تحليل تقنية اللحام بالليزر: العملية والتقنيات

ماذا لو كان بإمكانك لحام المعادن بدقة متناهية وأقل قدر من التشويه؟ تقدم تقنية اللحام بالليزر ذلك بالضبط، مما يغير الطريقة التي تربط بها الصناعات المواد. تستكشف هذه المقالة معلمات العملية وتقنياتها وفوائد اللحام بالليزر. سوف تكتشف كيف تؤثر كثافة الطاقة وعرض النبضات ومقدار عدم التركيز على جودة اللحام، ولماذا تُغير هذه التقنية قواعد اللعبة من حيث الدقة والكفاءة في تشغيل المعادن. تعمّق لتتعلم كيف يُحدث اللحام بالليزر ثورة في التصنيع وما يعنيه لمستقبل الهندسة.

جدول المحتويات

1. معلمات عملية اللحام بالليزر

معلمات عملية اللحام بالليزر

1.1 كثافة الطاقة

كثافة الطاقة هي معلمة حاسمة في المعالجة بالليزر. يمكن أن تؤدي كثافة الطاقة العالية إلى تسخين الطبقة السطحية بسرعة إلى نقطة الغليان في غضون ميكروثانية، مما يؤدي إلى تبخير كبير. ونتيجة لذلك، تكون كثافة الطاقة العالية مفيدة لعمليات إزالة المواد مثل القطع والنحت والحفر.

من ناحية أخرى، تستغرق كثافة الطاقة المنخفضة بضعة أجزاء من الثانية للوصول إلى نقطة غليان درجة حرارة السطح. ويسمح ذلك للطبقة السفلية بالوصول إلى نقطة الانصهار قبل أن تتبخر الطبقة السطحية، مما يسهل إنشاء لحام اندماج قوي. لذلك، فإن كثافة الطاقة للتوصيل اللحام بالليزر تقع عادةً في نطاق 10^4 إلى 10^6 واط/سم².

1.2 الشكل الموجي لنبضات الليزر

يعد الشكل الموجي لنبض الليزر عاملاً حاسمًا في اللحام بالليزر، خاصةً في لحام الألواح.

عندما يصطدم شعاع ليزر عالي الكثافة بسطح المادة، ينعكس 601 تيرابايت إلى 981 تيرابايت إلى 981 تيرابايت من طاقة الليزر على سطح المعدن ويفقدها. وتعتمد هذه الانعكاسية على درجة حرارة السطح وتختلف وفقًا لذلك.

تتذبذب انعكاسية المعدن بشكل كبير أثناء نبضة الليزر.

1.3 عرض نبضة الليزر

يعد عرض النبض معلمة مهمة في اللحام بالليزر النبضي. وهو لا يختلف فقط عن إزالة المواد وصهرها، ولكنه أيضًا عامل حاسم يحدد تكلفة وحجم معدات المعالجة.

1.4 تأثير مقدار إلغاء التركيز على جودة اللحام

يتطلب اللحام بالليزر عادةً درجة معينة من إلغاء التركيز بسبب كثافة الطاقة العالية في مركز بؤرة الليزر البؤرية، والتي يمكن أن تسبب التبخر والثقوب بسهولة. ومن ناحية أخرى، يكون توزيع كثافة الطاقة منتظمًا نسبيًا على المستوى البعيد عن بؤرة الليزر.

هناك وضعان متاحان لإلغاء الضبط البؤري: إلغاء الضبط البؤري الإيجابي والسلبي. يحدث إلغاء الضبط البؤري الإيجابي عندما يكون المستوى البؤري فوق قطعة العمل، بينما يحدث إلغاء الضبط البؤري السلبي عندما يكون المستوى البؤري أسفلها.

وفقًا لنظرية علم البصريات الهندسية، تكون كثافة القدرة على المستويات المتناظرة متساوية تقريبًا عند تساوي الفواصل الموجبة والسالبة. ومع ذلك، في الواقع، يختلف شكل الحوض المنصهر في الواقع.

يمكن أن يؤدي إلغاء التركيز السلبي إلى تغلغل أكبر، وهو ما يرتبط بعملية تكوين البركة المنصهرة. تشير النتائج التجريبية إلى أن المادة تبدأ في الانصهار في غضون 50 إلى 200 مرة بعد تسخينها بالليزر، مما يؤدي إلى تكوين معدن في الطور السائل والتبخير والبخار بالضغط التجاري، الذي ينبعث منه ضوء أبيض مبهر بسرعة عالية جدًا.

وفي الوقت نفسه، يؤدي التركيز العالي للبخار إلى تحرك المعدن السائل إلى حافة الحوض المنصهر، مما يؤدي إلى حدوث انخفاض في مركز الحوض المنصهر.

