تأثير اللحام الثنائي وألياف الليزر المركبة على البنية المجهرية وخواص النحاس

0 مقدمة
يتمتع النحاس الأحمر بقدرة جيدة على الليونة، وموصلية حرارية عالية، وموصلية كهربائية، ويستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والهندسة البحرية والكابلات والمكونات الكهربائية والإلكترونية. تتميز طرق اللحام التقليدية بالنحاس الأحمر مثل اللحام بغاز التنغستن الخامل بمدخلات حرارة عالية ووظيفة كبيرة -تشوه اللحام، وطبقات اللحام القبيحة، والتي لم تعد قادرة على تلبية متطلبات الإنتاج الحديث.

يحتوي اللحام بالليزر على مدخلات حرارية أقل بشكل عام، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير مشاكل التشوه الكبير بعد اللحام والمظهر السيئ. تطورت تكنولوجيا اللحام بالليزر بسرعة في السنوات الأخيرة. نظرًا لانخفاض معدل امتصاص أشعة الليزر ذات الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء على سطح النحاس، بشكل عام حوالي 4٪ فقط، تنعكس معظم طاقة الليزر بعيدًا. يتطلب مدخلات طاقة عالية لحام النحاس، مما قد يؤدي إلى ضعف استقرار اللحام؛ أثناء عملية ذوبان النحاس الأحمر، تتشكل المسام بسهولة عند خط اللحام، مما يؤثر على الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام؛ عند لحام النحاس الأحمر، يؤدي الإدخال الحراري الكبير إلى زيادة كبيرة في حجم الحبوب، مما يؤثر أيضًا سلبًا على أداء الوصلة الملحومة؛

يتم استخدام تقنية اللحام المركب بالليزر بأشباه الموصلات والألياف الجديدة في تجربة لحام النحاس الأحمر بالليزر. يتم تحليل تأثير معلمات العملية على تشكيل مفصل اللحام لتوفير المراجع الفنية للإنتاج الفعلي.

1 تجربة اللحام
1.1 المواد المراد لحامها ومعدات اللحام
المادة التجريبية هي النحاس الأحمر، بسمك 1.0 مم، الطول × العرض 100 مم × 50 مم. طريقة اللحام هي الربط. يتم تثبيت المادة المراد لحامها باستخدام أداة محلية الصنع لتقليل التشوه أثناء اللحام لحام.

يتم استخدام الليزر المركب من ليزر أشباه الموصلات وليزر الألياف في لحام النحاس الأحمر. الطول الموجي لليزر أشباه الموصلات هو 976 نانومتر، والحد الأقصى للطاقة 1000 واط، والقطر الأساسي للألياف 400 ميكرون. يبلغ طول موجة ليزر الألياف 1070 نانومتر، وقوة الليزر القصوى 1000 واط، وقطر الألياف الأساسية 50 ميكرون. . يتم الجمع بين نوعي الليزر من خلال رأس لحام، حيث يبلغ طول العدسة المتوازية لرأس اللحام 100 مم وعدسة التركيز ذات طول بؤري 200 مم، ويظهر المسار البصري في الشكل 1 (أ)، يبلغ قطر بقعة ليزر أشباه الموصلات بعد المرور عبر رأس اللحام عند تركيز الليزر حوالي 0.8 مم. نظرًا لحجم البقعة الكبير، يمكن أن توفر تسخينًا إضافيًا حول خط اللحام. يبلغ قطر بقعة ليزر الألياف عند التركيز حوالي 0.1 مم، وكثافة الطاقة صغيرة (كثافة الطاقة = طاقة الليزر/مساحة البقعة؛ الأصغر قطر البقعة، وزيادة كثافة الطاقة). وهذا يمكن أن يولد درجات حرارة أعلى، وتحقيق لحام المواد النحاسية. وقد أجريت جميع التجارب المذكورة في النص في النقاط المحورية لأشعة ليزر أشباه الموصلات وأشعة الليزر الليفية للحام. ويبين الشكل 1 (ب) المنصة التجريبية للحام المركب بالليزر. يتكون بشكل رئيسي من ليزر أشباه الموصلات، وليزر الألياف، ورأس اللحام، وكمبيوتر التحكم الصناعي ووحدة X/Y. في هذا الإعداد، يقوم رأس اللحام، الذي يتم تشغيله بواسطة وحدة X/Y، بتحقيق اللحام المساري لتشكيل خط لحام. يمكن ضبط قوة ليزر أشباه الموصلات وليزر الألياف بشكل منفصل.

