تكنولوجيا الليزر

١. مبدأ اللحام بالليزر

يمكن إنجاز لحام الليزر باستخدام حزم ليزر مستمرة أو نبضية. ويُقسَّم مبدأ لحام الليزر إلى لحام توصيل الحرارة ولحام الليزر العميق الاختراق. وكثافة القدرة الأقل من ١٠ ⁴ ~10⁵ العرض/سم ² هي لحام توصيل الحرارة، وتتميز باختراق ضحل وسرعة لحام بطيئة. وعندما تكون كثافة القدرة أكبر من ١٠ ⁵ ~10⁷ العرض/سم ² ، يسخن سطح المعدن مُشكِّلاً "تجاويف" ويُكوِّن لحام اختراق عميق، الذي يتميَّز بسرعة لحام عالية ونسبة عمق إلى عرض كبيرة.

مبدأ لحام التوصيل الحراري بالليزر هو ما يلي: يسخِّن إشعاع الليزر السطح المراد معالجته، وتنتشر الحرارة من السطح إلى الداخل عبر التوصيل الحراري. وبضبط معايير الليزر مثل عرض النبضة، والطاقة، والقدرة القصوى، وتكرار تردد النبضات الليزرية، يذوب قطعة العمل مُشكِّلاً بركة صهر محددة.

تتضمن آلات لحام الليزر المستخدمة في لحام التروس ولحام الصفائح الرقيقة المعدنية بشكل رئيسي لحام الليزر باختراق عميق. وسيتم شرح مبدأ لحام الليزر باختراق عميق بالتفصيل أدناه.

لحام الاختراق العميق بالليزر يستخدم عادةً شعاع ليزر مستمرًا لربط المواد. وتشبه فيزياءه المعدنية إلى حدٍ كبير لحام حزمة الإلكترونات، حيث يتم تحقيق آلية تحويل الطاقة من خلال بنية تُعرف بـ"الثقب المفتاحي". وتحت تأثير إشعاع الليزر عالي الكثافة الكافية، تتبخر المادة وتكون ثقبًا مفتاحيًا. ويؤدي هذا الثقب المملوء بالبخار إلى التصرف كجسم أسود مثالي، فيمتص ما يقرب من كل طاقة الشعاع الساقط. ويتراوح درجة الحرارة المتوازنة داخل الثقب المفتاحي عند حوالي ٢٥٠٠ °ج. الحرارة تنتقل من الجدار الخارجي لهذا الثقب المفتاحي عالي الحرارة، مما يذوب المعدن المحيط به. يتم ملء فتحة المفتاح بخار عالي درجة الحرارة الناتج عن التبخر المستمر لمادة الجدار تحت إشعاع شعاع. تحيط جدران ثقب المفتاح بالمعدن المنصهر ، ويحيط المعدن السائل بالمادة الصلبة (في معظم عمليات اللحام التقليدية ولحام الموصلات بالليزر ، يتم إيداع الطاقة أولاً على سطح القطعة ثم نقلها إلى الداخل). تدفق السائل وتوتر السطح خارج جدران ثقب المفتاح يحافظ على توازن ديناميكي مع ضغط البخار الذي يتم إنشاؤه باستمرار داخل ثقب المفتاح. بينما يمر شعاع الليزر باستمرار إلى ثقب المفتاح، تستمر المادة خارج ثقب المفتاح في التدفق. بينما يتحرك شعاع الليزر، تبقى فتحة المفتاح في حالة تدفق مستقرة. بمعنى آخر، فإن ثقب الدبوس والمعدن المنصهر المحيط به يتحركان إلى الأمام بنفس سرعة شعاع الدليل. يملأ المعدن المذاب الفجوات التي تبقى بعد أن يبتعد ثقب الدبوس ثم يصلب، وبالتالي يشكل لحامًا. كل هذا يحدث بسرعة كبيرة بحيث يمكن أن تصل سرعة اللحام بسهولة إلى عدة أمتار في الدقيقة.