عند استخدام إلغاء الضبط البؤري السلبي، تكون كثافة الطاقة الداخلية للمادة أعلى من كثافة الطاقة السطحية، مما يسهل إنتاج انصهار وتبخير أقوى. وهذا يمكّن الطاقة الضوئية من الانتقال إلى الجزء الأعمق من المادة، مما يؤدي إلى اختراق أكبر. لذلك، يجب استخدام إلغاء التركيز السلبي للاختراق الأكبر، بينما يجب استخدام إلغاء التركيز الإيجابي عند لحام المواد الرقيقة في التطبيقات العملية.

2. تقنية اللحام بالليزر

1) لحام الصفيحة بالصفائح

ويشمل اللحام التناكبيواللحام الطرفي، واللحام بالانصهار الاختراق المركزي واللحام بالانصهار الثقب المركزي.

2) لحام السلك بالسلك

ويشمل اللحام التناكبي السلكي بالسلك، واللحام المتقاطع، واللحام المتوازي على شكل حرف T واللحام من النوع T.

3) لحام السلك وعنصر الكتلة

يمكن استخدام اللحام بالليزر لتوصيل السلك وعنصر الكتلة بنجاح، ويمكن أن يكون حجم عنصر الكتلة عشوائيًا.

يجب الانتباه إلى البعد الهندسي لعنصر السلك في اللحام.

4) لحام معادن مختلفة

لحام المعادن المختلفة

من أجل لحام أنواع مختلفة من المعادن، من الضروري تحديد قابلية اللحام ونطاق المعلمات القابلة للحام.

من المهم ملاحظة أنه لا يمكن إجراء اللحام بالليزر إلا بين تركيبات معينة من المواد.

في حين أن اللحام النحاسي بالليزر قد لا يكون مناسبًا لتوصيل مكونات معينة، يمكن استخدام الليزر كمصدر حراري لكل من اللحام بالنحاس واللحام بالنحاس، والذي يوفر أيضًا فوائد اللحام بالليزر.

هناك العديد من طرق اللحام المتاحة، ويستخدم اللحام بالليزر في المقام الأول في لحام لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، خاصةً في تقنية تجميع الرقاقات.

3. Aالمزايا من اللحام بالليزر

  1. يقلل التسخين الموضعي من خطر التلف الحراري للعنصر وينتج عنه منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة، مما يسمح باللحام بالقرب من العنصر الحراري.
  2. يمكن للتسخين غير التلامسي إذابة عرض النطاق الترددي دون الحاجة إلى أدوات مساعدة. وهذا يسمح بالمعالجة على لوحات الدوائر المطبوعة على الوجهين بعد تركيب المكونات على الوجهين.
  3. إن الطبيعة المستقرة للعملية المتكررة، إلى جانب الحد الأدنى من تلوث أدوات اللحام بالتدفق، تجعل الليزر اللحام بالنحاس خيارًا مناسبًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم بسهولة في وقت التشعيع بالليزر وطاقة الخرج، مما يؤدي إلى إنتاجية عالية من اللحام بالليزر.
  4. يمكن تقسيم شعاع الليزر بسهولة باستخدام عناصر بصرية مثل العدسات النصفية والمرايا والموشورات ومرايا المسح الضوئي. وهذا يسمح باللحام المتزامن المتماثل لنقاط متعددة.
  5. يستخدم اللحام بالليزر النحاسي بالليزر في المقام الأول ليزر بطول موجي يبلغ 1.06 أم كمصدر للحرارة، والذي يمكن نقله عبر الألياف الضوئية. يتيح ذلك معالجة الأجزاء التي يصعب لحامها بالطرق التقليدية، مما يوفر مرونة أكبر.
  6. يتميز شعاع الليزر بتركيز جيد ويمكن تشغيله آليًا بسهولة للأجهزة متعددة المحطات.

4. اللحام بالاختراق العميق بالليزر

اللحام بالاختراق العميق بالليزر

4.1 العملية المعدنية ونظرية التكنولوجيا والعمليات المعدنية

تتشابه العملية المعدنية للحام بالاختراق العميق بالليزر مع عملية اللحام بالشعاع الإلكتروني، حيث يعتمد كلاهما على بنية "الثقب الصغير" لإتمام تحويل الطاقة.

عندما تكون كثافة الطاقة عالية بما فيه الكفاية، تتبخر المادة، مما يخلق ثقبًا صغيرًا. يمتلئ هذا الثقب بالبخار ويعمل مثل الجسم الأسود، ويمتص كل طاقة الضوء الساقط تقريبًا. تبلغ درجة حرارة التوازن داخل تجويف الثقب حوالي 25000 درجة.