( أ ) رسم تخطيطي للمسار البصري للحام الهجين	(ب) المعدات التجريبية
الشكل 1: معدات اللحام بالليزر

1.2 معدات فحص اللحام
تم اختبار وتحليل البنية المجهرية لدرزة اللحام باستخدام المجهر الميتالوجرافي موديل WYJ-4XBD. وقد تم ذلك لتحليل تأثيرات معلمات العملية المختلفة على البنية الدقيقة لدرزة اللحام. تم اختبار قوة الشد لدرزة اللحام باستخدام آلة شد إلكترونية، موديل FR-103C. تظهر المعدات في الشكل 2 (ب). يتم الحصول على قوة الشد P لدرزة اللحام عن طريق قسمة قوة الشد F على المنطقة S من خط اللحام. يتم اختبار قوة الشد 3 مرات تحت كل معلمة عملية، ومتوسط ​​قوة الشد التي يتم الحصول عليها هي قوة الشد لدرزة اللحام المقابلة لمعلمة العملية هذه. تم ضبط سرعة التمدد لآلة الشد على 1 مم/ثانية. يتم اختبار الصلابة الدقيقة لوصلة التماس الملحومة لعينة اللحام باستخدام جهاز اختبار الصلابة الدقيقة، موديل HV-1000. الحمل التجريبي 50 جرام، ووقت التحميل 10 ثوانٍ.

2 العملية التجريبية وتحليل النتائج
2.1 تأثير ليزر أشباه الموصلات على مظهر وقوة اللحامات
بعد العديد من التجارب الأولية، عند استخدام ليزر الألياف فقط للحام (مع ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 0 وات)، إذا كانت قوة ليزر الألياف 900 وات وسرعة اللحام 30 مم / ثانية، فسوف يخترق خط اللحام فقط، ولكن وهو عرضة لتكوين المسام داخل خط اللحام. كما هو مبين في الشكل 3 (أ)، في المحاولات المستمرة لتحسين معلمات العملية مثل سرعة اللحام وطاقة الليزر لحام ألياف الليزر، لا تزال هناك مسام داخل خط اللحام. وذلك لأنه أثناء عملية ذوبان النحاس الأرجواني، يحتوي ليزر الألياف على مدخلات حرارية كبيرة للنحاس ودرجة حرارة عالية، مما يزيد بشكل كبير من قابلية ذوبان الهيدروجين في الهواء في البركة المنصهرة. الموصلية الحرارية الجيدة للنحاس الأرجواني، وسرعة التبريد للمسبح المنصهر سريعة جدًا. يؤدي التصلب السريع للمسبح المنصهر إلى عدم تبدد الهيدروجين المذاب في المجمع المنصهر من خط اللحام في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى وجود الهيدروجين المتبقي داخل خط اللحام وتكوين المسام في خط التماس. ستؤثر هذه المسام الداخلية الموجودة في خط اللحام سلبًا على الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام.

تستخدم المقالة طريقة اللحام المركب باستخدام ليزر أشباه الموصلات وليزر الألياف. يتم الحفاظ على قوة ألياف الليزر ثابتة عند 900W وسرعة اللحام عند 30mm/s. تم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 600W، 800W، و1000W على التوالي لتحليل التأثير على خط اللحام. عندما تكون قوة ليزر أشباه الموصلات 600 واط، فإن خط اللحام الموضح في الشكل 3 (ب)، توجد مسام داخل خط اللحام. عندما تكون قوة ليزر أشباه الموصلات 800 واط، كما هو موضح في الشكل 3 (ج)، هناك لا توجد مسام داخل التماس اللحام. وذلك لأن ليزر أشباه الموصلات له قطر نقطي يبلغ 0.8 مم عند النقطة البؤرية، مما يغطي نطاق تسخين أكبر. يوفر ليزر أشباه الموصلات تسخينًا إضافيًا حول خط اللحام، مما يقلل من معدل تبريد حوض السباحة المنصهر. يتيح ذلك للهيدروجين المذاب في المجمع المنصهر وقتًا كافيًا للتبخر من خط اللحام، دون ترك أي مسام متبقية في خط اللحام. عندما يتم زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات إلى 1000 واط، يكون مظهر خط اللحام كما هو موضح في الشكل 3 (د)، مع وجود مسام أكبر في الداخل. قد يكون هذا بسبب القوة العالية المفرطة لليزر أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى مدخلات حرارية أكبر بشكل عام. يؤدي هذا إلى استئصال العناصر ذات نقطة الانصهار المنخفضة داخل النحاس ويترك تجاويف داخل خط اللحام.

