تكنولوجيا الليزر

هل واجهت عيوب لحام مثل الانفجارات المفرطة، وشكل اللحام غير الجذاب، والمسام العديدة بعد عملية اللحام؟ بينما قد تتساءل إن كانت هذه العيوب ناتجة عن إعدادات غير صحيحة لمعلمات عملية اللحام بالليزر، هل تدرك أن الاستخدام الصحيح لغاز الحماية يُعَدّ أيضًا عاملاً حاسماً يؤثر في شكل اللحام وأدائه؟ واختيار غاز الحماية الأمثل هو في الواقع وسيلة لتحسين جودة وكفاءة عملية اللحام.

وبما أن غاز الحماية مهمٌّ إلى هذا الحد، فما هي وظيفته بالضبط؟ وكيف تختار نوع غاز الحماية المناسب؟ وكيف يتم توجيه غاز الحماية أثناء عملية اللحام؟

دور غاز الحماية

في لحام الليزر، تؤثر غاز الحماية على تشكُّل اللحام وجودته وعمق اختراقه وعرضه. وفي معظم الحالات، يكون لإدخال غاز الحماية تأثير إيجابي على اللحام، لكنه قد يُسبِّب أيضًا آثارًا سلبية.

الآثار الإيجابية

١) يؤدي إدخال غاز الحماية بشكلٍ مناسب إلى حماية فعَّالة لحوض اللحام، مما يقلِّل أو حتى يمنع الأكسدة.

٢) يؤدي إدخال غاز الحماية بشكلٍ مناسب إلى تقليل الانفراجات (الشرر) أثناء اللحام بشكلٍ فعَّال.

٣) يؤدي إدخال غاز الحماية بشكلٍ مناسب إلى تعزيز انتشار متجانس لحوض اللحام أثناء التصلُّب، ما ينتج عنه لحام متجانس وجذَّاب من الناحية الجمالية.

٤) يؤدي إدخال غاز الحماية بشكلٍ مناسب إلى تقليل التأثير الحاجز الذي تحدثه أعمدة بخار المعدن أو سحب البلازما على شعاع الليزر، ما يزيد من معدل الاستفادة الفعَّال من الليزر.

٥) يؤدي إدخال غاز الحماية بشكلٍ مناسب إلى تقليل مسامية اللحام بشكلٍ فعَّال.

وبمجرد اختيار نوع الغاز ومعدل تدفقه وأسلوب إدخاله بشكلٍ صحيح، يمكن تحقيق نتائج مثالية.

ومع ذلك، فإن الاستخدام غير السليم لغاز الحماية يمكن أن يؤثر سلبًا أيضًا على عملية اللحام.

١) قد يؤدي تطبيق غاز الحماية بشكل غير صحيح إلى تدهور جودة اللحام:

① قد يؤدي اختيار نوع الغاز الخطأ إلى ظهور شقوق في اللحام وتقليل الخصائص الميكانيكية للملحوم؛

② وقد يؤدي اختيار معدل تدفق الغاز غير المناسب إلى تفاقم أكسدة اللحام (سواء كان معدل التدفق مرتفعًا جدًّا أو منخفضًا جدًّا)، وقد يتسبب أيضًا في اضطراب شديد في بركة اللحام، مما يؤدي إلى انهيار اللحام أو تشكُّله غير المنتظم؛

③ أما اختيار طريقة تطبيق الغاز غير المناسبة فقد يؤدي إلى عدم فعالية غاز الحماية أو حتى انعدامها تمامًا، أو قد يؤثر سلبًا على تشكُّل اللحام؛

٢) يمكن أن يؤثر تطبيق غاز الحماية على عمق اختراق اللحام، وبخاصة في لحام الصفائح الرقيقة، حيث يقلل من عمق الاختراق.

أنواع غازات الحماية

تشمل غازات الحماية الشائعة المستخدمة في لحام الليزر النيتروجين (N₂) والأرجون (Ar) والهيليوم (He). وتختلف خصائصها الفيزيائية والكيميائية، وبالتالي تتفاوت تأثيراتها على اللحام.