٢. المعايير الرئيسية لعملية اللحام بالليزر ذو الاختراق العميق

قوة الليزر

تتطلب عملية اللحام بالليزر تجاوز عتبة كثافة طاقة الليزر. وتحت هذه العتبة، يكون عمق الاختراق ضحلًا؛ أما عند بلوغها أو تجاوزها، فيزداد عمق الاختراق بشكل ملحوظ. ويتكوَّن البلازما فقط عندما تتجاوز كثافة قوة الليزر على القطعة المراد لحامها هذه العتبة (والتي تعتمد على خصائص المادة)، ما يُشير إلى بدء عملية اللحام العميق المستقرة. وإذا كانت قوة الليزر دون هذه العتبة، فإن الانصهار يحدث على السطح فقط للقطعة المراد لحامها، أي أن عملية اللحام تتم وفق نمط انتقال الحرارة المستقر. وعندما تكون كثافة قوة الليزر قريبة من الوضع الحرج لتكوين القناة (Keyhole)، فإن اللحام العميق واللحام بالحرارة يتناوبان، مما يؤدي إلى عملية لحام غير مستقرة مع تقلبات كبيرة في عمق الاختراق. وفي لحام الليزر العميق، تتحكم قوة الليزر في آنٍ واحدٍ بكلٍّ من عمق الاختراق وسرعة اللحام. ويرتبط عمق اختراق الوصلة اللحامية ارتباطًا مباشرًا بكثافة قوة شعاع الليزر، وهو دالة على قوة الشعاع الساقط وموضع بقعة تركيز الشعاع. وبشكل عام، ولشعاع ليزر ذي قطر معيَّن، يزداد عمق الاختراق مع زيادة قوة الشعاع.

نقطة تركيز الحزمة

حجم بقعة الحزمة يُعَدُّ أحد أهم المتغيرات في لحام الليزر، لأنه يحدد كثافة القدرة. ومع ذلك، فإن قياسه للليزرات عالية القدرة يشكِّل تحديًّا كبيرًا، على الرغم من وجود العديد من التقنيات غير المباشرة لقياسه.

يمكن حساب حجم بقعة الحزمة المحدودة بالحيود وفق نظرية الحيود البصرية. ومع ذلك، وبسبب التشوهات الموجودة في عدسة التركيز، يكون الحجم الفعلي للبقعة أكبر من القيمة المحسوبة. وأبسط طريقة عملية لقياسها هي طريقة التحليل المقطعي عند درجة حرارة ثابتة، والتي تتضمَّن حرق قطعة سميكة من الورق واختراق لوحة من البوليبروبيلين قبل قياس نقطة التركيز وقطر الثقب الناتج. وتتطلَّب هذه الطريقة إجراء قياس عملي لإتقان قيمة قدرة الليزر ومدة تلامس الحزمة.

قيمة امتصاص المادة

يعتمد امتصاص الضوء الليزري بواسطة مادة ما على عدة خصائصٍ هامة، مثل الامتصاصية والانعكاسية والتوصيل الحراري ودرجة حرارة الانصهار ودرجة حرارة التبخر، حيث تُعتبر الامتصاصية الخصيصة الأهم.

تشمل العوامل المؤثرة في امتصاصية المادة للحزمة الليزرية جانبين: أولاً، مقاومة المادة. وتُظهر قياسات الامتصاصية للأسطح المصقولة أن الامتصاصية تتناسب طردياً مع الجذر التربيعي لمقاومة المادة، والتي بدورها تتغير باختلاف درجة الحرارة. وثانياً، فإن حالة السطح (أو نعومته) للمادة تؤثر تأثيراً كبيراً في امتصاص الحزمة، وبالتالي تؤثر تأثيراً بالغاً في جودة اللحام.

طول موجة الخرج لليزر CO2 هو عادةً 10.6 μ م. المواد غير المعدنية مثل السيراميك والزجاج والمطاط والبلاستيك تمتلك معدلات امتصاص عالية عند درجة حرارة الغرفة، بينما تمتص المواد المعدنية الحزمة الليزرية بشكل ضعيف عند درجة حرارة الغرفة، ويبدأ امتصاصها في الازدياد الحاد فقط بعد أن تذوب المادة أو حتى تتبخر. وتُعتبر الطبقات السطحية الواقية أو أفلام الأكاسيد وسائل فعّالة لتحسين امتصاص المادة للحزمة الليزرية.

