آلية وطريقة قمع تشكل رذاذ اللحام بالليزر

تعريف عيب التناثر: يشير عيب التناثر في اللحام إلى قطرات المعدن المنصهر المتطايرة من حوض اللحام أثناء عملية اللحام. قد تسقط هذه القطرات على سطح العمل المحيط، مما يُسبب خشونة وعدم انتظام في السطح، وقد يؤدي أيضًا إلى تدهور جودة حوض اللحام، مما ينتج عنه انبعاجات ونقاط انفجار وعيوب أخرى على سطح اللحام تؤثر على الخواص الميكانيكية للحام.

يشير مصطلح "التناثر" في اللحام إلى قطرات المعدن المنصهر المتطايرة من حوض اللحام أثناء عملية اللحام. قد تسقط هذه القطرات على سطح العمل المحيط، مما يُسبب خشونة وعدم انتظام في السطح، وقد يؤدي أيضًا إلى تدهور جودة حوض اللحام، مما ينتج عنه انبعاجات ونقاط انفجار وعيوب أخرى على سطح اللحام تؤثر على خواصه الميكانيكية.

تصنيف الرش:

قطرات صغيرة: قطرات التصلب الموجودة على حافة خط اللحام وعلى سطح المادة، والتي تؤثر بشكل رئيسي على المظهر وليس لها تأثير على الأداء؛ بشكل عام، يكون الحد الفاصل للتمييز هو أن القطرة أقل من 20٪ من عرض انصهار خط اللحام؛

تناثر كبير: يحدث فقدان في الجودة، يتجلى في شكل انبعاجات، ونقاط انفجار، وتجويفات، وما إلى ذلك على سطح خط اللحام، مما قد يؤدي إلى إجهاد وضغط غير متساويين، ويؤثر على أداء خط اللحام. وينصب التركيز الرئيسي على هذه الأنواع من العيوب.

عملية حدوث الرش:

يتجلى التناثر في صورة اندفاع المعدن المنصهر إلى حوض اللحام في اتجاه عمودي تقريبًا على سطح سائل اللحام نتيجة التسارع العالي. ويمكن ملاحظة ذلك بوضوح في الشكل أدناه، حيث يرتفع عمود السائل من منصهر اللحام ويتفكك إلى قطرات، مكونًا تناثرات.

مشهد حدوث الرذاذ

ينقسم اللحام بالليزر إلى نوعين: اللحام بالتوصيل الحراري واللحام بالاختراق العميق.

لا ينتج عن اللحام بالتوصيل الحراري أي تناثر تقريبًا: إذ يعتمد هذا النوع من اللحام بشكل أساسي على نقل الحرارة من سطح المادة إلى داخلها، دون توليد أي تناثر تقريبًا أثناء العملية. كما لا تتضمن هذه العملية تبخرًا كبيرًا للمعادن أو تفاعلات فيزيائية معدنية.

تُعد عملية اللحام بالاختراق العميق هي السيناريو الرئيسي لحدوث التناثر: تتضمن عملية اللحام بالاختراق العميق وصول الليزر مباشرة إلى المادة، ونقل الحرارة إلى المادة من خلال ثقوب المفاتيح، ويكون تفاعل العملية مكثفًا، مما يجعلها السيناريو الرئيسي لحدوث التناثر.

كما هو موضح في الشكل أعلاه، يستخدم بعض الباحثين التصوير عالي السرعة مع زجاج شفاف مقاوم للحرارة العالية لمراقبة حركة ثقب المفتاح أثناء اللحام بالليزر. يُلاحظ أن الليزر يصطدم أساسًا بالجدار الأمامي لثقب المفتاح، دافعًا السائل للتدفق إلى الأسفل، متجاوزًا ثقب المفتاح ليصل إلى نهاية حوض المعدن المنصهر. لا يكون موضع استقبال الليزر داخل ثقب المفتاح ثابتًا، بل يكون الليزر في حالة امتصاص فرينل داخله. في الواقع، هي حالة من الانكسارات والامتصاصات المتعددة، مما يحافظ على وجود سائل حوض المعدن المنصهر. يتغير موضع انكسار الليزر خلال كل عملية بتغير زاوية جدار ثقب المفتاح، مما يؤدي إلى حركة دورانية داخله. يؤدي موضع إشعاع الليزر إلى انصهار المعدن، وتبخره، وتعرضه لقوة، وتشوهه، مما يُسبب حركة اهتزازية للأمام.

