. تشبه آلية اللحام آلية اللحام بشعاعين متوازيين. تُظهر نتائج الاختبارات أنه باستخدام شعاعين ليزريين عاليي الطاقة بزاوية 30 درجة بينهما ومسافة تتراوح بين 1 و2 مم، يُمكن الحصول على ثقب على شكل قمع. يتميز هذا الثقب بحجم أكبر وثبات أعلى، مما يُحسّن جودة اللحام بشكل فعّال. في التطبيقات العملية، يُمكن تغيير طريقة دمج شعاعي الليزر وفقًا لظروف اللحام المختلفة لتحقيق عمليات لحام متنوعة.

6. طريقة تنفيذ اللحام بالليزر ذي الشعاع المزدوج

يمكن الحصول على حزمتين ضوئيتين بدمج شعاعين ليزريين مختلفين، أو بتقسيم شعاع ليزري واحد إلى شعاعين لأغراض اللحام باستخدام نظام قياس طيفي بصري. ولتقسيم شعاع ضوئي إلى شعاعين ليزريين متوازيين بقدرات مختلفة، يمكن استخدام مطياف أو نظام بصري خاص. يوضح الشكل مخططين توضيحيين لمبادئ تقسيم الضوء باستخدام مرايا تركيز كفواصل للشعاع.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام العاكس كمقسم شعاع، ويمكن استخدام العاكس الأخير في المسار البصري كمقسم شعاع. يُسمى هذا النوع من العواكس أيضًا بالعاكس السقفي. سطحه العاكس ليس سطحًا مستويًا، بل يتكون من مستويين. يقع خط تقاطع السطحين العاكسين في منتصف سطح المرآة، على غرار قمة السقف، كما هو موضح في الشكل. يسقط شعاع ضوئي متوازٍ على المطياف، وينعكس بواسطة المستويين بزوايا مختلفة ليشكل شعاعين ضوئيين، ويسقطان على مواضع مختلفة من مرآة التركيز. بعد التركيز، نحصل على شعاعين ضوئيين على مسافة معينة على سطح قطعة العمل. بتغيير الزاوية بين السطحين العاكسين وموضع السقف، يمكن الحصول على أشعة ضوئية مقسمة بمسافات تركيز وترتيبات مختلفة.

عند استخدام نوعين مختلفين منأشعة الليزرلتشكيل شعاع مزدوج، توجد العديد من التركيبات. يمكن استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الجودة ذي توزيع طاقة غاوسي لأعمال اللحام الرئيسية، بينما يُستخدم ليزر أشباه الموصلات ذو توزيع طاقة مستطيل للمساعدة في أعمال المعالجة الحرارية. من جهة، يُعد هذا التركيب أكثر اقتصادية. ومن جهة أخرى، يمكن ضبط طاقة شعاعي الضوء بشكل مستقل. بالنسبة لأشكال الوصلات المختلفة، يمكن الحصول على مجال حراري قابل للتعديل عن طريق ضبط موضع تداخل الليزر وليزر أشباه الموصلات، وهو ما يُعد مناسبًا جدًا للتحكم في عملية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا دمج ليزر YAG وليزر ثاني أكسيد الكربون في شعاع مزدوج للحام، كما يمكن دمج الليزر المستمر وليزر النبضات للحام، وكذلك دمج الشعاع المركز والشعاع غير المركز للحام.

7. مبدأ لحام الليزر ثنائي الشعاع

3.1 لحام الصفائح المجلفنة باستخدام الليزر ذي الشعاع المزدوج

تُعدّ صفائح الفولاذ المجلفن أكثر المواد استخدامًا في صناعة السيارات. تبلغ درجة انصهار الفولاذ حوالي 1500 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة غليان الزنك 906 درجة مئوية فقط. لذلك، عند استخدام طريقة اللحام الانصهاري، يتولد عادةً كمية كبيرة من بخار الزنك، مما يؤدي إلى عدم استقرار عملية اللحام وتكوّن مسامات في منطقة اللحام. في وصلات التراكب، لا يقتصر تبخر طبقة الجلفنة على السطحين العلوي والسفلي فحسب، بل يمتدّ أيضًا إلى سطح الوصلة. أثناء عملية اللحام، يتصاعد بخار الزنك بسرعة من سطح حوض اللحام المنصهر في بعض المناطق، بينما يصعب عليه الخروج في مناطق أخرى. ونتيجةً لذلك، تكون جودة اللحام غير مستقرة للغاية على سطح حوض اللحام.

