تأثير البلازما في عملية اللحام بالليزر

تأثير البلازما في عملية اللحام بالليزر

في مجلة اللحام بالليزر تعتبر البلازما ظاهرة شائعة، ولها تأثير مهم على تأثير وجودة عملية اللحام. وتتكون البلازما من غاز متأين تفقد فيه الذرات أو الجزيئات الموجودة في الغاز أو تكتسب إلكترونات، وتشكل أيونات موجبة وإلكترونات حرة. وتعتبر هذه الحالة للمادة هي الحالة الرابعة للمادة، وتختلف عن المواد الصلبة والسوائل والغازات.

1.1 تأثير البلازما - تعريف البلازما

توليد البلازما

In اللحام بالليزرعادةً ما يتبع إنتاج البلازما الخطوات التالية:

إشعاع الليزر: عندما يضرب شعاع ليزر عالي الطاقة سطح قطعة العمل، فإنه يقوم أولاً بتسخين السطح، مما يتسبب في تبخر المادة بسرعة.

اللحام بالليزر عادة ما تكون مصحوبة بدوامة لهب، والتي تتضمن نفاثات من اللهب، والضوء الأصفر، والضوء الأزرق، والضوء الأرجواني. وغالبا ما يشار إلى هذا اللهب بالبلازما.

تعريف البلازما: تسمى البلازما الناتجة عن تبخير المواد المعدنية بسبب إشعاع الليزر أثناء عملية اللحام بالليزر بالبلازما المستحثة ضوئيًا. المكونات الرئيسية للبلازما المستحثة ضوئيًا هي بخار المعدن والإلكترونات الحرة والأيونات والجسيمات المحايدة كهربائيًا.

تتكون البلازما، والمعروفة أيضًا بالغاز المتأين، من أيونات تنتج بعد تأين الذرات أو المجموعات الذرية مع بعض الإلكترونات المجردة. وهو عبارة عن غاز متأين متعادل كهربائيًا على نطاق أكبر من طول ديباي. تهيمن القوى الكهرومغناطيسية على حركتها بشكل أساسي وتظهر سلوكًا جماعيًا مهمًا.

1.2 تأثير البلازما - تكوين البلازما

تبخر المواد وتأينها: نظرًا للطاقة العالية لليزر، فإن المادة المتبخرة (عادة بخار المعدن) سوف تمتص طاقة الليزر بشكل أكبر. عندما تكون الطاقة عالية بما فيه الكفاية، فإن الذرات والجزيئات الموجودة في البخار سوف تتأين لتشكل البلازما. خلال هذه العملية، يتم ضغط الإلكترونات من الذرات أو الجزيئات، مما يؤدي إلى تكوين عدد كبير من الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة.

تشكيل سحابة البلازما: ستشكل البلازما المتكونة بنية تشبه السحابة، والتي تقع بين شعاع الليزر وسطح قطعة العمل. نظرًا لارتفاع درجة حرارتها وخصائص كثافتها العالية، يمكن لسحابة البلازما أن تمتص وتبعثر المزيد من طاقة الليزر، مما يؤثر على نقل شعاع الليزر.

أثناء عملية اللحام باختراق عميق بالليزر، عندما تكون كثافة طاقة الليزر الساقط كبيرة بدرجة كافية، يمكنها تبخير المعدن وتشكيل ثقب مفتاح في البركة المنصهرة. وفي الوقت نفسه، يتم رش الإلكترونات الحرة الموجودة في بخار المعدن من سطح المعدن و يتم تسريع ثقب المفتاح، وكذلك تلك الموجودة في جزء من الغاز الواقي، عن طريق امتصاص طاقة الليزر. وهذا يزيد من طاقتها الحركية، مما يؤدي إلى اصطدامها بجزيئات البخار والغاز الواقي، وبالتالي يؤدي إلى تفاعل متسلسل. تؤدي هذه العملية إلى تأين كبير، وتشكيل طبقة بلازما كثيفة فوق ثقب المفتاح. يمكن أن يكون لهذه الطبقة من البلازما الكثيفة تأثير كبير على عملية اللحام بالليزر.

