تأثير البلازما في عملية اللحام بالليزر

تأثير البلازما في عملية اللحام بالليزر

فيلحام بالليزرفي العملية، تعتبر البلازما ظاهرة شائعة، ولها تأثير مهم على نتيجة وجودة عملية اللحام. تتكون البلازما من غاز مشحون كهربائيًا حيث تفقد الذرات أو الجزيئات في الغاز الإلكترونات أو تحصل عليها، مما يشكل أيونات موجبة وإلكترونات حرة. يُعتبر هذا الحالة من المادة هي الحالة الرابعة للمادة، مختلفة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات.

1.1 تأثير البلازما - تعريف البلازما

تكوين البلازما

فيلحام بالليزر, عادة ما تتبع إنشاء البلازما الخطوات التالية:

إشعاع الليزر: عندما يضرب شعاع ليزر عالي الطاقة سطح قطعة عمل، فإنه يسخن أولاً السطح، مما يؤدي إلى تبخر المادة بسرعة.

لحام بالليزرعادة ما يرافقه دوامة لهب تحتوي على نفاثات اللهب، وضوء أصفر، وأزرق، وبنفسجي. يُشار إلى هذا اللهب عادة بالبلازما.

تعريف البلازما: تُسمى البلازما الناتجة عن تبخر المواد المعدنية بسبب إشعاع الليزر أثناء عملية اللحام بالليزر بالبلازما الضوئية. يتكون البلازما الضوئي بشكل أساسي من بخار المعادن، والإلكترونات الحرة، والايونات والجسيمات المحايدة كهربائيًا.

البلازما، أو ما يُعرف بالغاز المؤين، تتكون من أيونات تنتج بعد تأين الذرات أو المجموعات الذرية مع فقدان بعض الإلكترونات. إنها غاز مؤين محايد كهربائيًا على نطاق أكبر من طول ديبي. حركتها تهيمن عليها القوى الكهرومغناطيسية وتظهر سلوكًا جماعيًا ملحوظًا.

1.2 تأثير البلازما - تكوين البلازما

تبخر المادة وإيونتها: نتيجة لطاقة الليزر العالية، فإن المادة المتبخرة (عادة ما تكون بخار معدني) ستستقبل المزيد من طاقة الليزر. عندما تكون الطاقة مرتفعة بما فيه الكفاية، فإن الذرات والجزيئات في البخار ستُيونن لتكوين بلازما. خلال هذا العملية، يتم إخراج الإلكترونات من الذرات أو الجزيئات، مما يخلق عددًا كبيرًا من الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة.

تكوين سحابة البلازما: ستتشكل البلازما الناتجة على شكل هيكل يشبه الغيمة، ويقع بين حزمة الليزر وسطح peace. بسبب خصائصها العالية من حيث درجة الحرارة والكثافة، يمكن للسحابة البلازماية أن تمتص وتتناثر طاقة الليزر بشكل أكبر، مما يؤثر على انتقال حزمة الليزر.

خلال عملية اللحام بالليزر ذات النفاذية العميقة، عندما يكون كثافة طاقة الليزر الحادثة كبيرة بما فيه الكفاية، يمكنها تبخير المعدن وتكوين فتحة مفتاحية في البركة المنصهرة. وفي الوقت نفسه، يتم تسريع الإلكترونات الحرة الموجودة في بخار المعدن المنبعث من سطح المعدن والفتحة المفتاحية، وكذلك تلك الموجودة جزئيًا في الغاز الحامي، عن طريق امتصاص طاقة الليزر. هذا يزيد من طاقتهم الحركية، مما يؤدي إلى اصطدامهم بجسيمات البخار والغاز الحامي، مما يثير استجابة سلسلية. يؤدي هذا العملية إلى التأين بشكل كبير، مما يشكل طبقة بلازما كثيفة فوق الفتحة المفتاحية. يمكن لهذه الطبقة من البلازما الكثيفة أن يكون لها تأثير كبير على عملية اللحام بالليزر.

1.3 تأثير البلازما - دورية البلازما

1.4 دور البلازما في نقل الطاقة

خلال عملية اللحام بالليزر ذي الطاقة العالية، مع إخراج الشعاع الليزري ذو الكثافة الطاقوية العالية بشكل مستمر، يتم نقل الطاقة إلى سطح peace، مما يؤدي إلى ذوبان وتبخر المادة المعدنية باستمرار. تندفع غيمة البخار بسرعة لأعلى من الفتحة الرئيسية، وتتأين بسرعة عندما تلتقي بشروط التأين، مما يشكل بلازما. تتكون البلازما الناتجة بشكل أساسي من بلازما بخار المعدن.