سرعة اللحام

تؤثر سرعة اللحام تأثيرًا كبيرًا على عمق الاختراق في اللحام. إذ يؤدي زيادة السرعة إلى تقليل عمق الاختراق، بينما تؤدي السرعات المنخفضة جدًّا إلى الإفراط في الانصهار وحدوث ثقوب ناتجة عن الاختراق الكامل. ولذلك، فلكل مادة مُعطاة وللقوة الليزرية والسماكة المحدَّدة المُستخدمة فيها نطاق مناسب لسرعات اللحام، يحقِّق داخله أقصى عمق اختراق ممكن. ويوضِّح الشكل ١٠-٢ العلاقة بين سرعة اللحام وعمق الاختراق لمعدن الفولاذ ١٠١٨.

غاز الحماية

تُستخدم الغازات الخاملة عادةً لحماية بركة اللحام المنصهرة أثناء اللحام بالليزر. وعلى الرغم من أن أكسدة السطح قد لا تشكل مصدر قلقٍ لبعض المواد، فإن الهيليوم والأرجون والنيتروجين تُستخدم عادةً في معظم التطبيقات لمنع أكسدة القطعة المراد لحامها أثناء العملية.

يتم تأين الهيليوم بشكل ضعيف (ولكنه يتمتع بطاقة تأين عالية)، ما يسمح لحزمة الليزر بالمرور عبره بسلاسة والوصول إلى سطح القطعة المراد لحامها دون عوائق. ويُعد هذا الغاز أكثر غازات الحماية فعاليةً في اللحام بالليزر، لكنه باهظ الثمن نسبيًا.

أما الأرجون فهو أرخص ثمنًا وأعلى كثافةً، مما يوفّر حماية جيدة. ومع ذلك، فإنه يتآين بسهولةٍ بواسطة بلازما المعدن ذات الحرارة العالية، ما يحجب جزءًا من الحزمة عن الوصول إلى القطعة المراد لحامها، ويقلل بذلك القدرة الفعالة لليزر ويؤثر سلبًا على سرعة اللحام وعمق الاختراق. وتتميز الوصلات المحمية بالأرجون بأن سطوحها أكثر نعومةً مقارنةً بتلك المحمية بالهيليوم.

النيتروجين هو غاز الحماية الأرخص ثمناً، لكنه غير مناسب للحزام أنواع معينة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويرجع ذلك أساساً إلى المشكلات المعدنية مثل الامتصاص، والتي قد تؤدي أحياناً إلى ظهور مسامية في منطقة الوصلة.

وتتمثل الوظيفة الثانية لغازات الحماية في حماية عدسة التركيز من تلوث بخار المعدن وتناثر القطرات المنصهرة. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة في لحام الليزر عالي القدرة، حيث تصبح المادة المقذوفة قوية جداً.

الوظيفة الثالثة لغازات الحماية هي فعاليتها في تبديد البلازما الناتجة عن لحام الليزر عالي القدرة. ويقوم بخار المعدن بامتصاص شعاع الليزر ويتأين ليشكّل سحابة بلازما. كما يتأين غاز الحماية المحيط ببخار المعدن أيضًا نتيجة التسخين. وإذا زادت كمية البلازما بشكلٍ كبير، فإن شعاع الليزر يستهلك جزئيًّا بواسطة البلازما. وتوجد البلازما كمصدر طاقة ثانوي على السطح العامل، ما يؤدي إلى انخفاض عمق الاختراق اللحامي واتساع حوض اللحام. ويزداد معدل إعادة اتحاد الإلكترونات بزيادة التصادمات بين الإلكترونات والأيونات والذرات المحايدة، مما يؤدي إلى خفض كثافة الإلكترونات في البلازما. وكلما كانت الذرات المحايدة أخفَّ وزنًا، زادت تردد التصادمات ومعدل إعادة الاتحاد؛ ومن ناحية أخرى، لا يمكن لغاز الحماية إلا أن يمتلك طاقة تأين عالية جدًّا لمنع ازدياد كثافة الإلكترونات الناتج عن تأين الغاز نفسه.

