تأثير ثقب المفتاح

1. تعريف ثقب المفتاح

تعريف ثقب المفتاح: عندما تكون شدة الإشعاع أكبر من 10^6 واط/سم^2، عندما يذوب سطح المادة ويتبخر تحت تأثير الليزر، وعندما تكون سرعة التبخر كبيرة بما فيه الكفاية، فإن ضغط الارتداد الناتج عن البخار يكفي للتغلب على التوتر السطحي للمعدن السائل وجاذبية السائل، وبالتالي دفع بعض المعدن السائل جانبًا. يؤدي هذا إلى تجويف حوض الذوبان في منطقة عمل الليزر، مما يشكل حفرة صغيرة. يعمل الشعاع مباشرة على الجزء السفلي من الحفرة الصغيرة، مما يتسبب في ذوبان المعدن وتبخره. يستمر البخار ذو الضغط العالي في دفع المعدن السائل الموجود في قاع الحفرة نحو المناطق المحيطة بحوض الذوبان، مما يزيد من تعميق الحفرة الصغيرة. ومع استمرار هذه العملية، يتشكل أخيرًا ثقب مشابه لثقب المفتاح في المعدن السائل.

تأثير ثقب المفتاح في اللحام بالليزر يشير إلى تكوين فقاعات أو ثقوب صغيرة بسبب التمدد الحراري للمادة وتبخر الغازات الداخلية أثناء عملية اللحام بالليزر. يمكن أن تؤثر هذه الثقوب على جودة اللحام وقوة خط اللحام. ويحدث تأثير ثقب المفتاح بشكل رئيسي للأسباب التالية:

1) التمدد الحراري للمادة: تعمل كثافة الطاقة العالية لشعاع الليزر على رفع درجة الحرارة في منطقة اللحام بسرعة، مما يتسبب في تمدد المادة حراريًا. وهذا يؤدي إلى توليد الإجهاد والتشوه في منطقة اللحام. عندما يكون التمدد الحراري لمواد اللحام غير منتظم، فمن السهل تشكيل الثقوب.

2) تبخر الغازات الداخلية: توجد غازات صغيرة أو شوائب في مادة اللحام. عندما يتم تسليط شعاع الليزر على منطقة اللحام، فإن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى تبخر هذه الغازات بسرعة، مما يشكل فقاعات أو ثقوب. يمكن لهذه الفقاعات أن تعيق تكوين حوض اللحام وتعبئة المعدن المنصهر، مما يؤثر على جودة اللحام.

3) التفاعلات الكيميائية للمادة: تحت درجات الحرارة المرتفعة، تتفاعل مادة اللحام كيميائياً مع الأكسجين وبخار الماء والعناصر الأخرى الموجودة في البيئة المحيطة، مما يؤدي إلى توليد أكاسيد أو مركبات أخرى. تعمل هذه المركبات على خفض درجة انصهار منطقة اللحام، وزيادة إطلاق الغازات أثناء عملية اللحام، وزيادة إثارة تأثير ثقب المفتاح.

عندما يصل ضغط البخار المعدني الناتج عن شعاع الليزر في المسام الصغيرة إلى التوازن مع التوتر السطحي وجاذبية المعدن السائل، فإن المسام الصغيرة لم تعد تستمر في التعمق، وتشكل مسامًا صغيرة مستقرة في العمق. وهذا ما يشار إليه باسم "تأثير ثقب المفتاح".

2. تشكيل ثقب المفتاح وتطويره

أثناء عملية اللحام، يكون جدار ثقب المفتاح دائمًا في حالة تقلب عالية. تتدفق الطبقة الرقيقة من المعدن المنصهر الموجودة على الجدار الأمامي لثقب المفتاح إلى الأسفل مع تقلب الجدار. أي نتوء على الجدار الأمامي لثقب المفتاح سوف يتبخر بشدة بسبب التشعيع بواسطة أشعة الليزر عالية الكثافة. يتم طرد البخار المتولد للخلف، مما يؤثر على معدن البركة المنصهر على الجدار الخلفي، مما يتسبب في تأرجح البركة المنصهرة، ويؤثر على فيضان الفقاعات في البركة المنصهرة أثناء عملية التصلب.