بعد تكوين البلازما، فإنها تعكس وتaborb الحزمة الضوئية الواردة، مما يتسبب في الانعكاس والتشتت والامتصاص، مما يمكن أن يحمي الحزمة الليزرية. وهذا يؤثر بدوره على Kopling للطاقة الليزرية والpeace، ويؤثر على عوامل مثل عمق الذوبان، وتكوين الثقوب، وتركيبة الخياطة. وفي النهاية، هذا يؤثر مباشرة على جودة اللحام الليزري ومصداقية العملية.

1.5 انكسار الليزر بواسطة البلازما

كلما تراكمت البلازما أكثر، أثرت بشكل أكبر على اللحام بالليزر. كلما انتشر الليزر أكثر، انخفضت كثافة الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في عمق الذوبان. لذلك، تحدث مشاكل شائعة مثل اللحام غير الكامل غالبًا بسبب غياب غاز الحماية.

تأثير العدسة السلبية للبلازما

الهواء هو وسط بصري كثيف، بينما البلازما هي وسط بصري نادر. إن انكسارهما للليزر يؤدي إلى انتشار شعاع الليزر، مما يقلل من أداء تركيز الليزر ويسبب انتشار الليزر، وبالتالي خفض كثافة الطاقة. عندما يمر الشعاع الليزري عبر البلازما، فإنه يسبب أيضًا تغييرًا في اتجاه انتشار الشعاع الليزري. زاوية الانحراف تعتمد على تدرج كثافة الإلكترونات وطول البلازما. يمكن أن يؤدي هذا إلى جعل كثافة الطاقة التي تصل إلى سطح المادة غير متساوية، وستتغير التذبذبات في الطاقة مع التغيرات في البلازما.

كما هو موضح في الصورة أعلاه: البلازما تشبه العدسة، وهي تقع بين المادة والليزر. ستؤدي طرق النفخ المختلفة إلى نتائج لحام مختلفة: النفخ الجانبي قد لا ينفخ البلازما، بينما يكون النفخ المباشر أفضل.

1.6 امتصاص ضوء الليزر بواسطة البلازما

يؤدي امتصاص طاقة الليزر بواسطة البلازما إلى زيادة مستمرة في درجة حرارتها ودرجة أيونيزتها. يمكن تقسيم عملية الامتصاص إلى الامتصاص الطبيعي والامتصاص غير الطبيعي.

الامتصاص الطبيعي، والذي يُعرف أيضًا باسم امتصاص التباطؤ العكسي، يشير إلى الحالة التي يتم فيها تحفيز الإلكترونات بواسطة حقل الكهرباء الناتج عن الليزر وتبدأ في الاهتزازات عالية التردد. تصطدم الإلكترونات بالجسيمات المحيطة (وهي في الغالب أيونات)، وتتبادل الطاقة معها، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة البلازما وأيونيزتها.

الامتصاص غير الطبيعي يشير إلى عملية يتم فيها تحويل طاقة الليزر إلى طاقة موجة البلازما من خلال سلسلة من الآليات غير التصادمية، ثم يتم تحويلها إلى طاقة حرارية للبلازما من خلال آليات مختلفة للتبدد، والتي تُنقل بعد ذلك إلى الهواء وتتبدد.

بسبب تأثير امتصاص البلازما للليزر، فإن جزءًا فقط من طاقة الليزر الحادثة يمكن أن يخترق البلازما وصولاً إلى سطح peace. هذا يزيد من خسارة نقل الطاقة في المسار البصري الخارجي (من QBH الليزر إلى سطح المادة)، ويقلل من كثافة طاقة الليزر، ويقلل من معدل الامتصاص العام. إذا كان النافذة عند الحد العلوي، فقد يؤدي ذلك بسهولة إلى اللحام الكاذب، خاصة في المواد ذات الانعكاس العالي (مثل الألومنيوم والنحاس).

