آلية تكوين الشقوق الناتجة عن التصلب في اللحام بالليزر وإجراءات كبحها

لحام شعاع الليزرتُستخدم تقنية اللحام بالقوس الكهربائي، بفضل سرعتها العالية ودقتها الفائقة وخصائصها التي لا تتطلب التلامس، على نطاق واسع في مجالات مثل السيارات والفضاء والأجهزة الإلكترونية، وتُظهر مزايا فريدة في وصل المواد المختلفة. مع ذلك، تُعدّ تشققات التصلب التي تتولد أثناء عملية اللحام أحد العيوب الرئيسية التي تحدّ من تطبيقاتها الصناعية. عادةً ما تظهر هذه التشققات في نهاية التصلب في منطقة الانصهار، نتيجةً لتأثيرات مُجتمعة من الإجهاد الحراري وانكماش التصلب والطبقة السائلة على حدود الحبيبات، مما يُقلل بشكل كبير من الخواص الميكانيكية وعمر الوصلة.

1. آلية التكوين

تكمن الآلية الأساسية لتشققات التصلب في طبقة السائل المتبقية على حدود الحبيبات في نهاية عملية التصلب. خلال هذه العملية، ينقسم حوض الصهر إلى ثلاث مناطق: منطقة السائل الحر، ومنطقة السائل المقيد، والمنطقة الصلبة، كما هو موضح في الشكل 1. في منطقة السائل المقيد، يُعاق تدفق السائل ولا يستطيع تعويض الإجهاد الناتج عن انكماش التصلب، مما يؤدي إلى انفصال حدود الحبيبات. تحدد نسبة طاقة حدود الحبيبات (γgb) إلى طاقة سطح التماس بين السائل والصلب (γsl) استقرار طبقة السائل: فإذا كانت γgb < 2γsl، تكون طبقة السائل غير مستقرة ويحدث اندماج الحبيبات؛ أما إذا كانت γgb < 2γsl، فتكون طبقة السائل غير مستقرة ويكون بدء التشققات واردًا.

علاوة على ذلك، يرتبط تشكل شقوق التصلب بالخواص المعدنية للمواد. فلكل مادة خصائص تصلب مميزة، مثل نطاق درجة حرارة التصلب، ومعدل انكماش التصلب، وتوزيع عناصر السبائك، وغيرها. وتؤثر هذه الخصائص على حساسية الشقوق. فعلى سبيل المثال، في المواد التي تحتوي على كمية كبيرة من الأطوار اليوتكتيكية ذات نقطة الانصهار المنخفضة، تكون حساسية شقوق التصلب أعلى لأن هذه الأطوار اليوتكتيكية تميل إلى تكوين أغشية سائلة متصلة أثناء التصلب، مما يزيد من تشكل الشقوق.

خلالعملية اللحام بالليزرتؤثر معايير اللحام، مثل قدرة الليزر وسرعة اللحام وحجم البقعة، على تكوّن شقوق التصلب. وتؤثر هذه المعايير على كمية الحرارة المُدخلة وتدرج درجة الحرارة أثناء عملية اللحام، مما يُغير بنية التصلب وشكل الحبيبات. فعلى سبيل المثال، تؤدي قدرة الليزر العالية وسرعة اللحام المنخفضة إلى زيادة كمية الحرارة المُدخلة وبطء معدل التبريد، مما يُعزز نمو البلورات العمودية ويزيد من حساسية الشقوق. في المقابل، تؤدي قدرة الليزر المنخفضة وسرعة اللحام العالية إلى انخفاض كمية الحرارة المُدخلة وسرعة التبريد، مما يُسهل تكوّن البلورات متساوية المحاور ويُقلل من حساسية الشقوق.

2. تدابير القمع

لكبح تشققات التصلب بشكل فعال فياللحام بالليزراقترح الباحثون استراتيجيات متنوعة، تركز بشكل أساسي على التحكم في بنية الحبيبات، وتحسين معايير اللحام، وتعزيز خصائص المادة. فمن خلال تحسين بنية الحبيبات، يمكن زيادة عدد حدودها وتقليل تركيز الإجهاد، مما يحد من تشكل الشقوق. وقد أظهرت الدراسات أنه باستخدام تقنية تذبذب شعاع الليزر، يمكن تحويل البلورات العمودية إلى بلورات متساوية المحاور دقيقة دون إضافة مواد أخرى. إذ يعمل تذبذب شعاع الليزر على تشتيت طاقة الليزر، مما يُحدث اضطرابًا في حوض الانصهار، وبالتالي يكسر اتجاه نمو البلورات العمودية ويعزز تكوين البلورات متساوية المحاور، كما هو موضح في الشكل 3. إضافةً إلى ذلك، يُمكن لتذبذب شعاع الليزر زيادة عرض حوض الانصهار، وتقليل تدرج درجة الحرارة، وإطالة زمن تصلب حوض الانصهار، مما يُساعد على انتشار المواد المذابة وتجديد الأغشية السائلة، وبالتالي يقلل بشكل كبير من حساسية تشققات التصلب.