يتم اختبار قوة الشد لدرزة اللحام باستخدام آلة اختبار الشد، عندما يتم ضبط معلمات طاقة ليزر الألياف على 900 وات، وسرعة اللحام عند 30 مم / ثانية، وكمية إزالة التركيز عند 0 مم، يتم الحفاظ على ثباتها، ويتم تحليل قوة الشد لدرزة اللحام. يتم إجراء تأثير طاقة ليزر أشباه الموصلات على قوة الشد لدرزة اللحام، مع عرض النتائج في الشكل 4. عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 0 وات و600 وات، لا يوجد تغيير كبير في قوة الشد لدرزة اللحام. وذلك لأن قوة 600 واط ليس لها تأثير كبير على شكل خط اللحام. كما هو الحال عندما تكون الطاقة عند 0 وات، هناك مسام يتم إنتاجها داخل خط اللحام، مما يؤدي إلى قوة شد تتراوح بين 160 ~ 161 ميجا باسكال. عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 800 وات، تصل قوة الشد لدرزة اللحام إلى أعلى مستوياتها عند 238 ميجا باسكال ، مما يحقق 80% من قوة الشد للمادة الأساسية النحاسية (والتي تبلغ 292 ميجاباسكال). يمثل هذا زيادة بنسبة 50% تقريبًا في قوة الشد مقارنةً عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 0 وات و600 وات. عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 1000 وات، تنخفض قوة الشد لدرزة اللحام بشكل كبير. يحدث هذا لأن طاقة ليزر أشباه الموصلات عالية جدًا، مما يتسبب في استئصال العناصر ذات نقطة الانصهار المنخفضة، مما يقلل بشكل كبير من قوة الشد لدرزة اللحام.

الشكل 4: قوة الشد للمفاصل الملحومة تحت قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة

2.2 تأثير ليزر أشباه الموصلات على البنية الدقيقة للحام
مع قوة 900W، تعمل ماكينة لحام ألياف الليزر بسرعة 30mm/s، مع 0mm من إلغاء التركيز. يظهر الشكل 5 الصور المعدنية ذات البنية المجهرية لمناطق الاندماج عند قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة. عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 0 وات، تكون البنية المجهرية لمنطقة الاندماج عبارة عن بنية بلورية خلوية رفيعة، كما هو موضح في الشكل 5 (أ) . عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 600 واط و800 واط، تظهر الهياكل المجهرية لمناطق الاندماج في الشكل 5 (ب) والشكل 5 (ج)، على التوالي. ومع زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات، يصبح الهيكل البلوري الخلوي أكثر خشونة تدريجيًا. وذلك لأن التدرج الحراري في منطقة الاندماج كبير نسبيًا، وتنمو الحبيبات في اتجاه التوصيل الحراري، وتشكل هياكل بلورية خلوية دقيقة. وعندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 1000 واط، فإن البنية المجهرية لمنطقة الاندماج، كما هو موضح في الشكل 5 (د)، يتحول إلى بنية α-Cu أكثر خشونة. ويرجع ذلك إلى معدل التبريد البطيء للغاية، مما يؤدي إلى تكوين حبيبات α-Cu كبيرة.

مع قوة 900W، تعمل ماكينة لحام ألياف الليزر بسرعة 30mm/s، مع 0mm من إلغاء التركيز. يظهر الشكل 6 الصور المعدنية ذات البنية المجهرية للمناطق المتأثرة بالحرارة عند قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة. يتم تلدين هيكل المناطق المتأثرة بالحرارة بالكامل α-Cu. عندما يتم ضبط طاقة ليزر أشباه الموصلات على 0 وات و600 وات، فإن الحبوب لا تختلف الأحجام في المنطقة المتضررة بالحرارة بشكل كبير، كما هو مبين في الشكل 6 (أ) والشكل 6 (ب). ويرجع ذلك إلى القوة المنخفضة نسبيًا لليزر أشباه الموصلات، والتي ليس لها تأثير ملحوظ على البنية المجهرية للحام. عند ضبط قوة ليزر أشباه الموصلات على 800 واط، تتضخم الحبيبات الموجودة في المنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل ملحوظ، كما هو موضح. في الشكل 6 (ج). عندما يتم زيادة الطاقة إلى 1000 واط، يستمر متوسط ​​حجم الحبوب في النمو، كما هو موضح في الشكل 6 (د)، وذلك لأنه مع زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات، تنخفض سرعة تبريد المجمع المنصهر. ويؤدي هذا إلى تمديد فترة إعادة الصهر وإعادة البلورة للمسبح المنصهر. وتزداد كمية الحرارة والزمن الموصل للمنطقة المتأثرة بالحرارة مما يؤدي إلى إطالة زمن نمو الحبوب في هذه المنطقة مما يؤدي بدوره إلى زيادة حجم الحبوب في المنطقة المتأثرة بالحرارة.