1.7 قمع تأثير البلازما

العوامل الرئيسية التي تؤثر على معامل انكسار البلازما وتأثير العدسة السالبة هي:

كثافة قوة الليزر:

كلما كانت كثافة الطاقة أعلى، كان درجة حرارة البلازما أعلى، مما يعني أن كثافة الإلكترونات في البلازما تكون أكبر. وكلما كانت كثافة الإلكترونات أعلى، كان معامل الانكسار أصغر، مما يعزز من تأثير العدسة السالبة.

طول موجة الليزر: العلاقة بين الطول الموجي والتواتر الزاوي هي ω = 2πc/λ (حيث c هي سرعة الضوء وλ هو الطول الموجي). كلما كان طول موجة الليزر أكبر، كان التواتر الزاوي ومعامل الانكسار أصغر، مما يجعل تأثير العدسة السالبة أكثر وضوحًا. اللحام باستخدام الأشعة القصيرة (الضوء الأزرق، الضوء الأخضر) له مزايا وهو أكثر استقرارًا نسبيًا.

نوع الغاز الحامي: تحت نفس درجة الحرارة، يكون مستوى الايونات في الأرجون أكبر، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الإلكترونات وانخفاض معامل الانكسار، مما يجعل تأثير العدسة السالبة أكثر وضوحًا. بالمقارنة، فإن تأثير الغاز الحامي للهيليوم أفضل.

تدفق الغاز الوقائي: زيادة معدل تدفق الغاز ضمن نطاق معين يمكن أن يطرد السحابة البلازما فوق الحوض المنصهر، مما يؤدي إلى تقليل تأثير العدسة السلبية للبلازما.

المواد المراد لحامها: عادةً لا يكون هناك خيار. عندما يكون نقطة انصهار المادة المراد لحامها منخفضة وسهلة الأيونة، يزداد كثافة عدد الإلكترونات في البلازما، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في تأثير العدسة السلبية. إذا كان هذا الاحتمال يؤثر بشكل أكبر على الليزر، يجب التفكير في استخدام عمليات المعالجة الأخرى باستخدام الأشعة عالية الطاقة مثل أشعة الإلكترون.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على البلازما أثناء عملية اللحام، والتي يمكن تلخيصها كما يلي:

طول موجة الليزر: قيمة الاشتعال والحد الأدنى لصيانة البلازما تناسب مربع طول الموجة. الليزر ذو الموجات القصيرة (الضوء الأزرق، الضوء الأخضر) لديه أوقات صيانة بلازما قصيرة وستكون العملية أكثر استقرارًا.

كثافة قوة الليزر: تزداد درجة حرارة الإلكترونات وتركيز البلازما مع زيادة كثافة قوة الليزر، وكثافة القوة المفرطة هي السبب الرئيسي لعدم استقرار البلازما (ال مصدر الحرارة المركب (البقعة الحلقيّة، مزيج ألياف-شبه موصل، مزيج ليزر-قوس يمكن أن يحقق التحكم في توزيع طاقة مصدر الحرارة. مقارنةً باللحام باستخدام الليزر الأحادي الألياف، فإن تأثير البلازما يكون له تأثير أقل على عملية اللحام، وبالتالي تكون العملية أكثر استقرارًا);

حجم النقطة: كلما كان قطر النقطة أصغر، زادت قيمة تشغيل البلازما وقيمة الحفاظ عليها (يمكن تجنب اللحام المتذبذب);

خصائص المادة: إن كثافة المادة وطاقة الأيونية لها تأثير كبير على البلازما. كلما كانت طاقة الأيونية أقل وكانت انعكاسية المعدن أعلى، أصبحت المادة أكثر عرضة لتأثير البلازما الذي يؤثر على استقرار اللحام النفاذ العميق;

الغاز المحيط والضغط: يُعتقد عمومًا أن الغازات ذات التوصيل الحراري الجيد والطاقة العالية للإيونات تمتلك قيمة إشعال بلازما عالية وعتبة صيانة مرتفعة. كلما انخفض الضغط الجوي المحيط، انخفضت درجة حرارة الإلكترون وكثافة الإلكترون وارتفاع مركز البلازما. تحت ظروف الفراغ والضغط السلبي، يكون لحام الليزر العميق أكثر استقرارًا مقارنة بالضغط الطبيعي;

تدفق الغاز: مع زيادة معدل تدفق الغاز المحيط، سينخفض حجم البلازما، مما يؤدي إلى تقليل معدل امتصاص الليزر، ويمكن لهذا أيضًا تقليل تأثير البلازما على عملية اللحام العميق. ومع ذلك، فإن تدفق الهواء الزائد قد يتسبب في تذبذبات على سطح بركة اللحام وتناثر المعدن المنصهر، بالإضافة إلى الشقوق وعيوب خشونة السطح الناتجة عن التبريد المفرط.