نظرًا لوجود المسام الدقيقة، تخترق طاقة شعاع الليزر المادة، وتشكل خط اللحام العميق والضيق. توضح الصورة أعلاه الشكل المقطعي النموذجي للحام الاختراق العميق بالليزر. عمق اللحام وعمق ثقب المفتاح قريبان (على وجه الدقة، المقارنة المعدنية هي 60-100um أعمق من ثقب المفتاح، وتختلف بمقدار طبقة الطور السائل). كلما زادت كثافة طاقة الليزر، زاد عمق ثقب المفتاح، وزاد عمق اللحام. في اللحام بالليزر عالي الطاقة، يمكن أن تصل أعلى نسبة عمق إلى عرض اللحام إلى 12:1.

يرجع سبب عدم استقرار ثقب المفتاح أثناء عملية اللحام بشكل أساسي إلى تبخر المعدن المحلي في الجدار الأمامي لثقب المفتاح. العوامل التي تشكل المسامية هي:

1) يؤدي التبخر المحلي إلى تسرب الغاز الوقائي؛

2) احتراق عناصر صناعة السبائك.

3) أثناء اللحام بالليزر للألمنيوم وسبائكه، تقل قابلية ذوبان الهيدروجين في الألومنيوم بشكل كبير أثناء عملية التبريد.

3. تحليل امتصاص طاقة الليزر في ثقب المفتاح

قبل تشكيل الثقب الصغير والبلازما، يتم نقل طاقة الليزر بشكل أساسي إلى الجزء الداخلي من قطعة العمل من خلال التوصيل الحراري. تنتمي عملية اللحام إلى اللحام بالتوصيل (ضمن عمق ذوبان 0.5 مم)، ويتراوح معدل امتصاص المادة لليزر بين 25-45%، بمجرد تشكيل ثقب المفتاح، تعتمد طاقة الليزر بشكل أساسي على تأثير ثقب المفتاح ل يتم امتصاصها مباشرة من داخل قطعة العمل. تصبح عملية اللحام لحام اختراق عميق (عمق ذوبان أكثر من 0.5 مم)، ويمكن أن يصل معدل الامتصاص إلى 60 ~ 90٪ أو أكثر.يلعب تأثير ثقب المفتاح دورًا مهمًا للغاية في تعزيز امتصاص الليزر في عمليات المعالجة مثل اللحام بالليزروالقطع واللكم. يتم امتصاص شعاع الليزر الذي يدخل ثقب المفتاح بالكامل تقريبًا من خلال انعكاسات متعددة من جدار الثقب.

من المعتقد عمومًا أن آلية امتصاص طاقة الليزر في ثقب المفتاح تتضمن عمليتين: امتصاص الكبح العكسي وامتصاص فريسنل.

3.1 امتصاص فريسنل

امتصاص فريسنل هو آلية امتصاص جدار ثقب المفتاح لليزر، والتي تصف سلوك امتصاص الليزر تحت انعكاسات متعددة في ثقب المفتاح. عندما يدخل الليزر إلى ثقب المفتاح، تحدث انعكاسات متعددة على الجدار الداخلي لثقب المفتاح، وخلال كل عملية انعكاس، يمتص جدار ثقب المفتاح جزءًا من طاقة الليزر.

من الرسم البياني الأيسر، يمكن ملاحظة أن معدل امتصاص الفولاذ لأشعة الليزر تحت الحمراء يبلغ حوالي 2.5 مرة من المغنيسيوم، و3.1 مرة من الألومنيوم، و36 مرة من الذهب والفضة والنحاس. بالنسبة للمواد عالية الانعكاسية، فإن الانعكاسات المتعددة لشعاع الليزر في الثقب الصغير هي الآلية الرئيسية لامتصاص الطاقة في عملية اللحام بالليزر بالذوبان العميق.

يؤدي معدل الامتصاص المنخفض إلى انخفاض كفاءة اقتران الطاقة أثناء اللحام بالليزر للمواد عالية الانعكاس (71% مقابل 97%)، وتركيز أعلى لامتصاص الطاقة في قاع الحفرة الصغيرة. أثناء عملية اللحام بالليزر للمواد عالية الانعكاس , ويكون توزيع الطاقة على طول اتجاه عمق الثقب الصغير غير متوازن، مما يسرع من عدم استقرار الثقب الصغير ويؤدي إلى المسامية والاندماج غير الكامل وسوء المظهر.

