تأثير الثقب البؤري

تعريف الثقب المفتاحي

تعريف فتحة المفتاح: عندما تكون شدة الإشعاع أكبر من 10^6W/سم^2، عند إذابة وتبخر سطح المادة تحت تأثير الليزر، وإذا كان سرعة التبخر كبيرة بما فيه الكفاية، فإن الضغط الرجعي الناتج عن البخار يكون كافيًا للتغلب على قوة التوتر السطحي للمعدن السائل والجاذبية للسائل، مما يدفع جانباً بعض المعدن السائل. هذا يؤدي إلى انخفاض حوض الذوبان في منطقة تأثير الليزر، مما يشكل حفرة صغيرة. يعمل الشعاع مباشرة على قاع الحفرة الصغيرة، مما يؤدي إلى ذوبان وإطلاق بخار إضافي للمعدن. يستمر البخار ذو الضغط العالي في دفع المعدن السائل الموجود في قاع الحفرة نحو محيط حوض الذوبان، مما يؤدي إلى تعميق الحفرة الصغيرة. مع استمرار هذه العملية، يتم في النهاية تكوين فتحة مشابهة لفتحة المفتاح في المعدن السائل.

تأثير فتحة المفتاح فيلحام بالليزريشير إلى تكوين فقاعات صغيرة أو ثقوب نتيجة تمدد المادة حراريًا وتبخر الغازات الداخلية أثناء عملية اللحام بالليزر. يمكن أن تؤثر هذه الثقوب على جودة اللحام وقوة خياطة اللحام. يحدث تأثير الثقب الرئيسي بسبب الأسباب التالية:

1) تمدد المادة الحراري: يؤدي الكثافة العالية للطاقة في شعاع الليزر إلى رفع درجة الحرارة بسرعة في منطقة اللحام، مما يسبب تمدد المادة حراريًا. هذا يؤدي إلى إنشاء ضغط وتشوه في منطقة اللحام. عندما يكون التمدد الحراري للمادة غير متجانس، فمن السهل تكوين الثقوب.

2) تبخر الغازات الداخلية: يوجد غازات دقيقة أو شوائب داخل مادة اللحام. عندما تسقط الشعاع الليزري على منطقة اللحام، يسبب درجة الحرارة العالية تبخر هذه الغازات بسرعة، مما يؤدي إلى تكوين فقاعات أو ثقوب. يمكن لهذه الفقاعات أن تحول دون تشكيل حوض اللحام وملء المعدن المنصهر، مما يؤثر على جودة اللحام.

3) التفاعلات الكيميائية للمادة: تحت درجات الحرارة العالية، تتفاعل مادة اللحام كيميائيًا مع الأكسجين، بخار الماء، والعناصر الأخرى الموجودة في البيئة المحيطة، مما يؤدي إلى تكوين أكاسيد أو مركبات أخرى. هذه المركبات تخفض نقطة انصهار منطقة اللحام، وتزيد من انبعاث الغازات أثناء عملية اللحام، مما يعزز من تأثير الثقب المفتاحي.

عندما يصل ضغط البخار المعدني الناتج عن الشعاع الليزري في الثقوب الدقيقة إلى التوازن مع قوة التوتر السطحي والجاذبية للمعدن السائل، لم تعد الثقوب الدقيقة تستمر في التعمق، مما يشكل ثقبًا دقيقًا مستقر العمق. هذا ما يُعرف بـ"تأثير الثقب الحrucial".

2. تكوين وتطور الثقب الحrucial

خلال عملية اللحام، يكون جدار الثقب الحrucial دائمًا في حالة اضطراب شديد. الطبقة الرقيقة من المعدن المنصهر على الجدار الأمامي للثقب الحrucial تتدفق لأسفل مع اهتزاز الجدار. أي ارتفاع على الجدار الأمامي للثقب الحrucial سيتبخر بشدة بسبب الإشعاع بواسطة ليزر كثافة طاقة عالية. يُطرح البخار الناتج إلى الخلف، مما يؤثر على المعدن المنصهر في البركة الخلفية، ويسبب اهتزاز البركة، ويشكل تأثيرًا على فقاعات البركة أثناء عملية التصلد.