1.3 تأثير البلازما - دورية البلازما

1.4 دور البلازما في نقل الطاقة

أثناء عملية اللحام بالليزر عالي الطاقة، حيث يتم إخراج شعاع الليزر بكثافة طاقة عالية بشكل مستمر، يتم نقل الطاقة إلى سطح قطعة العمل، مما يؤدي إلى ذوبان وتبخير المواد المعدنية باستمرار. تتناثر سحابة البخار بسرعة من ثقب المفتاح إلى أعلى، وتتأين بسرعة بمجرد استيفائها لشروط التأين، وبالتالي تشكل البلازما. تتكون البلازما المتولدة بشكل أساسي من بلازما بخار معدني.

بعد تكوين البلازما، تنكسر وتمتص شعاع الضوء الساقط مما يسبب الانعكاس والتشتت والامتصاص، مما يمكن أن يحمي شعاع الليزر. وهذا يؤثر بالتالي على اقتران طاقة الليزر وقطعة العمل، مما يؤثر على عوامل مثل عمق الذوبان، وتوليد المسام، وتكوين خط اللحام. وفي النهاية، يؤثر هذا بشكل مباشر على جودة اللحام بالليزر وموثوقية العملية.

1.5 انكسار الليزر بالبلازما

كلما تراكمت البلازما أكثر، كلما زاد تأثيرها على اللحام بالليزر. كلما زاد تباعد الليزر، انخفضت كثافة الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في عمق الذوبان. لذلك، غالبًا ما تحدث مشكلات شائعة مثل اللحام غير الكامل بسبب عدم وجود غاز الحماية.

تأثير عدسة البلازما السلبي

الهواء هو وسط كثيف بصريا، في حين أن البلازما هي وسيلة متناثرة بصريا. يؤدي انكسار الليزر إلى تباعد شعاع الليزر، مما يؤدي إلى تدهور أداء تركيز الليزر ويتسبب في تباعد الليزر، وبالتالي تقليل كثافة الطاقة. عندما يمر شعاع الليزر الساقط عبر البلازما، فإنه يسبب أيضًا تغييرًا في اتجاه شعاع الليزر. انتشار شعاع الليزر. ترتبط زاوية الانحراف بتدرج كثافة الإلكترون وطول البلازما. يمكن أن يتسبب هذا في عدم تساوي كثافة الطاقة التي تصل إلى سطح المادة، وسوف تتغير تقلبات الطاقة جنبًا إلى جنب مع تقلبات البلازما.

كما هو موضح في الصورة أعلاه: البلازما تشبه العدسة، وتقع بين المادة والليزر. ستؤدي طرق النفخ المختلفة إلى تأثيرات لحام مختلفة: النفخ الجانبي قد لا ينفخ البلازما، والنفخ المباشر أفضل.

1.6 امتصاص ضوء الليزر بواسطة البلازما

يؤدي امتصاص البلازما لطاقة الليزر إلى زيادة درجة حرارتها ودرجة التأين بشكل مستمر. يمكن تقسيم عملية الامتصاص إلى امتصاص طبيعي وامتصاص غير طبيعي.

يشير الامتصاص الطبيعي، المعروف أيضًا باسم الامتصاص العكسي، إلى الحالة التي يتم فيها إثارة الإلكترونات بواسطة المجال الكهربائي لليزر وتخضع لتذبذبات عالية التردد. وهي تتصادم مع الجسيمات المحيطة (الأيونات بشكل رئيسي)، وتنقل الطاقة إلى بعضها البعض، وبالتالي تزيد من درجة حرارة وتأين البلازما.

يشير الامتصاص الشاذ إلى عملية يتم فيها تحويل طاقة الليزر إلى طاقة موجة بلازما من خلال سلسلة من آليات عدم الاصطدام، ثم تحويلها إلى طاقة بلازما حرارية من خلال آليات تبديد مختلفة، والتي يتم بعد ذلك نقلها إلى الهواء وتبددها.

ونظرًا لتأثير البلازما الامتصاصي على الليزر، فإن جزءًا فقط من طاقة الليزر الساقطة يمكنه اختراق البلازما والوصول إلى سطح قطعة العمل. وهذا يزيد من فقدان نقل الطاقة في المسار البصري الخارجي (من الليزر QBH إلى سطح المادة)، ويقلل من كثافة طاقة الليزر، ويقلل من معدل الامتصاص الإجمالي. إذا كانت النافذة عند الحد العلوي، فيمكن أن تؤدي بسهولة إلى اللحام الزائف، خاصة في المواد عالية الانعكاس (مثل الألومنيوم والنحاس).