3.2 عكس امتصاص الصلابة

آلية أخرى لامتصاص الثقب الصغير هي من خلال امتصاص الإشعاع صلابة عكسية plasmonicلا توجد البلازما الناتجة عن الصورة فوق مخرج الثقب الصغير فحسب، بل تملأ الثقب الصغير أيضًا. ينتقل الليزر في البلازما بين انعكاسين خارج جدار الثقب، ويتم امتصاص جزء من طاقته بواسطة البلازما، ويتم تمرير الطاقة التي تمتصها البلازما إلى جدار الثقب من خلال الحمل الحراري والإشعاع.

دور ونسبة آليتي امتصاص الطاقة: آليتان لامتصاص طاقة الليزر داخل الثقوب الصغيرة لهما تأثيرات مختلفة على تكوين درز اللحام.

• يتم إطلاق معظم الطاقة التي تمتصها البلازما في الجزء العلوي من الثقب الصغير، ويتم إطلاق كمية أقل في الجزء السفلي، مما يجعل من السهل الحصول على ثقب على شكل "كأس نبيذ"، ولكنه لا يساعد على تمديد العمق من الحفرة.

• الطاقة المنطلقة من امتصاص فريسنل لجدار الحفرة تكون موحدة نسبيًا في اتجاه عمق الحفرة، وهو أمر مفيد لزيادة عمق الحفرة وفي النهاية الحصول على وصلة لحام عميقة وضيقة نسبيًا.

من منظور تحسين جودة اللحام وكفاءته، إذا كان من الممكن التحكم في البلازما الموجودة داخل الثقب الصغير لتكون أكثر فائدة لاستقرار اللحام، فإن تعديل الليزر والوضع الحلقي القابل للتعديل ومصدر الحرارة المركب كلها حلول تقنية فعالة محتملة.

4. توازن الضغط داخل ثقب المفتاح

أثناء اللحام بالدمج العميق بالليزر، تتبخر المادة بشكل كبير، ويدفع ضغط التمدد للبخار ذو درجة الحرارة العالية المعدن السائل جانبًا، مما يشكل ثقبًا صغيرًا. داخل الثقب الصغير، بالإضافة إلى ضغط بخار المادة وضغط الاجتثاث (المعروف أيضًا باسم قوة رد فعل التبخر أو ضغط الارتداد)، هناك أيضًا التوتر السطحي، والضغط الساكن السائل الناجم عن الجاذبية، والضغط الديناميكي للسوائل الناتج عن تدفق المادة المنصهرة. ومن بين هذه الضغوط، يساعد ضغط البخار فقط على إبقاء الثقب الصغير مفتوحاً، بينما تحاول القوى الثلاثة الأخرى جميعها جعل الثقب الصغير مغلقاً. وللحفاظ على ثبات الثقب الصغير أثناء عملية اللحام، يتم استخدام يجب أن يكون ضغط البخار كافيًا للتغلب على قوى المقاومة الأخرى، وذلك للوصول إلى حالة مستقرة والحفاظ على استقرار ثقب المفتاح على المدى الطويل. من أجل التبسيط، يُعتقد عمومًا أن القوى المؤثرة على جدار ثقب المفتاح هي بشكل أساسي ضغط الاجتثاث (ضغط ارتداد بخار المعدن) والتوتر السطحي.

5. عدم استقرار ثقب المفتاح

عندما يعمل الليزر على سطح المادة، تتبخر كمية كبيرة من المعدن، ويضغط ضغط الارتداد على البركة المنصهرة نحو الأسفل، مما يشكل ثقب المفتاح، وكذلك البلازما، مما يزيد من عمق الذوبان. أثناء عملية الحركة، عندما يقوم الليزر عند ضرب الجدار الأمامي لثقب المفتاح، فإن جميع المواضع التي يتلامس فيها الليزر مع المادة تتسبب في تبخر المادة بعنف. في الوقت نفسه، هناك فقدان للكتلة على جدار ثقب المفتاح، كما أن ضغط الارتداد الناتج عن التبخر يضغط أيضًا على المعدن السائل إلى الأسفل، مما يتسبب في تأرجح الجدار الداخلي لثقب المفتاح إلى الأسفل، متجاوزًا الجزء السفلي من ثقب المفتاح ويتحرك نحو تجمع منصهر في الجزء الخلفي من ثقب المفتاح. نظرًا للحركة المتقلبة لحوض السباحة المنصهر السائل من الجدار الأمامي إلى الجدار الخلفي، يتغير الحجم الداخلي لثقب المفتاح باستمرار، ويتغير الضغط الداخلي لثقب المفتاح أيضًا وفقًا لذلك. يؤدي الضغط المتغير إلى تغير حجم البلازما المتدفقة. يؤدي التغير في حجم البلازما إلى تغيرات في التدريع والانكسار وامتصاص طاقة الليزر، مما يسبب تغيرات في طاقة الليزر التي تصل إلى سطح المادة. العملية برمتها ديناميكية ودورية، مما يؤدي في النهاية إلى عمق ذوبان معدني مسنن على شكل موجة، ولا يوجد التماس لحام متساوي العمق بسلاسة.