تتفاوت أبعاد سحابة البلازما تبعًا لغاز الحماية المستخدم، حيث تكون أصغر ما يمكن عند استخدام الهيليوم، ثم النيتروجين، بينما تكون أكبر ما يمكن عند استخدام الأرجون. وينتج عن سحابة بلازما أكبر اختراق أدنى في اللحام. ويُعزى هذا الفرق أساسًا إلى درجات التأين المختلفة لجزيئات الغاز، وكذلك إلى الاختلافات في انتشار بخار المعدن الناجمة عن كثافات غازات الحماية المختلفة.

يتميَّز الهيليوم بأدنى درجة تأين وكثافة، ما يسمح له بإزاحة بخار المعدن الصاعد من حوض المعدن المنصهر بسرعة. ولذلك، فإن استخدام الهيليوم كغاز حماية يكبح البلازما إلى أقصى حدٍ ممكن، مما يزيد من عمق اختراق اللحام وسرعة عملية اللحام؛ كما أن خفَّة وزنه تتيح له الخروج بسهولة، مما يقلل من احتمال ظهور المسام. ومع ذلك، وباستنادٍ إلى نتائج اللحام الفعلية التي حققناها، ثبت أن استخدام الأرجون كغاز حماية فعَّالٌ جدًّا.

يكون تأثير سحابة البلازما على اختراق اللحام أكثر وضوحًا عند سرعات لحام منخفضة. ويقل تأثيرها تدريجيًّا مع زيادة سرعة اللحام.

يُطرَد غاز الحماية بضغطٍ معيَّن عبر فوهة ليصل إلى سطح القطعة المراد لحامها. وتكتسب الشكل الهيدروديناميكي للفوهة وقطر المخرج أهميةً بالغة. ويجب أن يكون غاز الحماية كافيًا لتغطية سطح اللحام، لكنَّ حجم الفوهة يجب أن يقتصر ضمن حدودٍ معينةٍ لحماية العدسة بكفاءة ومنع تلوثها ببخار المعدن أو تضرُّرها بتناثر القطرات المعدنية. كما يجب التحكم في معدل التدفق؛ وإلا فإن التدفق الطبقي لغاز الحماية سيتحول إلى تدفق مضطرب، مما يؤدي إلى دخول هواء الجو إلى حوض الصهر وتكوين المسام في النهاية.

لتحسين تأثير الحماية، يمكن استخدام طريقة إضافية للنفخ الجانبي، حيث يُحقَن غاز الحماية مباشرةً في الفتحة الإبرية (البِئرية) الخاصة باللحام العميق الاختراق عبر فوهة ذات قطر أصغر وبزاوية معينة. ويؤدي غاز الحماية ليس فقط إلى كبح سحابة البلازما على سطح القطعة المراد لحامها، بل يؤثر أيضًا على البلازما داخل الفتحة الإبرية وتكوين هذه الفتحة نفسها، ما يؤدي إلى زيادة عمق الاختراق بشكل أكبر وتحقيق لحامٍ ذي نسبة عمق إلى عرض مثالية. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة تحكُّمًا دقيقًا في معدل تدفق الغاز واتجاهه؛ وإلا فإن اضطراب التدفق (التوربولانس) قد يحدث بسهولة، مما يُلحق الضرر بالحوض المنصهر ويجعل عملية اللحام غير مستقرة.

بعد بؤري للعدسة

أثناء اللحام، يُركَّز شعاع الليزر عادةً باستخدام عدسات ذات أطوال بؤرية تتراوح بين ٦٣ و٢٥٤ مم (٢٫٥ ”~10”يتناسب حجم البقعة المُركَّزة تناسباً طردياً مع الطول البؤري؛ فكلما قل الطول البؤري، صغُرت البقعة. ومع ذلك، يؤثر الطول البؤري أيضاً على عمق التركيز، أي أن عمق التركيز يزداد تناسباً مع زيادة الطول البؤري. ولذلك، يمكن للطول البؤري الأقصر أن يزيد من كثافة القدرة، لكن بسبب ضحالة عمق التركيز، يجب الحفاظ بدقة على المسافة بين العدسة وقطعة العمل، كما أن عمق الاختراق يكون محدوداً أيضاً. وبسبب تأثير الرشّ والنمط الليزري الناتجَين أثناء اللحام، فإن أقصر طول بؤري تُستخدمه عمليات اللحام فعلياً هو غالباً 126 مم (5 ”عندما يكون الوصل كبيراً أو عندما يلزم زيادة حجم اللحام عن طريق توسيع حجم البقعة، فيمكن اختيار عدسة ذات طول بؤري قدره 254 مم (10 ”) في هذه الحالة، ولتحقيق تأثير المفتاح العميق (Keyhole) ذي الاختراق العميق، يتطلب الأمر قدرة خرج ليزرية أعلى (أي كثافة قدرة أعلى).