بسبب وجود المسام الدقيقة، يخترق طاقة شعاع الليزر المادة، مما يشكل هذه الخياطة الضيقة والعميقة. الصورة أعلاه تظهر الشكل المتقاطع النموذجي لخياطة الاختراق العميقة بالليزر. عمق الخياطة وعمق الفجوة قريبان (بالضبط، مقارنة المعدنية تشير إلى أن عمق الخياطة يكون أعمق من الفجوة بمقدار 60-100 ميكرون، يختلف بطبقة مرحلة سائلة). كلما زادت كثافة طاقة الليزر، زاد عمق الفجوة، وزاد عمق الخياطة. في اللحام بالليزر ذي الطاقة العالية، يمكن أن يصل أعلى نسبة عمق إلى عرض الخياطة إلى 12:1.

تُعزى عدم استقرارية الفجوة أثناء عملية اللحام بشكل أساسي إلى تبخر المعدن المحلي في جدار الفجوة الأمامي. العوامل التي تؤدي إلى تكون الثقوب هي:

1) التبخر المحلي يؤدي إلى اختراق الغاز الحامي؛

2) الاحتراق الجزئي للعناصر السبائكية؛

3) أثناء لحام الألمنيوم وسبائكه بالليزر، تنخفض ذوبانية الهيدروجين في الألمنيوم بشكل كبير خلال عملية التبريد.

3. تحليل امتصاص طاقة الليزر في الفجوة

قبل تكوين الثقب الصغير والبلازما، يتم نقل طاقة الليزر إلى داخل peace العمل الأساسي عن طريق التوصيل الحراري. ينتمي عملية اللحام إلى اللحام بالتوصيل (في حدود 0.5 مم عمق الذوبان)، ومعدل امتصاص المادة للليزر يتراوح بين 25-45٪، بمجرد تشكيل الفجوة، تعتمد طاقة الليزر بشكل أساسي على تأثير الفجوة لامتصاص مباشر داخل peace العمل الأساسي.تصبح عملية اللحام لحام اختراق عميق (أكثر من 0.5 مم عمق الذوبان)، ويمكن أن يصل معدل الامتصاص إلى 60-90٪ أو أكثر.يلعب تأثير الفجوة دورًا مهمًا للغايةفي تعزيز امتصاص الليزر في العمليات مثللحام بالليزر, القطع، والثقب. الشعاع الليزري الذي يدخل في الفتحة يتم امتصاصه تقريبًا بالكامل من خلال انعكاسات متعددة عن جدران الفتحة.

يُعتقد عمومًا أن آلية امتصاص الطاقة للليزر داخل الفتحة تشمل عمليتين: الامتصاص العكسي لبرمسشترالونغ وامتصاص فريسنل.

3.1 امتصاص فريسنل

امتصاص فريسنل هو آلية امتصاص جدار الفتحة للليزر، والتي تصف سلوك امتصاص الليزر تحت الانعكاسات المتعددة داخل الفتحة. عندما يدخل الليزر إلى الفتحة، تحدث انعكاسات متعددة على الجدار الداخلي للفتحة، وفي كل عملية انعكاس، يتم امتصاص جزء من طاقة الليزر بواسطة جدار الفتحة.

من الرسم البياني الموجود على اليسار، يمكن ملاحظة أن معدل امتصاص الصلب للليزر تحت الحمراء هو حوالي 2.5 مرة أكثر من المغنيسيوم، 3.1 مرة أكثر من الألومنيوم، و36 مرة أكثر من الذهب، الفضة والنحاس.للمواد ذات الانعكاسية العالية، تكون انعكاسات الشعاع الليزري المتعددة في الفتحة الصغيرة هي الآلية الرئيسية لامتصاص الطاقة في عملية اللحام بالليزر ذوباناً عميقاً.

معدل الامتصاص المنخفض يؤدي إلى كفاءة ترابط طاقة أقل أثناء اللحام بالليزر للمواد ذات الانعكاسية العالية (71% مقارنة بـ 97%)، وتركيز أعلى لامتصاص الطاقة في قاع الفتحة الصغيرة. أثناء عملية اللحام بالليزر للمواد ذات الانعكاسية العالية،يكون توزيع الطاقة على طول عمق الفتحة الصغيرة غير متوازن، مما يسرع من عدم استقرار الفتحة الصغيرة ويؤدي إلى وجود فراغات، وعدم انصهار كامل، ومظهر سيئ.