مع قوة 900 وات، وسرعة لحام تبلغ 30 مم / ثانية، وكمية إزالة تركيز تبلغ 0 مم لليزر الألياف، تظهر البنية المجهرية المعدنية في المنطقة المركزية للحام تحت قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة كما في الشكل 7، عندما يكون أشباه الموصلات يتم ضبط طاقة الليزر على 0 وات و600 وات و800 وات على التوالي، وتظهر الصورة المجهرية المعدنية للبنية المجهرية في وسط اللحام في الشكل 7 (أ) والشكل 7 (ب) والشكل 7 (ج) وفقًا لذلك، جميعها هياكل الحبوب متساوية المحاور، مع زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات، تزداد كمية الهياكل الحبيبية متساوية المحاور تدريجيًا. وذلك لأن الزيادة في قوة ليزر أشباه الموصلات تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الإجمالية في مركز اللحام، مما يوفر وقتًا كافيًا لتطور بنية الحبوب المتساوية. وعندما تتم زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات إلى 1000 واط، فإن البنية المجهرية في مركز التحولات اللحام إلى الحبوب الكبيرة α-Cu، كما هو مبين في الشكل 7 (ب). ويرجع ذلك إلى انخفاض التدرج في درجة الحرارة في مركز اللحام، مما يتسبب في تباطؤ معدل تبريد اللحام بشكل كبير، مما يسهل تكوين حبيبات α-Cu كبيرة.

2.3 تأثير ليزر أشباه الموصلات على الخواص الميكانيكية للحامات
مع قوة ليزر الألياف المضبوطة على 900 وات، وسرعة اللحام 30 مم/ ثانية، وكمية إزالة التركيز البؤري 0 مم، يظهر الشكل 8 الصلابة الدقيقة تحت قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة. مع زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات، يصبح الحد الأقصى صلابة اللحام تتناقص تدريجيا. وذلك لأن الزيادة في قوة ليزر أشباه الموصلات تزيد من وقت التبريد والتصلب لحوض الذوبان، مما يسمح للحبوب بالنمو بشكل كامل. يؤدي حجم الحبوب الأكبر إلى تقليل قيمة الصلابة الدقيقة للمادة. يُظهر الاتجاه من منطقة اللحام نحو المادة الأساسية انخفاضًا أوليًا تليها زيادة، مع ملاحظة الحد الأقصى للصلابة الدقيقة في المنطقة الوسطى من اللحام. ويرجع ذلك إلى وجود حبيبات صغيرة جدًا في هذه المنطقة، حيث يؤدي صقل الحبوب إلى زيادة الصلابة. ويحدث الحد الأدنى لقيمة الصلابة الدقيقة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. وذلك لأن المنطقة المتأثرة بالحرارة تكون في اتجاه توصيل الحرارة؛ يؤدي التدرج الصغير في درجة الحرارة إلى حبيبات أكبر نسبيًا، مما يؤدي بدوره إلى تقليل الصلابة الدقيقة.

الشكل 8: توزيع الصلابة الدقيقة للمفاصل الملحومة تحت قوى ليزر أشباه الموصلات المختلفة

3 الخاتمة
مقارنة بالتقليدية اللحام بالليزر، التسخين المسبق أو المعالجة السطحية للنحاس ليست ضرورية. باستخدام الليزر المركب من الألياف وأشباه الموصلات، يمكن لحام النحاس في خطوة واحدة، مما يقلل من عملية التصنيع ويوفر تكاليف الإنتاج. وهذا يوفر مرجعًا فنيًا قيمًا للإنتاج الفعلي.

أثناء عملية اللحام، يوفر ليزر أشباه الموصلات تسخينًا مساعدًا للحام، مما ينتج أعلى قوة شد في اللحام بدون مسامية عندما يتم ضبط الطاقة على 800 واط. تؤثر قوة ليزر أشباه الموصلات بشكل كبير على البنية الدقيقة للحام. مع زيادة قوة ليزر أشباه الموصلات، يصبح الهيكل البلوري الخلوي في منطقة الاندماج أكثر خشونة تدريجيًا؛ يزداد حجم الحبوب في المنطقة المتأثرة بالحرارة. والبنية البلورية متساوية المحاور في وسط اللحام تزيد من حجم الجسيمات. سيؤدي حجم الحبوب الأكبر إلى تقليل الصلابة الدقيقة للحام.