تخيل تحويل عمليات اللحام لديك بقوة الليزر. يقدم عالم اللحام بالليزر مجموعة متنوعة من الخيارات، بما في ذلك ليزر الألياف والصمام الثنائي الصمام الثنائي والقرص وليزر ثاني أكسيد الكربون، ولكل منها مزايا وتطبيقات فريدة. تستكشف هذه المقالة الاختلافات الرئيسية بين أنواع الليزر هذه، مما يساعدك على اتخاذ قرارات مستنيرة للحصول على الأداء الأمثل للحام. من توافق المواد إلى السرعة والدقة، اكتشف كيف يمكن أن يؤدي اختيار الليزر المناسب إلى إحداث ثورة في عمليات التصنيع لديك. تعمق في معرفة الليزر الذي يناسب احتياجاتك بشكل أفضل وكيفية تحقيق جودة لحام فائقة.
عند اختيار مصدر ضوء اللحام بالليزر، يجب مراعاة عوامل مختلفة مثل مادة اللحام وهندسة الوصلة والسرعة وغيرها.
في الصناعة التحويلية، يعد الاختيار الصحيح لمصدر الليزر تحديًا عمليًا يجب على المصنعين معالجته بسبب الاستخدام الواسع النطاق للحام بالليزر.
تشمل مصادر الليزر المتوفرة حاليًا في السوق الألياف الضوئية وNd: YAG النابض والصمام الثنائي والقرص وثاني أكسيد الكربون2 مصادر الليزر. (ملاحظة: تم استبدال مصدر الليزر CW Nd: YAG إلى حد كبير بمصادر الليزر الليفي البصري والليزر القرصي، وبالتالي لم تتم مناقشته في هذه الورقة).
يجب أن يراعي اختيار مصدر الليزر عدة عوامل، بما في ذلك مواد اللحاموهندسة الوصلة، وسرعة اللحام، والتفاوت الهندسي، ومتطلبات تكامل النظام، وبالطبع قيود الميزانية.
لكل مصدر ليزر خصائص فريدة يمكن أن تلبي متطلبات اللحام المختلفة. وفي بعض الحالات، يمكن أيضًا استبدالها في بعض الحالات.
ثاني أكسيد الكربون2 الليزر
ثاني أكسيد الكربون2 الليزر، الذي يعمل بطول موجي يبلغ 10.6 ميكرومتر مع مخرجات طاقة تتراوح من 1 إلى 20 كيلوواط، هو تقنية ليزر راسخة. ومنذ ثمانينيات القرن العشرين، كان مصدر الليزر المهيمن لتطبيقات معالجة المواد عالية الطاقة، خاصة في قطع ولحام المواد السميكة.
ليزر الألياف
ليزر الألياف عبارة عن أنظمة عالية الكفاءة ومضخمة بالصمام الثنائي تستخدم أليافًا ضوئية صغيرة القطر قائمة على السيليكا مخدرة بعناصر أرضية نادرة كوسيط كسب نشط. مصدر الليزر مدمج داخل الألياف نفسها، مما يلغي الحاجة إلى محاذاة بصرية معقدة ويعزز استقرار النظام بشكل عام.
وبفضل القطر الأساسي الصغير للألياف الضوئية المقترن ببصريات التركيز، يمكن لليزر الليفي تحقيق أحجام نقطية صغيرة تصل إلى 10 ميكرومتر، مما يتيح معالجة عالية الدقة. تتوافر هذه الليزرات المدمجة في تكوينين أساسيين: ليزر أحادي الوضع منخفض الطاقة (أقل من 300 واط) للحام والقطع الدقيق، وليزر متعدد الأوضاع عالي الطاقة لتطبيقات اللحام والقطع الصناعية.
ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي
أدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا ليزر الصمام الثنائي إلى ظهورها كمصادر لحام قابلة للتطبيق. وتشمل التطورات الرئيسية زيادة ناتج الطاقة لبواعث الصمام الثنائي الفردية، وتقنيات التبريد المحسنة للقنوات الدقيقة، والتقدم في البصريات الدقيقة لاقتران مخرجات الليزر بكفاءة في الألياف الضوئية بأقطار أقل من 1000 ميكرومتر. وقد أدت هذه التحسينات إلى تحسين جودة الشعاع وكثافة الطاقة بشكل كبير، مما يجعل ليزر الصمام الثنائي جذابًا بشكل متزايد لتطبيقات اللحام، خاصة في سيناريوهات اللحام المحدود التوصيل الحراري.
قرص ليزر
يستخدم ليزر القرص، المعروف أيضًا باسم ليزر القرص الرقيق، قرصًا مسطحًا ورفيعًا من بلورة Yb:YAG كوسيط كسب في تكوين ليزر CW. يعالج هذا التصميم بفعالية مشاكل الإدارة الحرارية المتأصلة في ليزر القضيب التقليدي. يتم تبريد الوسيط النشط، الذي يبلغ سمكه عادةً 0.25 مم (0.01 بوصة)، بواسطة بالوعة حرارية على سطحه الخلفي، مما يسمح بإزالة الحرارة بكفاءة.
تمكّن هذه البنية المبتكرة أجهزة الليزر القرصية من تحقيق طاقة إخراج تصل إلى 10 كيلوواط مع الحفاظ على جودة شعاع ممتازة (M² < 1.5). إن الجمع بين الطاقة العالية وجودة الشعاع الفائقة يجعل أشعة الليزر القرصية مناسبة بشكل خاص للحام العميق الاختراق وتطبيقات القطع عالية السرعة.
ليزر Nd:YAG النبضي
تستخدم ليزرات Nd:YAG النبضية ليزر Nd:YAG واحدًا من بلورة Nd:YAG كوسيط كسب، يتم تحفيزه بواسطة مصابيح وميض لتوليد نبضات ذات طاقة قصوى عالية مع متوسط طاقة منخفض نسبيًا. على سبيل المثال، يمكن لنظام بمتوسط قدرة 35 واط أن يولد طاقة قصوى تصل إلى 6 كيلو واط. ويسمح الجمع بين طاقة الذروة العالية وعرض النبضات الضيق (عادةً في نطاق المللي ثانية) بالتحكم الدقيق في مدخلات الطاقة وحجم المنطقة المتأثرة بالحرارة.
هذه الخاصية تجعل ليزر Nd:YAG النبضي مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب لحامات عالية الجودة في المواد الحساسة للحرارة أو المقاطع الرقيقة، كما هو الحال في تصنيع الأجهزة الطبية أو صناعة الإلكترونيات. توفر القدرة على معالجة معلمات النبض مرونة في تحسين جودة اللحام وتقليل التشوه الحراري.
يمكن تصنيف اختيار الليزر إلى ثلاث مجموعات على أساس الاختراق: أقل من 0.01 بوصة، وما بين 0.01 إلى 0.03 بوصة، وأكثر من 0.03 بوصة.
بشكل عام، يمكن استخدام مصادر ليزر متعددة لإكمال اللحام، ومع ذلك، ولأسباب تتعلق بالأداء والميزانية، يمكن اختيار مصدر أو مصدرين فقط من مصادر الضوء.
قد يتأثر القرار النهائي أيضًا بعوامل أخرى مختلفة، مثل جودة العينة، والاعتبارات الجغرافية، وخدمة ما بعد البيع، وتفضيلات شركات تكامل الأنظمة، والشعبية.
الليزر النبضي Nd: YAG هو الليزر الأكثر استخدامًا، يليه ليزر الألياف. من حيث تجميع المكونات، وشكل الوصلة، والمواد، والطلاء، فإن عملية اللحام يجب التحكم فيه بدقة، مما يجعل ليزر Nd: YAG النبضي هو الخيار الأفضل.
يمكن لليزر النبضي النبضي Nd: YAG، بفضل طاقته القصوى العالية، إنتاج شعاع لحام بحجم بقعة أكبر من 1000 ميكرون، مما يوفر مرونة كبيرة في اختيار حجم البقعة وتعظيم نافذة عملية اللحام مع ضمان التفاوتات اللازمة في بيئة الإنتاج.