عندما تتجاوز قوة الليزر 2 كيلوواط، وبخاصةً عند 10.6 μ أشعة الليزر CO2 ذات الطول الموجي 10.6 ميكرومتر، نظراً لاستخدام مواد بصرية خاصة في النظام البصري، يُستخدم عادةً التركيز بالانعكاس لتفادي التلف البصري لعدسة التركيز. وتُستخدم مرايا النحاس المصقّلة عادةً كعاكسات. وبسبب خصائصها الفعّالة في التبريد، فإنها تُوصى عادةً لتركيز أشعة الليزر عالية القدرة.

موقع البؤرة

أثناء اللحام، يكتسب موقع النقطة البؤرية أهمية قصوى للحفاظ على كثافة القدرة الكافية. وتؤثر التغيرات في الموقع النسبي للنقطة البؤرية بالنسبة لسطح القطعة المراد لحامها تأثيراً مباشراً على عرض وعمق الوصلة الملحومة. ويوضح الشكل 2-6 تأثير موقع النقطة البؤرية على عمق الاختراق وعرض اللحام في فولاذ 1018.

في معظم تطبيقات لحام الليزر، يوضع موقع النقطة البؤرية عادةً على بعد ربع سماكة تقريباً تحت سطح القطعة المراد لحامها لتحقيق عمق الاختراق المطلوب.

موضع شعاع الليزر

عند لحام مواد مختلفة باستخدام الليزر، فإن تحديد موضع شعاع الليزر يتحكم في جودة اللحام النهائية، خاصةً في الوصلات الطرفية (Butt Joints)، حيث تكون أكثر حساسيةً مقارنةً بالوصلات التداخلية (Lap Joints). فعلى سبيل المثال، عند لحام ترس من الفولاذ المُصلب بأسطوانة من الفولاذ منخفض الكربون، يؤدي التحكم الدقيق في موضع شعاع الليزر إلى الحصول على لحام يتكون أساسًا من مكونات الفولاذ منخفض الكربون، ما يمنحه مقاومة أفضل للتشقق. وفي بعض التطبيقات، تتطلب هندسة القطعة المراد لحامها أن ينحرف شعاع الليزر بزاوية معينة. وعندما تكون زاوية الانحراف بين محور الشعاع ومستوى الوصلة ضمن ١٠٠ درجة، فلا يتأثر امتصاص القطعة للطاقة الليزرية.

التحكم في زيادة ونقصان قوة الليزر عند نقاط البدء والانتهاء للحام

أثناء اللحام العميق بالليزر، وبغض النظر عن عمق اللحام، فإن ظاهرة الفتحة المُثقبة (البِئْر) تكون موجودة دائمًا. وعند إيقاف عملية اللحام وإطفاء مفتاح الطاقة، تظهر حفرة في نهاية خط اللحام. بالإضافة إلى ذلك، عندما يغطي طبقة اللحام الليزريّة منطقة اللحام الأصلية، فقد يحدث امتصاص زائد لحزمة الليزر، ما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط أو إلى تكوّن المسام في قطعة اللحام.

ولمنع هذه الظواهر، يمكن برمجة نقاط بدء وانتهاء الطاقة بحيث تصبح أوقات تشغيلها وإيقافها قابلة للضبط. أي أن الطاقة الابتدائية تزداد إلكترونيًّا تدريجيًّا من الصفر إلى القيمة المُحددة للطاقة خلال فترة زمنية قصيرة، وتُضبط كذلك مدة اللحام. وأخيرًا، عند انتهاء عملية اللحام، تُخفض الطاقة تدريجيًّا من القيمة المُحددة حتى تصل إلى الصفر.