3.2 امتصاص المرونة العكسية

آلية أخرى لامتصاص الفتحة الصغيرة هي من خلالامتصاص الإشعاع البلازموني العكسي.البلازما المُثارة بالضوء لا توجد فقط فوق مخرج الثقب الصغير، بل تملأ أيضًا هذا الثقب. ينتقل الليزر عبر البلازما بين انعكاسين عن جدار الثقب، ويتم امتصاص جزء من طاقته بواسطة البلازما، وتنقل الطاقة المُمتصة بواسطة البلازما إلى جدار الثقب من خلال الحمل الحراري والإشعاع

دور ونسبة آليتي امتصاص الطاقة: لهذين الآليتين المختلفين لامتصاص طاقة الليزر داخل الثقوب الصغيرة تأثيرات مختلفة على تشكيل اللحام.

• يتم إطلاق معظم الطاقة المُمتصة بواسطة البلازما في الجزء العلوي من الثقب الصغير، ويتم إطلاق كمية أقل في القاع، مما يجعل من السهل الحصول على ثقب بشكل "كأس النبيذ"، لكنه ليس مساعدًا على زيادة عمق الثقب.

• الطاقة المنبعثة بواسطة امتصاص فرنسل لجدار الثقب تكون موزعة بشكل نسبي بالتساوي في اتجاه عمق الثقب، مما يساعد على زيادة عمق الثقب والحصول في النهاية على خياطة لحام عميقة وضيقة نسبيًا.

من منظور تحسين جودة وفعالية اللحام، إذا تمكنا من التحكم في البلازما داخل الفجوة الصغيرة بطريقة أكثر فائدة لاستقرار عملية اللحام، فإن تقنية تعديل الليزر، والنمط الحلقي القابل للتعديل، وال مصدر الحرارة المركب هم جميعًا حلول تقنية محتملة فعالة.

4. التوازن الضغطي داخل الفجوة

خلال عملية اللحام بالليزر باستخدام الانصهار العميق، يتبخر المادة بشكل دراماتيكي، ويدفع ضغط التوسع للبخار عالي الحرارة المعدن السائل جانباً، مما يؤدي إلى تكوين فجوة صغيرة. داخل هذه الفجوة الصغيرة، بالإضافة إلى ضغط بخار المادة وضغط التآكل (المعروف أيضاً باسم قوة رد فعل التبخر أو ضغط الارتداد)، هناك أيضاً التوتر السطحي، والضغط الساكن الناتج عن الجاذبية، والضغط الديناميكي الناتج عن تدفق المادة المنصهرة. من بين هذه الضغوط، فإن ضغط البخار فقط هو الذي يساعد في إبقاء الفجوة مفتوحة، بينما الثلاثة الأخرى تعمل جميعها على إغلاق الفجوة الصغيرة. لضمان استقرار الفجوة أثناء عملية اللحام، يجب أن يكون ضغط البخار كافياً للتغلب على القوى المقاومة الأخرى، بحيث يصل إلى حالة مستقرة ويحافظ على استقرار الفتحة على المدى الطويل. ولتبسيط الأمر، يُعتقد عموماً أن القوى التي تؤثر على جدران الفتحة هي principalmente ضغط التآكل (ضغط ارتداد بخار المعدن) والتوتر السطحي.

5. عدم استقرار فتحة المفتاح

عندما يعمل الليزر على سطح المادة، يتبخر مقدار كبير من المعدن، وضغط الارتداد يدفع البركة المنصهرة للأسفل، مما يؤدي إلى تكوين فتحة رئيسية (keyhole) بالإضافة إلى البلازما التي تزيد من عمق الانصهار. أثناء عملية الحركة، عندما يضرب الليزر جدار الفتحة الأمامي، فإن جميع النقاط التي يتلامس فيها الليزر مع المادة تسبب تبخير المادة بعنف. في الوقت نفسه، يحدث فقدان كتلة على جدران الفتحة، وضغط الارتداد الناتج عن التبخر يضغط أيضًا المعدن السائل للأسفل، مما يؤدي إلى اضطراب الجدار الداخلي للفتحة نحو الأسفل، ليتجاوز قاع الفتحة ويتحرك نحو البركة المنصهرة خلف الفتحة. بسبب الحركة المتذبذبة للبركة المنصهرة من الجدار الأمامي إلى الجدار الخلفي، يتغير حجم الفتحة باستمرار، كما يتغير الضغط داخل الفتحة أيضًا. التغير في الضغط يؤدي إلى تغيير حجم البلازما المنتشرة. التغير في حجم البلازما يؤدي إلى تغييرات في التظليل، الانكسار، واستيعاب طاقة الليزر، مما يسبب تغيرات في طاقة الليزر التي تصل إلى سطح المادة. العملية بأكملها ديناميكية ودورية، وتؤدي في النهاية إلى عمق انصهار معدني متعرج وموجي الشكل، ولا يوجد خط لحام بعمق متساوٍ ناعم.