1.7 قمع تأثير البلازما

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

كثافة طاقة الليزر:

كلما زادت كثافة الطاقة، ارتفعت درجة حرارة البلازما، مما يعني زيادة كثافة الإلكترون في البلازما. كلما زادت كثافة الإلكترون، قل معامل الانكسار، وبالتالي تعزيز تأثير العدسة السلبي.

الطول الموجي لليزر: العلاقة بين الطول الموجي والتردد الزاوي هي ω = 2πc/ (حيث c هي سرعة الضوء، و  هو الطول الموجي). كلما زاد الطول الموجي لليزر، قل التردد الزاوي ومؤشر الانكسار، وبالتالي يكون تأثير العدسة السلبي أكثر وضوحًا. اللحام على الموجات القصيرة (الضوء الأزرق، الضوء الأخضر) له مزايا وهو أكثر استقرارًا نسبيًا.

نوع الغاز الواقي: تحت نفس درجة الحرارة، تكون درجة تأين الأرجون أكبر، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الإلكترون ومؤشر انكسار أصغر، مما يجعل تأثير العدسة السلبية أكثر وضوحًا. وبالمقارنة، فإن التأثير الوقائي لغاز الهيليوم أفضل.

تدفق الغاز الوقائي: زيادة معدل تدفق الغاز ضمن نطاق معين يمكن أن يؤدي إلى إبعاد سحابة البلازما فوق البركة المنصهرة، وبالتالي تقليل تأثير العدسة السلبية للبلازما.

المواد المراد لحامها: بشكل عام، لا يوجد خيار. عندما تكون نقطة انصهار المادة المراد لحامها منخفضة وسهلة التأين، تزداد كثافة عدد الإلكترونات في البلازما، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تأثير العدسة السلبية. إذا كان هذا الاحتمال هو أن الليزر له تأثير أكبر، فيجب النظر في معالجة شعاع آخر عالي الطاقة مثل أشعة الإلكترون.

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

الطول الموجي لليزر: تتناسب قيمة الاشتعال وعتبة الصيانة للبلازما مع مربع الطول الموجي. تتميز أشعة الليزر قصيرة الموجة (الضوء الأزرق، الضوء الأخضر) بأوقات صيانة قصيرة للبلازما وستكون العملية أكثر استقرارًا؛

كثافة طاقة الليزر: تزداد درجة حرارة الإلكترون وكثافة البلازما مع زيادة كثافة طاقة الليزر، كثافة الطاقة المفرطة هي السبب الرئيسي لعدم استقرار البلازما (يمكن تحقيق مصدر الحرارة المركب (البقعة الحلقية، مركب أشباه الموصلات الليفية، مركب قوس الليزر) التحكم في توزيع الطاقة بمصدر الحرارة بالمقارنة مع اللحام بالليزر ذو الألياف الواحدة، فإن تأثير البلازما له تأثير أقل على عملية اللحام.

حجم البقعة: كلما كان قطر البقعة أصغر، زادت قيمة اشتعال البلازما وقيمة الصيانة (يمكن تجنب اللحام المتذبذب)؛

خصائص المواد: كثافة المادة وطاقة التأين لها تأثير كبير على البلازما. كلما انخفضت طاقة التأين وارتفعت انعكاسية المعدن، كلما كان أكثر عرضة لتأثير البلازما التي تؤثر على استقرار لحام الاختراق العميق؛

الغاز المحيط والضغط: من المعتقد عمومًا أن الغازات ذات الموصلية الحرارية الجيدة وطاقة التأين العالية لها قيمة اشتعال بلازما عالية وعتبة صيانة. كلما انخفض ضغط الهواء المحيط، انخفضت درجة حرارة الإلكترون وكثافة الإلكترون وارتفاع مركز البلازما. في ظل ظروف الفراغ والضغط السلبي، يكون اللحام بالاختراق العميق بالليزر أكثر استقرارًا من الضغط العادي؛

تدفق الغاز: مع زيادة معدل تدفق الغاز المحيط، سينخفض ​​حجم البلازما، مما يقلل من معدل امتصاص الليزر، والذي يمكن أن يقلل بشكل فعال من تأثير البلازما على عملية اللحام بالاختراق العميق، ومع ذلك، الهواء الزائد سيؤدي التدفق إلى تقلبات السطح في حوض اللحام وتناثر المعدن المنصهر، بالإضافة إلى الشقوق وعيوب خشونة السطح الناتجة عن تبديد الحرارة المفرط.