يمكن للحام بالليزر ثنائي الحزمة حل مشاكل جودة اللحام الناتجة عن بخار الزنك. تتمثل إحدى الطرق في التحكم في مدة بقاء حوض اللحام المنصهر ومعدل تبريده من خلال مطابقة طاقة الشعاعين بشكل مناسب لتسهيل خروج بخار الزنك؛ أما الطريقة الأخرى فتتمثل في إطلاق بخار الزنك عن طريق التثقيب أو التخديد المسبق. كما هو موضح في الشكل 6-31، يُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون في اللحام. ويقع ليزر الياج أمام ليزر ثاني أكسيد الكربون ويُستخدم لحفر الثقوب أو قطع الأخاديد. توفر الثقوب أو الأخاديد المُجهزة مسبقًا مسارًا لخروج بخار الزنك المتولد أثناء اللحام اللاحق، مما يمنعه من البقاء في حوض اللحام المنصهر وتكوين عيوب.

3.2 لحام سبائك الألومنيوم باستخدام الليزر ذي الشعاع المزدوج

نظراً للخصائص المميزة لمواد سبائك الألومنيوم، توجد الصعوبات التالية في استخدام اللحام بالليزر [39]: تتميز سبائك الألومنيوم بمعدل امتصاص منخفض لليزر، وتتجاوز نسبة الانعكاسية الأولية لسطح شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون 90%؛ كما أن خطوط لحام سبائك الألومنيوم بالليزر عرضة لظهور المسامية والتشققات؛ بالإضافة إلى احتراق عناصر السبيكة أثناء اللحام، وغيرها. عند استخدام اللحام بالليزر أحادي الشعاع، يصعب تكوين ثقب المفتاح والحفاظ على استقراره. أما اللحام بالليزر ثنائي الشعاع، فيمكنه زيادة حجم ثقب المفتاح، مما يصعب إغلاقه، وهو ما يُحسّن تصريف الغاز. كما يُقلل من معدل التبريد ويُقلل من ظهور المسام والتشققات. ونظراً لأن عملية اللحام أكثر استقراراً ويقل تناثر المعدن، فإن شكل سطح اللحام الناتج عن اللحام ثنائي الشعاع لسبائك الألومنيوم يكون أفضل بكثير من شكل سطح اللحام الناتج عن اللحام أحادي الشعاع. يوضح الشكل 6-32 مظهر خط اللحام لسبائك الألومنيوم بسمك 3 مم باستخدام لحام ليزر ثاني أكسيد الكربون أحادي الشعاع ولحام الليزر ثنائي الشعاع.

تُظهر الأبحاث أنه عند لحام سبائك الألومنيوم من سلسلة 5000 بسماكة 2 مم، تكون عملية اللحام مستقرة نسبيًا عندما تتراوح المسافة بين العارضتين من 0.6 إلى 1.0 مم، ويكون ثقب اللحام المتكون أكبر، مما يُسهّل تبخر المغنيسيوم وخروجه أثناء عملية اللحام. أما إذا كانت المسافة بين العارضتين صغيرة جدًا، فلن تكون عملية لحام العارضة الواحدة مستقرة. وإذا كانت المسافة كبيرة جدًا، فسيتأثر اختراق اللحام، كما هو موضح في الشكل 6-33. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر نسبة طاقة العارضتين بشكل كبير على جودة اللحام. فعند ترتيب عارضتين متجاورتين بمسافة 0.9 مم للحام، يجب زيادة طاقة العارضة السابقة بشكل مناسب بحيث تكون نسبة طاقة العارضتين قبلها إلى طاقتها بعدها أكبر من 1:1. يُساعد ذلك على تحسين جودة خط اللحام، وزيادة مساحة الانصهار، والحصول على خط لحام ناعم وجميل حتى عند سرعات اللحام العالية.

3.3 لحام الحزمتين للألواح ذات السماكات غير المتساوية

في الإنتاج الصناعي، غالباً ما يكون من الضروري لحام صفيحتين معدنيتين أو أكثر بأحجام وأشكال مختلفة لتشكيل صفيحة ملحومة. ويزداد استخدام القطع الملحومة حسب الطلب، خاصةً في صناعة السيارات، انتشاراً. فمن خلال لحام صفائح ذات مواصفات أو طلاءات سطحية أو خصائص مختلفة، يمكن زيادة المتانة وتقليل المواد المستهلكة مع الحفاظ على الجودة. ويُستخدم عادةً لحام الصفائح ذات الأحجام المختلفة بالليزر في لحام الألواح. وتكمن المشكلة الرئيسية في ضرورة تشكيل الصفائح المراد لحامها مسبقاً بحواف عالية الدقة لضمان دقة التجميع. ويمكن استخدام لحام الصفائح غير المتساوية السماكة بشعاع مزدوج للتكيف مع التغيرات المختلفة في فجوات الصفائح، ووصلات التماس، والسماكات النسبية، ومواد الصفائح. كما يمكن لحام الصفائح ذات التفاوتات الأكبر في الحواف والفجوات، وتحسين سرعة اللحام وجودته.

