يمكن تحقيق اللحام بالليزر باستخدام مولد ليزر مستمر أو نبضي. وينقسم مبدأ اللحام بالليزر إلى نوعين: اللحام بالتوصيل الحراري واللحام بالانصهار العميق. يُعتبر اللحام بالتوصيل الحراري عند كثافة طاقة أقل من 10⁴ إلى 10⁵ واط/سم²، وفي هذه الحالة يكون عمق الانصهار وسرعة اللحام بطيئين. أما عند كثافة طاقة أكبر من 10⁵ إلى 10⁷ واط/سم²، فيُصبح سطح المعدن مُقعّرًا على شكل "ثقوب مفتاحية" بفعل الحرارة، مُشكّلاً بذلك اللحام بالانصهار العميق، والذي يتميز بسرعة اللحام العالية ونسبة العمق إلى العرض الكبيرة.
سنتناول اليوم بشكل أساسي معرفة العوامل الرئيسية التي تؤثر على جودة لحام الانصهار العميق بالليزر
1. قوة الليزر
في لحام الاندماج العميق بالليزر، تتحكم قدرة الليزر في كلٍ من عمق الاختراق وسرعة اللحام. يرتبط عمق اللحام ارتباطًا مباشرًا بكثافة قدرة الشعاع، وهو دالة لقدرة الشعاع الساقط ونقطة تركيزه. وبشكل عام، بالنسبة لشعاع ليزر ذي قطر معين، يزداد عمق الاختراق مع زيادة قدرة الشعاع.
2. نقطة التركيز
يُعدّ حجم بقعة الشعاع أحد أهم المتغيرات في لحام الليزر لأنه يحدد كثافة الطاقة. إلا أن قياسه يُمثّل تحديًا في حالة الليزر عالي الطاقة، على الرغم من وجود العديد من تقنيات القياس غير المباشرة المتاحة.
يمكن حساب حجم بقعة حد الانعراج لبؤرة الشعاع وفقًا لنظرية الانعراج، إلا أن حجم البقعة الفعلي يكون أكبر من القيمة المحسوبة نظرًا لضعف انعكاس البؤرة. أبسط طرق القياس هي طريقة قياس توزيع درجة الحرارة المتساوية، والتي تقيس قطر بقعة البؤرة والثقب بعد حرق ورقة سميكة واختراقها للوحة البولي بروبيلين. تُمكّن هذه الطريقة، من خلال الممارسة العملية، من ضبط قدرة الليزر ومدة عمل الشعاع.
3. الغاز الواقي
تستخدم عملية اللحام بالليزر عادةً غازات واقية (مثل الهيليوم والأرجون والنيتروجين) لحماية حوض المعدن المنصهر، مما يمنع تأكسد قطعة العمل أثناء عملية اللحام. والسبب الثاني لاستخدام الغاز الواقي هو حماية عدسة التركيز من التلوث بأبخرة المعدن وتناثر قطرات السائل. خاصةً في لحام الليزر عالي الطاقة، تصبح المقذوفات قوية جدًا، لذا من الضروري حماية العدسة. أما التأثير الثالث للغاز الواقي فهو فعاليته العالية في تشتيت درع البلازما الناتج عن لحام الليزر عالي الطاقة. تمتص أبخرة المعدن شعاع الليزر وتتأين لتشكل سحابة بلازما. كما يتأين الغاز الواقي المحيط بأبخرة المعدن بفعل الحرارة. في حال وجود كمية كبيرة من البلازما، فإنها تستهلك جزءًا من شعاع الليزر. وباعتبارها مصدرًا ثانيًا للطاقة، تتواجد البلازما على سطح العمل، مما يقلل من عمق اللحام ويوسع مساحة حوض اللحام.
كيفية اختيار غاز الحماية المناسب؟
4. معدل الامتصاص
يعتمد امتصاص الليزر للمادة على بعض الخصائص المهمة لها، مثل معدل الامتصاص، والانعكاسية، والتوصيل الحراري، ودرجة الانصهار، ودرجة التبخر. ومن بين جميع هذه العوامل، يُعد معدل الامتصاص العامل الأهم.
يؤثر عاملان على معدل امتصاص المادة لشعاع الليزر. أولهما معامل مقاومة المادة، حيث وُجد أن معدل امتصاص المادة يتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي لمعامل المقاومة، ويتغير معامل المقاومة بتغير درجة الحرارة. ثانيًا، تؤثر حالة سطح المادة (أو تشطيبها) تأثيرًا كبيرًا على معدل امتصاص الشعاع، مما يؤثر بدوره تأثيرًا ملحوظًا على فعالية اللحام.
5. سرعة اللحام
تؤثر سرعة اللحام بشكل كبير على عمق الاختراق. فزيادة السرعة تقلل من عمق الاختراق، بينما تؤدي السرعة المنخفضة جدًا إلى انصهار مفرط للمادة ولحام قطعة العمل بالكامل. لذا، يوجد نطاق سرعة لحام مناسب لكل مادة ذات قدرة ليزر وسماكة محددة، ويمكن الحصول على أقصى عمق اختراق عند قيمة السرعة المناسبة.
6. البعد البؤري لعدسة التركيز
تُركّب عدسة تركيز عادةً في رأس مسدس اللحام، ويُختار عادةً بُعد بؤري يتراوح بين 63 و254 مم (قطر من 2.5 إلى 10 بوصات). يتناسب حجم بقعة التركيز طرديًا مع البُعد البؤري، فكلما قصر البُعد البؤري، صغرت البقعة. مع ذلك، يؤثر البُعد البؤري أيضًا على عمق التركيز، أي أن عمق التركيز يزداد بالتزامن مع البُعد البؤري، لذا يُمكن للبُعد البؤري القصير تحسين كثافة الطاقة، ولكن نظرًا لصغر عمق التركيز، يجب الحفاظ بدقة على المسافة بين العدسة وقطعة العمل، ويكون عمق الاختراق محدودًا. نظرًا لتأثير التناثر ونمط الليزر أثناء اللحام، فإن أقصر عمق بؤري يُستخدم في اللحام الفعلي غالبًا هو 126 مم (قطر 5 بوصات). يُمكن اختيار عدسة ببعد بؤري 254 مم (قطر 10 بوصات) عندما يكون اللحام كبيرًا أو عند الحاجة إلى زيادة حجم بقعة اللحام. في هذه الحالة، يلزم طاقة خرج ليزر أعلى (كثافة طاقة أعلى) لتحقيق تأثير ثقب الاختراق العميق.
المزيد من الأسئلة حول سعر ومواصفات ماكينة اللحام بالليزر المحمولة
تاريخ النشر: 27 سبتمبر 2022