سرعة اللحام: تزداد درجة حرارة البلازما الأساسية مع انخفاض سرعة اللحام. كلما انخفضت سرعة اللحام، أصبح توليد البلازما أسهل وأكثر عدم استقرارها. إلى حد ما، يمكن أن تؤدي زيادة السرعة أيضًا إلى تحسين استقرار عملية اللحام.

التحكم في البلازما عن طريق تغيير بعض العوامل المذكورة أعلاه لتقليل أو إزالة تداخلها مع الليزر

وتشمل طرق التحكم ما يلي:

اللحام المتأرجح: يتأرجح رأس المعالجة بالليزر ذهابًا وإيابًا على طول اتجاه اللحام. بعد ظهور ثقب المفتاح وقبل أن تتشكل البلازما، يتم نقل بقعة الضوء على الفور إلى الحافة الخلفية لحوض اللحام أو إلى مكان آخر لتجنب تأثير البلازما على مسار نقل الضوء.

اللحام بالليزر النبضي: ضبط نبض وتردد الليزر لجعل زمن تشعيع الليزر أقل من زمن تكوين البلازما. وهذا يضمن وصول الليزر دائمًا خلال مرحلة التشتت من دورة تكوين البلازما وتبديدها، مما يؤدي إلى تجنب تداخل البلازما في انتقال الضوء.

اللحام بالضغط المنخفض: باستخدام اللحام بالضغط المنخفض، عندما يكون الضغط أقل من مستوى معين، تكون كثافة بخار المعدن على سطح المادة وداخل ثقب المفتاح صغيرة، وتختفي البلازما.

ضربة الغاز الواقي:

الأول هو استخدام الغاز المساعد لتفجير البلازما؛

هناك طريقة أخرى وهي قمع تأين الغازات البيئية وضغط بخار أيون المعدن باستخدام غاز ذي موصلية حرارية جيدة وطاقة تأين عالية. يمكن استخدام فوهة مزدوجة الطبقة متحدة المحور مع الضربة الرئيسية. تشكل الفوهة الخارجية زاوية معينة مع الاتجاه الأفقي. يتم استخدام المكون الشعاعي لتدفق الهواء من الطبقة الخارجية لنفخ البلازما حولها. ويمكن أيضًا استخدام فوهة أنبوبية مستقيمة لتوجيه البلازما ونفخ الهواء بشكل جانبي في اتجاه اللحام. لديها متطلبات صارمة لدقة تحديد موضع فوهة النفخ الجانبية والتحكم في تدفق الهواء. من بين العديد من طرق التحكم، يعد التحكم في البلازما من خلال تدفق الهواء أمرًا مرنًا وبسيطًا نسبيًا. ولذلك، فإن غاز التدريع بالنفخ الجانبي هو طريقة تستخدم على نطاق واسع في لحام الاختراق العميق بالليزر.

يخرج الليزر ويشع سطح المادة ويولد البلازما. عندما تكون كثافة البلازما المستحثة بالصور عالية جدًا، فإنها ستزيد بشكل كبير من فقدان طاقة الليزر، مما يضعف كثافة الطاقة الحادثة على سطح قطعة العمل. تنخفض كمية البخار المعدني المنتج، وتختفي البلازما تدريجيًا. في هذا الوقت، يمكن تشعيع الليزر مباشرة على سطح قطعة العمل، مما يؤدي إلى تجديد كمية كبيرة من البخار المعدني، وتزداد كثافة البلازما تدريجيًا، مما يحمي الليزر الساقط. مرة أخرى.وتظل شدة البلازما في عملية تغيير دورية. من خلال التحليل الطيفي وتسجيل الفيديو عالي السرعة، لوحظ أن تردد تذبذبات شدة البلازما يبلغ حوالي بضع مئات من الهرتز. يمكن أن يؤدي هذا أيضًا إلى تقلبات مسننة دورية في اللحام بالليزر، خاصة في لحام الصفائح الرقيقة (تعديل الليزر باستخدام CW هو اتجاه لمعالجة هذه المشكلات).