النيتروجين (N2)

أرخص غاز، لكنه غير مناسب للحماية أثناء لحام أنواع معينة من الفولاذ المقاوم للصدأ. ولنيتروجين (N2) طاقة تأين متوسطة، أعلى من الأرجون (Ar) ولكن أقل من الهيليوم (He). وتحت إشعاع الليزر، تكون درجة تأينه عمومًا منخفضة، ما يقلل فعّالياً من تشكُّل سحابة البلازما، وبالتالي يرفع معدل الاستفادة الفعّالة من شعاع الليزر. ومع ذلك، يمكن أن يتفاعل النيتروجين تفاعلاً كيميائيًّا مع سبائك الألومنيوم والفولاذ الكربوني عند درجات حرارة معينة، مُكوِّنًا نيتريدات. وهذا يؤدي إلى زيادة هشاشة اللحام وتقليل مرونته، ما يؤثِّر سلبًا وبشكل كبير على الخصائص الميكانيكية لمفصل اللحام. ولذلك، لا يُوصى باستخدام النيتروجين كغاز حماية عند لحام سبائك الألومنيوم والفولاذ الكربوني.

من ناحية أخرى، فإن النيتريدات الناتجة عن التفاعل الكيميائي بين النيتروجين والفولاذ المقاوم للصدأ قد تزيد من قوة مفصل اللحام، مما يحسّن خصائصه الميكانيكية. ولذلك، يمكن استخدام النيتروجين كغاز حماية عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ.

الأرجون (Ar)

يُعتبر غاليًا نسبيًّا، ويتمتَّع بكثافة عالية، ويوفر حماية جيدة. كما أن سطح اللحام يكون أكثر نعومةً مقارنةً بالهيليوم. ومع ذلك، يتأيَّن بسهولةٍ بواسطة بلازما المعدن عالي الحرارة، ما قد يحجب جزءًا من شعاع الليزر عن الوصول إلى قطعة العمل، مما يقلِّل من قوة اللحام الفعَّالة ويعرقل سرعة اللحام وعمق الاختراق. وللغاز الأرجون (Ar) أقل طاقة تأيُّن، لكن درجة تأيُّنه تكون مرتفعة نسبيًّا تحت إضاءة الليزر، الأمر الذي لا يساعد في التحكم في تشكُّل سحب البلازما، ويؤثِّر تأثيرًا معينًا على معدل الاستفادة الفعَّالة من الليزر. ومع ذلك، فإن الأرجون يتمتَّع بتفاعلية منخفضة جدًّا، ويصعب أن يتفاعل كيميائيًّا مع المعادن الشائعة. علاوةً على ذلك، فإن الأرجون رخيص الثمن. وبإضافةٍ إلى ذلك، فإن كثافته العالية تُسهِّل استقراره فوق بركة اللحام، ما يوفِّر حماية أفضل لبركة اللحام. ولذلك، يمكن استخدامه كغاز واقٍ تقليدي.

الهيليوم (He)

إنها أكثر تكلفة، لكنها توفر أفضل تأثير، حيث تسمح للليزر بالمرور مباشرةً دون عوائق إلى سطح القطعة المراد معالجتها. ولديه أعلى طاقة تأين، لكن درجة تأينه منخفضة جدًّا تحت إضاءة الليزر، مما يتيح التحكم الفعّال في تشكُّل سحب البلازما. ويمكن لشعاع الليزر أن يؤثِّر بكفاءة على المعادن، كما أن الهيليوم (He) يتمتّع بتفاعلية منخفضة جدًّا، ولا يتفاعل كيميائيًّا عمليًّا مع المعادن. وهو غاز واقٍ ممتاز للوصلات اللحامية. ومع ذلك، فإن الهيليوم باهظ الثمن جدًّا، ولذلك لا يُستخدم عمومًا في الإنتاج الضخم. ويُستخدَم الهيليوم عادةً في الأبحاث العلمية أو في تصنيع المنتجات ذات القيمة المضافة العالية.

طرق حقن الغاز الواقي

يوجد حاليًّا طريقتان رئيسيتان لإدخال الغازات الواقية: الأولى هي النفخ الجانبي غير المحوري للغاز الواقي... والغاز الواقي المنفوخ جانبيًّا بشكل متوازٍ

والنوع الآخر هو الغاز الواقي المحوري.

الغاز الواقي المحوري

ويتوقف الاختيار بين الطريقتين للنفخ على مجموعة من العوامل، لكن يُوصى عمومًا باستخدام طريقة النفخ الجانبي للغاز الواقي.