سرعة اللحام: تزداد درجة حرارة البلازما الأساسية مع انخفاض سرعة اللحام. كلما كانت سرعة اللحام أقل، كان من السهل hơn توليد البلازما وأقل استقرارًا. إلى حدٍ ما، يمكن أن يؤدي زيادة السرعة أيضًا إلى تحسين استقرار عملية اللحام.

التحكم في البلازما عن طريق تغيير بعض العوامل المذكورة أعلاه لتقليل أو القضاء على تأثيرها على الليزر.

تشمل طرق التحكم ما يلي:

لحام الاهتزاز: يتأرجح رأس معالجة الليزر ذهابًا وإيابًا في اتجاه اللحام. بعد ظهور الفجوة وقبل تكوّن البلازما، يتم نقل النقطة الضوئية بشكل فوري إلى الحافة الخلفية لبركة اللحام أو إلى موقع آخر لتجنب تأثير البلازما على مسار نقل الضوء.

لحام الليزر بالنبضات: ضبط النبض وتكرار الليزر لجعل وقت إشعاع الليزر أقل من وقت تكوين البلازما. هذا يضمن أن الليزر دائمًا يضرب خلال مرحلة الت disperson في دورة تكوين وتفتت البلازما، مما يتجنب تداخل البلازما مع نقل الضوء.

لحام الضغط المنخفض: استخدام اللحام بضغط منخفض، عندما يكون الضغط أقل من مستوى معين، تكون كثافة بخار المعدن على سطح المادة وفي داخل الفجوة صغيرة، وبالتالي تختفي البلازما.

النفخ بالغاز الحامي:

واحد منها هو استخدام الغاز المساعد لطرد البلازما؛

الطريقة الأخرى هي قمع أيونات الغازات البيئية وضغط بخار أيونات المعدن باستخدام غاز يتمتع بقدرة نقل حراري جيدة وطاقة أيونية عالية. يمكن استخدام موزع ثنائي الطبقات متعدد المحاور مع النفخ الرئيسي. يشكل الموزع الخارجي زاوية معينة مع الاتجاه الأفقي. يتم استخدام المكون الشعاعي لتيار الهواء من الطبقة الخارجية لدفع البلازما المحيطة. يمكن أيضًا استخدام موزع على شكل أنبوب مستقيم لاستهداف البلازما ونفخ الهواء بشكل جانبي في اتجاه اللحام. لديها متطلبات صارمة بدقة توجيه موزع النفخ الجانبي وتحكم تدفق الهواء. بين العديد من طرق التحكم، فإن التحكم في البلازما عبر تدفق الهواء هو الأكثر مرونة وبساطة. لذلك، فإن استخدام غاز الحماية بالنفخ الجانبي هو طريقة شائعة الاستخدام في اللحام بالليزر ذو الاختراق العميق.

يُخرج الليزر أشعته، ويُشعِّها على سطح المادة، مما يؤدي إلى تكوين بلازما. عندما يكون كثافة البلازما الناتجة عن التأثير الضوئي مرتفعة جدًا، فإنها ستزيد بشكل كبير من فقدان طاقة الليزر، مما يضعف كثافة الطاقة الساقطة على سطح peace. يتناقص مقدار بخار المعدن الناتج، وتختفي البلازما تدريجيًا. في هذا الوقت، يمكن للليزر أن يشع مباشرة على سطح peace، مما يؤدي إلى إنتاج كمية كبيرة من بخار المعدن مرة أخرى، ويزداد شدة البلازما تدريجيًا، مما يعيد عزل الليزر الساقط. تبقى شدة البلازما في عملية تغيير دوري. من خلال التحليل الطيفي والتسجيل الفيديوي عالي السرعة، يتم ملاحظة تردد اهتزازات شدة البلازما ليكون حوالي مئات الهيرتز. وهذا يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تذبذبات دورية ذات أسنان في اللحام بالليزر، خاصةً في لحام الصفائح الرقيقة (التضبيط الدوري للليزر CW هو اتجاه لمعالجة هذه القضايا).