٣. الخصائص والمزايا والعيوب في اللحام العميق بالليزر

خصائص اللحام العميق بالليزر

١) نسبة ارتفاع إلى عرض عالية. ١) **لحم رقيق وعميق:** نظراً لتشكل المعدن المنصهر حول تجويف البخار عالي الحرارة الأسطواني ويمدّه نحو قطعة العمل، يصبح اللحم عميقاً ورفيعاً.

٢) **أقل كمية ممكنة من الطاقة الحرارية المُدخلة:** وبسبب ارتفاع درجة الحرارة داخل الفتحة بشكل كبير، تحدث عملية الانصهار بسرعة فائقة، مما يؤدي إلى إدخال كمية حرارية منخفضة جداً إلى قطعة العمل، وبالتالي تقليل التشوه الناتج عن الحرارة والمنطقة المتأثرة حرارياً.

٣) **كثافة عالية:** إن ملء الفتحة بالبخار عالي الحرارة يُسهّل تقليب حوض اللحام وخروج الغازات، ما يؤدي إلى لحم خالٍ تماماً من المسام ومُخترقٍ بالكامل. كما أن معدل التبريد العالي بعد عملية اللحام يحسّن أكثر من البنية المجهرية للّحام.

٤) **لحم قوي:** تؤدي مصدر الحرارة الشديد والامتصاص الكامل للمكونات غير المعدنية إلى خفض محتوى الشوائب وتغيير حجم وتوزيع الشوائب في بركة اللحام. ولا يتطلب عملية اللحام استخدام أقطاب كهربائية أو أسلاك حشو، ما يؤدي إلى تقليل التلوث في المنطقة المنصهرة، مما يجعل مقاومة ومتانة اللحام على الأقل مساوية لمقاومة ومتانة المعدن الأساسي، بل وقد تفوقها في بعض الحالات.

٥) **تحكم دقيق:** وبما أن النقطة المركزة صغيرة جدًّا، يمكن تحديد موقع اللحام بدقة عالية. ولناتج الليزر «عدم وجود قصور ذاتي»، ما يسمح بإيقافه وإعادة تشغيله بسرعة فائقة. كما تتيح تقنية حركة شعاع الليزر الخاضعة لنظام التحكم العددي الحاسوبي (CNC) لحام القطع المعقدة هندسيًّا. ٦) عملية لحام جويّة بدون تلامس. وبما أن الطاقة تأتي من شعاع فوتوني، فلا يحدث أي تماسٍ مادي مع القطعة المراد لحامها، وبالتالي لا تُطبَّق أي قوة خارجية عليها. علاوةً على ذلك، لا تؤثر المجالات المغناطيسية أو الهواء على شعاع الليزر.

المزايا المترتبة على لحام الاختراق العميق بالليزر

١) نظرًا لكثافة القدرة الأعلى بكثير للليزر المركّز مقارنةً بالطرق التقليدية، فإن سرعة اللحام عالية، ومنطقة التأثير الحراري والتشوه تكون صغيرة، كما يمكن استخدامه للحام مواد يصعب لحامها مثل التيتانيوم.

٢) وبما أن الشعاع سهل النقل والتحكم فيه، ولا حاجة لتغيير مشاعل اللحام والفوهة بشكل متكرر، ولا يتطلب إخلاء الهواء كما في لحام الحزمة الإلكترونية، فإن وقت التوقف ينخفض بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع معامل التحميل وكفاءة الإنتاج.

٣) وبسبب تأثير التنقية ومعدل التبريد العالي، فإن الوصلة الملحومة تمتلك مقاومة شديدة ومتانة عالية وأداءً عامًّا ممتازًا.

٤) وبسبب انخفاض متوسط إدخال الحرارة، تكون دقة المعالجة عالية، ما يقلل من تكاليف إعادة المعالجة؛ علاوةً على ذلك، فإن تكاليف تشغيل لحام الليزر أقل أيضًا، وبالتالي تنخفض تكاليف معالجة القطعة.

٥) ويمكن التحكم بفعالية في شدة الشعاع والموضع الدقيق له، ما يجعل التشغيل الآلي سهلًا.

سلبيات لحام الليزر العميق الاختراق

١) عمق اللحام محدود.

٢) متطلبات عالية لتجميع قطع العمل.

٣) استثمار أولي مرتفع في أنظمة الليزر.