وتنتقل الحرارة من الجدار الخارجي للتجويف ذي درجة الحرارة المرتفعة لإذابة المعدن المحيط به. يمتلئ الثقب باستمرار بالبخار عالي الحرارة الناتج عن تبخر مادة الجدار تحت إشعاع شعاع الضوء.

تُحاط جدران الثقب الأربعة بمعدن منصهر محاط بدوره بمادة صلبة. يتدفق المعدن السائل خارج الثقب ويبقى في توازن ديناميكي مع ضغط البخار المستمر داخل تجويف الثقب.

أثناء تحرك الشعاع، يظل الثقب مستقرًا. وهذا يعني أن ثقب المفتاح والمعدن المنصهر المحيط بالفتحة يتحركان للأمام مع سرعة الشعاع المتجه. يملأ المعدن المنصهر الفجوة التي خلفها ثقب المفتاح المتحرك ويتكثف مشكلاً اللحام.

4.2 4.2 العوامل المؤثرة

العوامل التي تؤثر على اللحام بالاختراق العميق بالليزر هي طاقة الليزروقطر شعاع الليزر، وامتصاص المواد، وسرعة اللحام، وسرعة اللحام، وغاز التدريع، والبُعد البؤري للعدسة، وموضع التركيز، وموضع شعاع الليزر، والتحكم في زيادة طاقة الليزر وانخفاضها في بداية اللحام ونهايته.

4.3 خصائص اللحام بالاختراق العميق بالليزر

1) ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع

ونظرًا لأن المعدن المنصهر يتشكل حول تجويف البخار الأسطواني عالي الحرارة ويمتد إلى قطعة العمل، يصبح اللحام عميقًا وضيقًا.

2) الحد الأدنى من المدخلات الحرارية

بسبب ارتفاع درجة حرارة تجويف المصدر، وسرعة عملية الصهر، وانخفاض مدخلات الحرارة في قطعة العمل، فإن التشوه الحراري و المنطقة المتأثرة بالحرارة صغيرة للغاية.

3) كثافة عالية

نظرًا لأن الثقب الصغير المملوء بالبخار عالي الحرارة يفضي إلى تحريك حوض اللحام وهروب الغاز، مما يؤدي إلى تكوين لحام غير مسامي غير مخترق.

يسهل معدل التبريد العالي بعد اللحام تحسين البنية المجهرية للحام.

4) تقوية اللحام.

5) تحكم دقيق.

6) عدم التلامس، والغلاف الجوي عملية اللحام.

4.4 مزايا اللحام بالاختراق العميق بالليزر

  1. تكون سرعة اللحام أسرع مع شعاع الليزر المركز نظرًا لكثافة طاقته الأعلى مقارنة بالطرق التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه لحام المواد المقاومة للحرارة مثل تيتانيوم والكوارتز مع مناطق متأثرة بالحرارة أصغر حجمًا وأقل تشوهًا.
  2. إن سهولة نقل شعاع الليزر والتحكم فيه يلغي الحاجة إلى تغيير الشعلة والفوهة بشكل متكرر، مما يؤدي إلى تقليل وقت التوقف عن العمل وزيادة عامل التحميل وكفاءة الإنتاج.
  3. تساهم التنقية ومعدلات التبريد العالية في قوة خط اللحام والأداء العام.
  4. تقلل مدخلات اللحام بالليزر المنخفضة للحرارة ودقة التصنيع العالية من تكاليف إعادة المعالجة، مما يجعلها حلاً فعالاً من حيث التكلفة.
  5. يسمح اللحام بالليزر بالتشغيل الآلي السهل والتحكم الفعال في كثافة الشعاع وتحديد المواقع بدقة.

4.5 معدات اللحام بالاختراق العميق بالليزر

بشكل عام، يُظهر الفولاذ الكربوني تأثيرات لحام بالليزر جيدة، و جودة اللحام يعتمد في المقام الأول على محتوى الشوائب.

كما هو الحال مع عمليات اللحام الأخرى، فإن الكبريت والفوسفور من العوامل التي يمكن أن تؤثر على حساسية شقوق اللحام.

لتحقيق جودة لحام مرضية، يلزم إجراء التسخين المسبق عندما يكون محتوى الكربون يتجاوز 0.25%.

عند لحام الفولاذ بمحتويات مختلفة من الكربون، يوصى بميل شعلة اللحام قليلاً نحو الجانب الذي يحتوي على مواد منخفضة الكربون لضمان جودة الوصلة.

نظرًا لارتفاع محتواه من الكبريت والفوسفور، فإن الفولاذ منخفض الكربون ذو الحواف غير مناسب للحام بالليزر.

نظرًا لانخفاض محتوى الشوائب، فإن تأثير لحام الفولاذ منخفض الكربون المقتول ممتاز.