المبادئ الخاصة باختيار طرق نفخ غاز الحماية

أولاً، من المهم توضيح أن مصطلح "تأكسد اللحام" هو تعبير عامي. ومن الناحية النظرية، يشير إلى تفاعل كيميائي بين منطقة اللحام والمكونات الضارة الموجودة في الهواء، مما يؤدي إلى تدهور جودة اللحام. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تفاعل معدن اللحام مع الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين الموجودين في الهواء عند درجات حرارة معينة.

ويتمثل منع تأكسد اللحام في تقليل أو تجنب التلامس بين هذه المكونات الضارة ومعدن اللحام عند درجات الحرارة المرتفعة. وتشمل درجة الحرارة المرتفعة ليس فقط معدن حوض الانصهار، بل كذلك الفترة الكاملة التي تمتد من لحظة انصهار معدن اللحام حتى تصلبه وانخفاض درجة حرارته دون مستوى معين.

فعلى سبيل المثال، في لحام سبائك التيتانيوم، يمتص الهيدروجين بسرعة عند درجات حرارة تزيد عن ٣٠٠ °مئوية، والأكسجين عند درجات حرارة تزيد عن ٤٥٠ °مئوية، والنيتروجين عند درجات حرارة تزيد عن ٦٠٠ °ج. ولذلك تتطلب لحامات سبائك التيتانيوم حماية فعالة بعد التصلّب وأثناء الفترة التي تنخفض فيها درجة الحرارة إلى ما دون ٣٠٠ °مئوية؛ وإلا فإنها ستتعرض للتأكسد.

وكما يوضح الوصف أعلاه، فإن غاز الحماية المنفوخ لا يحتاج فقط إلى حماية بركة اللحام في الوقت المناسب، بل ويجب أن يحمي أيضًا المنطقة التي تمتلك تصلّبت حديثًا. ولذلك، فإن طريقة نفخ غاز الحماية الجانبي غير المحوري الموضحة في الشكل ١ تُستخدم عمومًا لأنها توفر نطاق حماية أوسع مقارنةً بطريقة الحماية المحورية الموضحة في الشكل ٢، وبخاصةً أنها تقدّم حماية أفضل للمنطقة الملحومة التي تمتلك تصلّبت حديثًا.

أما في التطبيقات الهندسية، فإن طريقة نفخ غاز الحماية الجانبي غير المحوري ليست مناسبة لجميع المنتجات. فبالنسبة لبعض المنتجات المحددة، يمكن استخدام غاز الحماية المحوري فقط. ويجب أن يكون الاختيار مُعدًّا خصيصًا وفقًا لهيكل المنتج ونوع المفصل.

اختيار طريقة نفخ غاز الحماية المحددة

١) اللحامات المستقيمة

كما هو موضح في الشكل ٣، شكل اللحام للمنتج مستقيم. ويمكن أن يكون نوع الوصلة وصلة طرفية (Butt Joint)، أو وصلة تداخلية (Lap Joint)، أو وصلة زاوية (Corner Joint)، أو لحامًا متداخلًا (Overlapping Weld). ولنوع هذا المنتج، يُفضَّل استخدام طريقة إدخال غاز الحماية الجانبيّة المائلة عن المحور الموضَّحة في يُفضَّل استخدامها.

٢) لحامات مستوية ذات أشكال مغلقة

شكل اللحام للمنتج هو شكل مغلق مثل دائرة مستوية، أو مضلع مستوي، أو خط مستوي متعدد الأجزاء. ويمكن أن يكون نوع الوصلة وصلة طرفية (Butt Joint)، أو وصلة تداخلية (Lap Joint)، أو وصلة لحام متداخلة (Overlap Weld Joint). ولنوع هذا المنتج، يُفضَّل استخدام غاز الحماية المحوريّ.

لحام مستوي ذي شكل مغلق

يؤثر اختيار غاز الحماية مباشرةً على جودة وكفاءة وتكلفة إنتاج اللحام. ومع ذلك، وبسبب تنوع مواد اللحام، فإن اختيار غاز اللحام في عمليات اللحام الفعلية معقَّدٌ للغاية. ويجب أخذ عوامل متعددة في الاعتبار بشكل شامل، مثل مادة اللحام وطريقة اللحام وموضع اللحام والنتيجة المطلوبة من عملية اللحام. ولا يمكن تحديد غاز لحام أكثر ملاءمةً لتحقيق نتائج لحام أفضل إلا من خلال إجراء اختبارات لحام.