يمكن تقسيم معايير عملية اللحام الرئيسية للألواح غير المتساوية السماكة في شركة شوانغقوانغدونغ إلى معايير اللحام ومعايير الألواح، كما هو موضح في الشكل. تشمل معايير اللحام قوة شعاعي الليزر، وسرعة اللحام، وموضع التركيز، وزاوية رأس اللحام، وزاوية دوران شعاع وصلة اللحام التناكبي، وإزاحة اللحام، وغيرها. أما معايير الألواح فتشمل حجم المادة، وخصائصها، وظروف التشذيب، وفجوات الألواح، وغيرها. يمكن ضبط قوة شعاعي الليزر بشكل منفصل وفقًا لأغراض اللحام المختلفة. يقع موضع التركيز عادةً على سطح اللوح الرقيق لتحقيق عملية لحام مستقرة وفعالة. تُختار زاوية رأس اللحام عادةً لتكون حوالي 6 درجات. إذا كان سمك اللوحين كبيرًا نسبيًا، يمكن استخدام زاوية رأس لحام موجبة، أي أن الليزر يميل باتجاه اللوح الرقيق، كما هو موضح في الصورة؛ أما إذا كان سمك اللوح صغيرًا نسبيًا، فيمكن استخدام زاوية رأس لحام سالبة. تُعرَّف إزاحة اللحام بأنها المسافة بين بؤرة الليزر وحافة اللوح السميك. من خلال ضبط إزاحة اللحام، يمكن تقليل مقدار انبعاج اللحام والحصول على مقطع عرضي جيد للحام.

عند لحام الصفائح ذات الفجوات الكبيرة، يمكن زيادة قطر التسخين الفعال للشعاع عن طريق تدوير زاوية الشعاع المزدوج للحصول على قدرة جيدة على ملء الفجوات. يتحدد عرض الجزء العلوي من اللحام بقطر الشعاع الفعال لشعاعي الليزر، أي زاوية دوران الشعاع. كلما زادت زاوية الدوران، اتسع نطاق التسخين للشعاع المزدوج، وزاد عرض الجزء العلوي من اللحام. يؤدي شعاعا الليزر أدوارًا مختلفة في عملية اللحام؛ يُستخدم أحدهما بشكل أساسي لاختراق خط اللحام، بينما يُستخدم الآخر بشكل أساسي لصهر مادة الصفيحة السميكة لملء الفجوة. كما هو موضح في الشكل 6-35، عند زاوية دوران موجبة للشعاع (حيث يؤثر الشعاع الأمامي على الصفيحة السميكة، ويؤثر الشعاع الخلفي على اللحام)، يسقط الشعاع الأمامي على الصفيحة السميكة لتسخينها وصهرها، بينما يقوم الشعاع الخلفي باختراقها. لا يستطيع شعاع الليزر الأمامي الأول إذابة الصفيحة السميكة بالكامل، ولكنه يُسهم بشكل كبير في عملية اللحام، لأنه لا يُذيب جانب الصفيحة السميكة فقط لتحسين ملء الفراغات، بل يُهيئ أيضًا مادة الوصلة مسبقًا ليسهل على الأشعة اللاحقة اللحام عبرها، مما يسمح بلحام أسرع. في اللحام بشعاعين بزاوية دوران سالبة (حيث يعمل الشعاع الأمامي على منطقة اللحام، والشعاع الخلفي على الصفيحة السميكة)، يكون للشعاعين تأثير معاكس تمامًا. يُذيب الشعاع الأول الوصلة، بينما يُذيب الشعاع الثاني الصفيحة السميكة لملء الفراغات. في هذه الحالة، يتطلب الأمر من الشعاع الأمامي اللحام عبر الصفيحة الباردة، وتكون سرعة اللحام أبطأ من استخدام زاوية دوران موجبة. وبسبب تأثير التسخين المسبق للشعاع الأول، سيُذيب الشعاع الثاني كمية أكبر من مادة الصفيحة السميكة بنفس القدرة. في هذه الحالة، يجب تقليل قدرة شعاع الليزر الثاني بشكل مناسب. بالمقارنة، يُمكن استخدام زاوية دوران موجبة لزيادة سرعة اللحام، بينما يُمكن استخدام زاوية دوران سالبة لتحسين ملء الفراغات. يوضح الشكل 6-36 تأثير زوايا دوران الشعاع المختلفة على المقطع العرضي للحام.

3.4 لحام الصفائح السميكة الكبيرة بالليزر ثنائي الحزمة: مع تحسن مستوى طاقة الليزر وجودة الشعاع، أصبح لحام الصفائح السميكة الكبيرة بالليزر أمرًا ممكنًا. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة الليزر عالي الطاقة، ولأن لحام الصفائح السميكة الكبيرة يتطلب عادةً استخدام معدن حشو، توجد بعض القيود في الإنتاج الفعلي. لا تقتصر فوائد استخدام تقنية اللحام بالليزر ثنائي الحزمة على زيادة طاقة الليزر فحسب، بل تشمل أيضًا زيادة قطر التسخين الفعال للشعاع، وزيادة القدرة على صهر سلك الحشو، وتثبيت ثقب الليزر، وتحسين استقرار اللحام وجودته.