يُعدّ اللحام بالليزر أحد أهم جوانب تطبيق تقنية المعالجة بالليزر، بل هو أيضاً من أبرز تقنيات اللحام الواعدة في القرن الحادي والعشرين. وبالمقارنة مع طرق اللحام التقليدية، يتميز اللحام بالليزر بالعديد من المزايا، منها جودة اللحام العالية والكفاءة السريعة. ويُستخدم حالياً على نطاق واسع في مجالات التصنيع، وتعدين المساحيق، وصناعة السيارات، والإلكترونيات، والطب الحيوي، وغيرها.
وفقًا لآلية تكوين حوض اللحام، توجد آليتان أساسيتان للحام بالليزر: اللحام بالتوصيل الحراري واللحام بالاختراق العميق (ثقب صغير). في اللحام بالتوصيل الحراري، تنتشر الحرارة إلى قطعة العمل عبر انتقال الحرارة، مما يؤدي إلى انصهار سطح اللحام، دون حدوث تبخر تقريبًا، ويُستخدم هذا النوع غالبًا في لحام المكونات الرقيقة الجدران منخفضة السرعة. أما في اللحام بالاختراق العميق، فيتبخر المعدن ويُكوّن كمية كبيرة من البلازما. وبسبب الحرارة العالية، تتكون ثقوب في مقدمة حوض اللحام المنصهر. يتميز هذا النوع بقدرته على لحام قطعة العمل بشكل كامل، كما أنه يتطلب طاقة إدخال عالية وسرعة لحام فائقة، مما يجعله أكثر أنواع اللحام بالليزر استخدامًا.
هناك العديد من معايير العملية التي تؤثر على جودة اللحام بالليزر، مثل كثافة الطاقة، وشكل موجة نبضة الليزر، وعدم التركيز، وسرعة اللحام، وغاز النفخ المساعد.
١. كثافة طاقة الليزر: تُعدّ كثافة الطاقة من أهمّ المعايير في معالجة الليزر. فمع كثافة طاقة عالية، يمكن تسخين الطبقة السطحية إلى درجة الغليان في غضون أجزاء من الميكروثانية، مما يُولّد كمية كبيرة من التبخر. لذا، تُعدّ كثافة الطاقة العالية مفيدة جدًا في عمليات إزالة المواد، مثل التثقيب والقطع والنقش. أما مع كثافة طاقة منخفضة، فيستغرق الأمر بضعة أجزاء من الألف من الثانية حتى تصل درجة حرارة السطح إلى درجة الغليان، وقبل أن تتبخر الطبقة السطحية، تصل الطبقة السفلية إلى درجة الانصهار، مما يُسهّل تكوين لحام انصهاري جيد. لذلك، في لحام الليزر بالتوصيل الحراري، يتراوح نطاق كثافة الطاقة بين ١٠٤ و١٠٦ واط/سم².
2. شكل موجة نبضة الليزر
لا يُعد شكل موجة نبضة الليزر مجرد معيار هام للتمييز بين إزالة المادة وصهرها، بل هو أيضًا معيار أساسي لتحديد حجم وتكلفة معدات المعالجة. فعندما يُسلط شعاع ليزر عالي الكثافة على سطح المادة، ينعكس ما بين 60% و90% من طاقة الليزر ويُفقد، وخاصةً الذهب والفضة والنحاس والألومنيوم والتيتانيوم وغيرها من المواد التي تتميز بانعكاس قوي وانتقال حراري سريع. ويتغير معامل انعكاس المعدن مع مرور الوقت أثناء نبضة الليزر. فعندما ترتفع درجة حرارة سطح المادة إلى نقطة الانصهار، ينخفض معامل الانعكاس بسرعة، وعندما يكون السطح في حالة الانصهار، يستقر الانعكاس عند قيمة معينة.
3. عرض النبضة: يُعدّ عرض النبضة أحد أهمّ معايير لحام الليزر النبضي. ويتحدّد عرض النبضة بعمق الاختراق والمنطقة المتأثرة بالحرارة. فكلما زاد عرض النبضة، اتسعت المنطقة المتأثرة بالحرارة، ويزداد عمق الاختراق بمقدار نصف عرض النبضة. مع ذلك، فإنّ زيادة عرض النبضة تُقلّل من ذروة الطاقة، لذا يُستخدم عرض النبضة المُتزايد عادةً في لحام التوصيل الحراري، ممّا يُنتج لحامًا واسعًا وضحلًا، وهو مناسبٌ بشكلٍ خاصّ للحام التراكبي للصفائح الرقيقة والسميكة. ولكن، انخفاض ذروة الطاقة يُؤدّي إلى زيادة مُدخلات الحرارة، ولكلّ مادة عرض نبضة أمثل يُحقّق أقصى اختراق.