ليزر الألياف هو الليزر الوحيد ذو الموجة المستمرة في هذه الفئة، ويمكنه إنتاج حجم بقعة بعد تركيز الحزمة بأقل من 25 ميكرون، مما يوفر كثافة الطاقة العالية المطلوبة للحام. ومع ذلك، وللحفاظ على القدرة التنافسية من حيث التكلفة في مجال التصنيع الدقيق، تقتصر طاقة ليزر الألياف عمومًا على 200 واط، مما يحد من الحد الأقصى لحجم البقعة وكثافة الطاقة.
عادةً لا يتجاوز حجم الوصلة الملحومة عادةً 75 ميكرون، وهو أحد أكبر قيود ليزر الألياف. في الإنتاج الفعلي، غالبًا ما يكون من الصعب ضمان نطاق خطأ ± 15 مم عند ضبط الوصلات أو المكونات وفقًا لمدى تحمل الملاءمة والتفاوت في التراكب.
يُستخدم ليزر الألياف بشكل رئيسي في لحام اللف للمواد الرقيقة ذات المتطلبات العالية ل وصلات اللحام لضمان الاستقرار. يستخدم ليزر الألياف عدسة ذات طول بؤري 150 مم يمكنها إنتاج بقع ضوئية بقطر أقل من 25 ميكرون، مما يوفر مساحة معالجة واسعة. مع اللحام باللف، يمكن لليزر الليفي إنتاج لحام بعمق اختراق يبلغ 0.01 بوصة أو أعلى بسرعة عالية، مع عمق اختراق يبلغ 0.004 بوصة يمكن الحصول عليه بواسطة ليزر ليفي أحادي الوضع بقوة 200 واط بسرعات تصل إلى 50 بوصة/ثانية.
من ناحية أخرى، يمكن لليزر Nd: YAG النبضي أن يلبي جميع التطبيقات تقريبًا باستثناء اللحام بالرقائق الرقيقة. ويسمح حجم البقعة الكبير وعرض النبضة ونطاق ذروة الطاقة بالتعديل والتحسين لتلبية متطلبات اللحام المختلفة.
لا يزال تصنيف تطبيق ليزر Nd: YAG النبضي وليزر الألياف قابل للتطبيق، ولكن النطاق محدود. ويستخدم ليزر Nd: YAG النبضي بشكل أساسي في اللحام النقطي، بينما يمكن استخدام ليزر الألياف الليزرية بقوة 500 واط تقريبًا وقطر بقعة 0.01 ميكرومتر في اللحام التناكبي و لحام الشرائح مع قدرة تحمل منخفضة. أداء تكلفة أداء ليزر Nd: YAG النبضي النبضي مرتفع نسبيًا.
تنتج أشعة الليزر بمستويات طاقة 500 وات و25 وات مستويات طاقة مختلفة اختراق اللحام بسرعات لحام متفاوتة. تضمن قوة الذروة أداء الاختراق، بينما يحدد متوسط الطاقة سرعة اللحام لحام التماس.
تعتبر ليزرات الصمام الثنائي ذات الطاقة التي تتراوح بين 500 واط و800 واط مناسبة لمكونات اللحام ذات التفاوتات الكبيرة، ولكن السرعة أبطأ بشكل عام من ليزر الألياف والأقراص. ومع ذلك، يمكن أن يعوض تحملها الكبير عن هذا العيب.
الكل أنواع الليزر مناسبة لهذا النطاق. يبلغ عمق اختراق ليزر Nd: YAG النبضي حوالي 0.05 بوصة (1.27 مم)، في حين أن أنواع الليزر الأخرى يمكن أن يصل إلى 0.25 بوصة (6.35 مم) وبعضها يتجاوز 0.5 بوصة (12.5 مم).
بصفة عامة، الأجزاء المناسبة لـ Nd: YAG النبضي: YAG اللحام بالليزر في هذا النطاق صغيرة نسبيًا، مثل مستشعرات الضغط مع لحام التماس.