الرسم التفصيلي لمركز خياطة اللحام الذي تم الحصول عليه عن طريق القص الطولي على طول المركز الموازي لخياطة اللحام، بالإضافة إلى مخطط تغير عمق الفجوة الذي قُيس في الوقت الفعلي بواسطة IPG-LDD، يدعم هذا.

6. تذبذبات دورية للفجوة

1. يعمل الليزر على الجدار الأمامي للفجوة، مما يؤدي إلى تبخر عنيف للجدار الأمامي. الضغط الناتج عن الارتداد يضغط على الجدار الأمامي، مزاحًا المعدن السائل لتسريع حركته نحو الأسفل. تحرك المعدن السائل نحو الأسفل يضغط على بخار المعدن ليتناثر من فتحة الفجوة. زيادة مفاجئة في بخار المعدن تمتص طاقة الليزر وتؤينها، كما تقوم أيضًا بإعادة انكسار واستيعاب طاقة الليزر، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في طاقة الليزر التي تصل إلى الفجوة.

2. الانخفاض الحاد في طاقة الليزر التي تصل إلى الفتحة يؤدي إلى انخفاض كمية تبخر المعدن داخل الفتحة. هذا يسبب انخفاض ضغط الفتحة، وكمية بخار المعدن الهاربة من فتحة القمة تتناقص، كما أن عمق الذوبان يتناقص.

3. مع انخفاض كمية بخار المعدن، تنخفض درعية الليزر والانكسار والامتصاص لطاقة الليزر، مما يتسبب في زيادة كمية طاقة الليزر التي تصل إلى داخل الفتحة وزيادة عمق الذوبان.

7. الفتحة تكبح اتجاه الموجة

1) قوة التوتر السطحي

التأثير: قوة التوتر السطحي تؤثر على تدفق البركة المنصهرة;

الكبح: تثبيت عملية اللحام بالليزر يتضمن الحفاظ على توزيع التدرج لقوة السطح في البركة المنصهرة دون تقلبات مفرطة. قوة السطح مرتبطة بتوزيع درجة الحرارة، والتي بدورها مرتبطة بمصدر الحرارة. لذلك، فإن المصادر الحرارية المركبة واللحام الاهتزازي هما أسلوبان تقنيان محتملان لتثبيت عملية اللحام.

2) ضغط ارتداد بخار المعدن

التأثير: يتأثر تكوين الثقوب الرئيسية مباشرة بضغط ارتداد بخار المعدن، وهو مرتبط بشكل وثيق بعمق وحجم هذه الثقوب. كما أن بخار المعدن هو المادة الوحيدة التي تتحرك للأعلى أثناء عملية اللحام، مما يجعله مرتبطًا وثيقًا بحدوث الرش.

الكبح: العلاقة بين بخار المعدن وحجم الفجوة تتطلب الانتباه إلى تأثير البلازما وحجم فتحة الفجوة. كلما كانت الفتحة أكبر، كان حجم الفجوة أكبر، مما يجعل التقلبات في البركة المنصهرة الصغيرة في الأسفل تبدو تافهة. وهذا له تأثير أقل على الحجم الكلي للفجوة والتغيرات في الضغط الداخلي.لذلك، فإن الليزر ذو الوضع الحلقي القابل للتعديل (نقاط شكل حلقة)، ومزيج الليزر-قوس الكهربائي، والتحوير الترددي، وغيرها، هي جميعها اتجاهات محتملة للتوسع.