٤- تتطلب عملية اللحام بالليزر غير البؤري عادةً قدرًا معينًا من عدم التركيز، لأن كثافة طاقة الليزر في مركز البقعة تكون عالية جدًا، مما يسهل تبديدها داخل الثقوب. ويكون توزيع كثافة الطاقة متجانسًا نسبيًا في كل مستوى بعيدًا عن بؤرة الليزر. هناك طريقتان لعدم التركيز: عدم التركيز الموجب وعدم التركيز السالب. إذا كان مستوى التركيز أعلى من قطعة العمل، يكون عدم التركيز موجبًا؛ وإلا، يكون عدم التركيز سالبًا. وفقًا لنظرية البصريات الهندسية، عندما تكون المسافة بين مستويي عدم التركيز الموجب والسالب ومستوى اللحام متساوية، تكون كثافة الطاقة على المستوى المقابل متقاربة، لكن شكل حوض اللحام الناتج يختلف. في حالة عدم التركيز السالب، يمكن الحصول على اختراق أكبر، وهو ما يرتبط بعملية تكوين حوض اللحام المنصهر.
٥- سرعة اللحام: تحدد سرعة اللحام جودة سطح اللحام، وعمق الاختراق، والمنطقة المتأثرة بالحرارة، وغيرها. تؤثر سرعة اللحام على كمية الحرارة المُدخلة في وحدة الزمن. فإذا كانت سرعة اللحام بطيئة جدًا، تكون كمية الحرارة المُدخلة كبيرة جدًا، مما يؤدي إلى احتراق قطعة العمل. أما إذا كانت سرعة اللحام سريعة جدًا، فتكون كمية الحرارة المُدخلة قليلة جدًا، مما يؤدي إلى لحام قطعة العمل بشكل غير شفاف. وعادةً ما يُستخدم تقليل سرعة اللحام لتحسين عمق الاختراق.
٦- نفخ الغاز الواقي المساعد: يُعدّ نفخ الغاز الواقي المساعد عملية أساسية في لحام الليزر عالي الطاقة. فهو يمنع، من جهة، تناثر المواد المعدنية وتلويث مرآة التركيز، ومن جهة أخرى، يمنع تركيز البلازما المتولدة أثناء عملية اللحام بشكل مفرط، ويحول دون وصول الليزر إلى سطح المادة. في عملية لحام الليزر، تُستخدم غازات مثل الهيليوم والأرجون والنيتروجين لحماية حوض اللحام المنصهر، وبالتالي حماية قطعة العمل من الأكسدة. وتؤثر عوامل مثل نوع الغاز الواقي، وحجم تدفق الهواء، وزاوية النفخ تأثيرًا كبيرًا على نتيجة اللحام. كما تؤثر طرق النفخ المختلفة أيضًا على جودة اللحام.
لا يتأين الهيليوم بسهولة (لأنه يتمتع بطاقة تأين عالية)، مما يسمح لليزر بالمرور بسلاسة ووصول طاقة الشعاع إلى سطح قطعة العمل دون عوائق. يُعدّ الهيليوم الغاز الواقي الأكثر فعالية في لحام الليزر، إلا أن سعره مرتفع نسبيًا. أما الأرجون، فهو أرخص وأكثر كثافة، لذا يوفر حماية أفضل. مع ذلك، يتأين بسهولة بفعل بلازما المعادن ذات درجة الحرارة العالية، مما يحجب جزءًا من الشعاع عن قطعة العمل، ويقلل من قدرة الليزر الفعالة للحام، ويؤثر سلبًا على سرعة اللحام وعمقه. وتكون أسطح اللحامات المحمية بالأرجون أكثر نعومة من تلك المحمية بالهيليوم. يُعدّ النيتروجين أرخص الغازات الواقية، ولكنه غير مناسب لبعض أنواع لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، ويعود ذلك أساسًا إلى مشاكل معدنية، مثل الامتصاص، الذي قد يُسبب أحيانًا مسامات في منطقة التداخل.
تتميز تقنية اللحام بالليزر، باعتبارها تقنية لحام حديثة، بكثافة طاقة عالية، وسرعة فائقة، ودقة متناهية، وقدرة اختراق عميقة، ومرونة عالية. ويتزايد استخدامها باستمرار، مما يُحسّن كفاءة الإنتاج وجودة اللحام. ومن المؤكد أن تقنية اللحام بالليزر ستلعب دورًا محوريًا في مجال معالجة المواد.
تاريخ النشر: 28 مارس 2023