إن المنظر المقطعي لمركز التماس اللحام الذي تم الحصول عليه عن طريق القطع الطولي على طول المركز الموازي لخط اللحام، بالإضافة إلى مخطط تغيير عمق ثقب المفتاح المقاس في الوقت الفعلي بواسطة IPG-LDD، يؤكد ذلك.

6. التقلبات الدورية

1. يعمل الليزر على الجدار الأمامي لثقب المفتاح، مما يسبب تبخرًا عنيفًا للجدار الأمامي. يضغط ضغط الارتداد على الجدار الأمامي لأسفل، مما يضغط على المعدن السائل لتسريع حركته الهبوطية. تعمل الحركة الهبوطية للمعدن السائل على ضغط البخار المعدني ليخرج من فتحة ثقب المفتاح. يمتص البخار المعدني المتزايد فجأة طاقة الليزر ويتأين، بينما ينكسر أيضًا ويمتص طاقة الليزر، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في طاقة الليزر التي تصل إلى ثقب المفتاح.

2. يؤدي الانخفاض الحاد في طاقة الليزر التي تصل إلى ثقب المفتاح إلى انخفاض كمية تبخر المعدن داخل ثقب المفتاح. يؤدي هذا إلى انخفاض ضغط ثقب المفتاح، وتقليل كمية البخار المعدني المتسرب من الفتحة العلوية لثقب المفتاح، وانخفاض عمق الانصهار.

3. مع انخفاض كمية البخار المعدني، ينخفض ​​التدريع والانكسار وامتصاص طاقة الليزر، مما يؤدي إلى زيادة طاقة الليزر التي تصل إلى داخل ثقب المفتاح وزيادة عمق الانصهار.

7. ثقب المفتاح يمنع اتجاه الموجة

1) التوتر السطحي

التأثير: يؤثر التوتر السطحي على تدفق البركة المنصهرة؛

التثبيط: يتضمن تثبيت عملية اللحام بالليزر الحفاظ على التوزيع المتدرج للتوتر السطحي في البركة المنصهرة دون تقلبات مفرطة. ويرتبط التوتر السطحي بتوزيع درجات الحرارة، والذي بدوره يرتبط بمصدر الحرارة. لذلك، تعتبر مصادر الحرارة المركبة واللحام المتذبذب من الأساليب التقنية المحتملة لتحقيق استقرار عملية اللحام.

2) ضغط ارتداد بخار المعدن

التأثير: يؤثر الضغط الارتدادي لبخار المعدن بشكل مباشر على تكوين ثقوب المفاتيح، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بعمق وحجم ثقوب المفاتيح. كما أن بخار المعدن هو المادة الوحيدة التي تتحرك للأعلى أثناء عملية اللحام، فهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بحدوث التناثر.

التثبيط: العلاقة بين بخار المعدن وحجم ثقب المفتاح تتطلب الانتباه إلى تأثير البلازما وحجم فتحة ثقب المفتاح. كلما كانت الفتحة أكبر، كلما كان ثقب المفتاح أكبر، مما يجعل التقلبات في البركة الصغيرة المنصهرة في الأسفل تبدو ضئيلة. وهذا له تأثير أقل على الحجم الإجمالي لثقب المفتاح وتغيرات الضغط الداخلي.ولذلك، فإن الليزر ذو الوضع الدائري القابل للتعديل (البقع على شكل حلقة)، ومجموعة قوس الليزر، وتعديل التردد، وما إلى ذلك، كلها اتجاهات محتملة للتوسع.