تتطلب صناعة السيارات مجموعة واسعة من تطبيقات اللحاموالألياف الضوئية، وثاني أكسيد الكربون2والقرص وليزر الصمام الثنائي يمكن استخدامها جميعًا. من حيث السرعة والتغلغل، تغطي صناعة السيارات تقريبًا كل تطبيقات اللحام.
تتمثل الاختلافات الرئيسية بين مصادر الليزر في جودة الشعاع والسطوع والطول الموجي.
تشير جودة الحزمة إلى قدرة الليزر على التركيز، ويشير السطوع إلى كثافة الطاقة في الحزمة المركزة.
على سبيل المثال، ثاني أكسيد الكربون2 الليزر وليزر الألياف لهما جودة شعاع متشابهة، وبالتالي إذا كانت المعلمات الأخرى متساوية، فيمكنهما إنتاج بقع ضوئية بنفس القطر.
ومع ذلك، فإن الطول الموجي ل مصدر ليزر الألياف عُشر ما يساوي عُشر ثاني أكسيد الكربون2 مصدر الضوء، وهو ما يعني أن قطر البقعة التي يمكن أن ينتجها هو أيضًا عُشر قطر بقعة CO2 مصدر الضوء. يتميز مصدر ليزر الألياف أيضًا بجودة شعاع وسطوع أفضل.
في اللحام بالليزر، تؤثر جودة الشعاع والسطوع تأثيرًا مباشرًا على عمق الاختراق وسرعته، ولكن ليس لها تأثير مباشر على ثبات اللحام وتحمله.
وبالتالي، من المهم إيجاد توازن بين أداء اللحام وجودته، وعرض نافذة العملية. وتجدر الإشارة إلى أنه بينما يمكن تقليل جودة الحزمة لتلبية احتياجات محددة، لا يمكن تحسين جودة الحزمة الرديئة.
عند اختراق 0.25 بوصة، تتشابه سرعات اللحام لأجهزة الليزر المذكورة أعلاه تمامًا. الألياف الضوئية والأقراص الضوئية أسرع من CO2في حين أن الثنائيات أبطأ.
يتطلب اللحام بأجهزة الليزر عالية الطاقة عادةً نوبتي لحام، مما يجعل تكلفة شراء الليزر أحد الاعتبارات في عملية الاختيار. في حين أن ثاني أكسيد الكربون2 يُستخدم الليزر على نطاق واسع ومألوف لدى العديد من المستخدمين، إلا أن تكلفة اللحام الفردي أعلى بكثير من تكلفة ليزر الألياف والقرص وليزر الصمام الثنائي.
بالمقارنة مع اللحام بالبلازما واللحام بالقوس، يتميز اللحام بالليزر بمزايا أكثر في تطبيقات اللحام التي تتطلب اختراقات تزيد عن 0.25 بوصة، حيث يمكن أن يقلل بشكل كبير من التشوه الحراري. يساعد هذا التخفيض في الحفاظ على الشكل الهندسي للجزء، مما يلغي الحاجة إلى إعادة التشكيل. ومع ذلك، قد تتسبب مطابقة الأجزاء في حدوث مشكلات عند هذه السماكة. للتغلب على هذه المشكلة، يمكن استخدام تدفق عملية تعبئة الأسلاك أو مزيج من اللحام بالليزر واللحام بالبلازما واللحام بالقوس.
هناك أنواع مختلفة من مصادر الليزر المتاحة للحام بالليزر، ولكل منها ميزاته الفريدة وملاءمته لمتطلبات محددة.
من الضروري أن يفهم المستخدمون جيدًا مصدر الليزر الذي يمكن أن يلبي احتياجاتهم من اللحام على أفضل وجه.
للحصول على نظام لحام، فإن النهج الأمثل هو التعاون مع مورد النظام الذي يمكنه تحديد الليزر الأنسب لك.
يمكنك أيضًا التواصل مع العديد من مصنعي الليزر وتزويدهم بعينات لحام لتحديد الحل الأمثل.
عند اختيار الليزر، من المهم أن تضع في اعتبارك أن اللحام يجب أن يكون متوازنًا من حيث الاختراق والسرعة والثبات واستيعاب أجزاء الإنتاج والتفاوت.