تستخدم المقارنة المذكورة أعلاه زجاجًا شفافًا عالي الحرارة، وهو ما يُعادل في الواقع مقطعًا عرضيًا لحوض المعدن المنصهر. ففي نهاية المطاف، تختلف حالة تدفق حوض المعدن المنصهر عن الواقع. لذلك، استخدم بعض الباحثين تقنية التجميد السريع. أثناء عملية اللحام، يُجمّد حوض المعدن المنصهر بسرعة للحصول على الحالة الآنية داخل ثقب المفتاح. من الواضح أن الليزر يصطدم بالجدار الأمامي لثقب المفتاح، مُشكّلًا حافة. ​​يعمل الليزر على هذه الحافة، دافعًا حوض المعدن المنصهر للتدفق إلى الأسفل، ليملأ فجوة ثقب المفتاح أثناء حركة الليزر للأمام، وبالتالي الحصول على مخطط تقريبي لاتجاه التدفق داخل ثقب المفتاح لحوض المعدن المنصهر الحقيقي. كما هو موضح في الشكل على اليمين، يدفع ضغط ارتداد المعدن الناتج عن استئصال المعدن السائل بالليزر حوض المعدن المنصهر السائل لتجاوز الجدار الأمامي. يتحرك ثقب المفتاح نحو ذيل حوض المعدن المنصهر، مُندفعًا لأعلى كنافورة من الخلف، ليصطدم بسطح ذيل حوض المعدن المنصهر. في الوقت نفسه، وبسبب التوتر السطحي (كلما انخفضت درجة حرارة التوتر السطحي، زاد التأثير)، ينجذب المعدن السائل في حوض الصهر الخلفي بفعل التوتر السطحي ليتحرك نحو حافة حوض الصهر، ويستمر في التصلب. ثم يعود المعدن السائل الذي يمكن أن يتصلب لاحقًا إلى أسفل حوض الصهر الخلفي، وهكذا دواليك.

مخطط تخطيطي للحام الاختراق العميق بثقب المفتاح بالليزر: أ: اتجاه اللحام؛ ب: شعاع الليزر؛ ج: ثقب المفتاح؛ د: بخار المعدن، البلازما؛ هـ: الغاز الواقي؛ و: الجدار الأمامي لثقب المفتاح (الطحن قبل الانصهار)؛ ز: التدفق الأفقي للمادة المنصهرة عبر مسار ثقب المفتاح؛ ح: واجهة تصلب حوض الانصهار؛ ط: مسار التدفق الهابط لحوض الانصهار.

عملية التفاعل بين الليزر والمادة: يؤثر الليزر على سطح المادة، مُحدثًا استئصالًا مكثفًا. تُسخّن المادة أولًا، ثم تُصهر، ثم تتبخر. خلال عملية التبخر المكثفة، يتحرك بخار المعدن إلى أعلى، مُولّدًا ضغط ارتداديًا نحو الأسفل على حوض المعدن المنصهر، مما يُشكّل ثقبًا. يدخل الليزر هذا الثقب، ويخضع لعمليات انبعاث وامتصاص متعددة، مما يُؤدي إلى تدفق مستمر لبخار المعدن، مُحافظًا على الثقب. يؤثر الليزر بشكل رئيسي على الجدار الأمامي للثقب، ويحدث التبخر بشكل رئيسي على هذا الجدار. يدفع الضغط الارتدادي المعدن السائل من الجدار الأمامي للثقب ليتحرك حوله باتجاه ذيل حوض المعدن المنصهر. يصطدم السائل المتحرك بسرعة عالية حول الثقب بحوض المعدن المنصهر إلى أعلى، مُشكّلًا موجات مرتفعة. ثم، بفعل التوتر السطحي، يتحرك نحو الحافة ويتصلب في هذه الدورة. يحدث التناثر بشكل رئيسي عند حافة فتحة ثقب المفتاح، وسيتجاوز المعدن السائل الموجود على الجدار الأمامي ثقب المفتاح بسرعة عالية ويؤثر على موضع بركة المعدن المنصهر على الجدار الخلفي.