توزيع الأغشية السائلة على حدود الحبيبات تحت أشكال مختلفة للأحواض.

رسم تخطيطي لحوض اللحام المنصهر، أ، ب) بدون تذبذب، ج، د) تذبذب جانبي، هـ، و) تذبذب طولي، ز، ح) تذبذب محيطي.

بالإضافة إلىشعاع الليزرتُعدّ تقنية التذبذب، باستخدام مصدرين ليزريين، من الطرق الفعّالة للحدّ من تشققات التصلب. إذ يُمكن للمصدرين الليزريين تحقيق التحوّل من البلورات العمودية إلى البلورات متساوية المحاور من خلال تحسين الدورة الحرارية، ما يُقلّل من حجم الحبيبات وتركيز الإجهاد. فعلى سبيل المثال، عند استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون كمصدر حراري رئيسي وليزر Nd:YAG النبضي كمصدر حراري مساعد، يُمكن تشكيل دورة حرارية مُحسّنة أثناء اللحام، ما يُعزّز تكوين البلورات متساوية المحاور ويُقلّل من حساسية تشققات التصلب، كما هو موضح في الشكل 4.

يُعدّ تحسين معايير اللحام وسيلةً مهمةً للحدّ من تشققات التصلب. فمن خلال ضبط معايير مثل قدرة الليزر وسرعة اللحام وحجم البقعة، يُمكن التحكم في كمية الحرارة المُدخلة وتدرج درجة الحرارة أثناء عملية اللحام، مما يؤثر على بنية التصلب وشكل الحبيبات. وقد أظهرت الدراسات أن المعالجة بالتسخين المسبق تُقلل من معدل التبريد، وتُعزز تكوين البلورات متساوية المحاور، وبالتالي تُقلل من حساسية تشققات التصلب، كما هو موضح في الشكل 5. إضافةً إلى ذلك، تُتيح طرقٌ أخرى، مثل استخدام لحام الليزر النبضي وزيادة سرعة اللحام، إمكانية تحويل البلورات العمودية إلى بلورات متساوية المحاور عن طريق تغيير كمية الحرارة المُدخلة ومعدل التبريد، مما يُقلل من حساسية التشققات.

الشكل 5. أ) غير مسخن، ب) حبيبات متساوية المحاور مسخنة مسبقًا عند 300 درجة مئوية.

عند لحام مواد مختلفة باستخدام الليزر، ونظرًا للاختلافات الكبيرة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية بين هذه المواد، فإن المركبات البينية الهشة تكون عرضة للتكوّن، وهي أحد الأسباب الرئيسية لتشققات التصلب. لذا، يُعدّ ضبط معايير الليزر وإعداداته لتقليل تكوّن هذه المركبات أو كميتها استراتيجية مهمة لكبح تشققات التصلب. على سبيل المثال، في لحام النحاس والألومنيوم باستخدام الليزر، يمكن تقليل نسبة خلط النحاس والألومنيوم في حوض اللحام المنصهر من خلال التحكم في إزاحة شعاع الليزر وسرعة اللحام، مما يقلل من تكوّن المركبات البينية الهشة ويقلل من حساسية التشققات. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدام مواد الحشو لتحسين أداء الوصلة الملحومة وتقليل تكوّن التشققات. إذ تُقلل مواد الحشو من تكوّن المركبات البينية عن طريق تغيير تركيب الوصلة الملحومة وبنيتها المجهرية، كما تُحسّن من متانتها.

تُعدّ شقوق التصلب من العيوب الشائعة في عمليات اللحام بالليزر. آلية تكوّنها معقدة وتتضمن تفاعل عوامل متعددة كالحرارة والميكانيكا وعلم المعادن. من خلال دراسة آلية تكوّن شقوق التصلب دراسة معمقة، يُمكن توفير أساس نظري للحدّ منها. في السنوات الأخيرة، اقترح الباحثون استراتيجيات متنوعة للحدّ من شقوق التصلب، تركز بشكل أساسي على التحكم في بنية الحبيبات، وتحسين معايير اللحام، وتحسين خصائص المواد. وقد أثبتت التجارب العملية أن هذه الاستراتيجيات تُقلل بشكل فعال من حساسية شقوق التصلب إلى حدٍّ ما، وتُحسّن جودة وموثوقية اللحام بالليزر. مع ذلك، ونظرًا لتعقيد عملية اللحام بالليزر وتنوعها، لا تزال هناك بعض أوجه القصور في الأبحاث الحالية. على سبيل المثال، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث المعمق حول آليات تثبيط شقوق التصلب في ظل مواد وظروف لحام مختلفة.