الفولاذ متوسط وعالي الكربون والفولاذ الشائع سبائك الفولاذ يمكن أيضًا لحامها بالليزر بفعالية. ومع ذلك، فإن التسخين المسبق والمعالجة اللاحقة للحام ضرورية لإزالة الإجهاد ومنع تكون الشقوق.

5. لحام المواد الفولاذية بالليزر

لحام المواد الفولاذية بالليزر

5.1 اللحام بالليزر للفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ العادي

بشكل عام، يُظهر الفولاذ الكربوني أداءً جيدًا في اللحام بالليزر، وتتأثر جودة اللحام بمحتوى الشوائب.

على غرار تقنيات اللحاموالكبريت والفوسفور هما العاملان الرئيسيان اللذان يمكن أن يتسببا في حدوث تشققات اللحام.

عندما يتجاوز محتوى الكربون 0.25%، يكون التسخين المسبق ضروريًا لتحقيق المطلوب جودة اللحام.

عند لحام الفولاذ بمحتويات مختلفة من الكربون، فإن إمالة شعلة اللحام نحو الجانب الذي يحتوي على نسبة أقل من الكربون يمكن أن يضمن جودة الوصلة.

لا يوصى باللحام بالليزر للفولاذ منخفض الكربون ذي الحواف المنخفضة الكربون بسبب محتواه العالي من الكبريت والفوسفور.

يُظهر الفولاذ منخفض الكربون المقتول نتائج لحام ممتازة بسبب محتواه المنخفض من الشوائب.

يمكن لحام الفولاذ الكربوني المتوسط والعالي الكربون، وكذلك سبائك الفولاذ الشائعة، بالليزر بشكل فعال، ولكن يلزم إجراء التسخين المسبق والمعالجة بعد اللحام للتخلص من الإجهاد ومنع تكون الشقوق.

5.2 لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر

بشكل عام, لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر أسهل في تحقيق وصلات عالية الجودة من اللحام التقليدي. ويرجع ذلك إلى أن المنطقة الصغيرة المتأثرة بالحرارة لسرعة اللحام العالية تجعل التحسس أقل مشكلة.

بالمقارنة مع الفولاذ الكربوني، يسمح الفولاذ المقاوم للصدأ، بفضل توصيله الحراري المنخفض، بتحقيق اختراق عميق ولحامات ضيقة بشكل أسهل.

5.3 اللحام بالليزر بين المعادن المختلفة

يخلق معدل التبريد العالي والمنطقة الصغيرة المتأثرة بالحرارة في اللحام بالليزر ظروفًا مواتية لتوافق المواد ذات الهياكل المختلفة بعد صهر العديد من المعادن المختلفة.

وقد ثبت أن المعادن التالية يمكن لحامها بنجاح: الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ منخفض الكربون، والفولاذ المقاوم للصدأ 416 والفولاذ المقاوم للصدأ 310, الفولاذ المقاوم للصدأ 347 وسبائك النيكل وسبائك النيكل من الهاستيلوي والنيكل الكهربائي والنيكل والصلب المطروق على البارد، والشرائح ثنائية المعدن ذات المحتوى المختلف من النيكل.

لا تنس أن المشاركة تعني الاهتمام! : )
شين
المؤلف

شين

مؤسس MachineMFG

بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.

قد يعجبك أيضاً
اخترناها لك فقط من أجلك. تابع القراءة وتعرف على المزيد!
المعرفة النظرية الأساسية للحام الليزر بالليزر

أساسيات اللحام بالليزر: 8 مفاهيم أساسية

تخيل تقنية لحام توفر الدقة والحد الأدنى من التشويه الحراري والمعالجة عالية السرعة. يجلب اللحام بالليزر هذه المزايا إلى الطاولة، مما يُحدث ثورة في الصناعة التحويلية. تتعمق هذه المقالة في...
اللحام بالليزر في السيارات يقود مستقبل التجميع في السيارات

اللحام بالليزر في السيارات: قيادة مستقبل التجميع

ما الذي يجعل السيارات أكثر أماناً وأخف وزناً وأكثر كفاءة؟ تعمل تقنية اللحام بالليزر على تغيير صناعة السيارات من خلال تعزيز الدقة وتقليل التكاليف. يتعمق هذا المقال في كيفية عمل اللحام بالليزر، وكيف يمكن...
الماكينةMFG
ارتقِ بعملك إلى المستوى التالي
اشترك في نشرتنا الإخبارية
آخر الأخبار والمقالات والمصادر التي يتم إرسالها إلى صندوق الوارد الخاص بك أسبوعياً.

اتصل بنا

سيصلك ردنا خلال 24 ساعة.