موضوع خاص لتكنولوجيا اللحام بالليزر الحديثة —— اللحام بالليزر ذو الشعاع المزدوج

تم اقتراح طريقة اللحام المزدوج الشعاع، والتي تستخدم بشكل أساسي لتحسين القدرة على التكيف اللحام بالليزر لدقة التجميع، وزيادة استقرار عملية اللحام، وتحسين جودة اللحام، وخاصة لحام الصفائح الرقيقة وسبائك الألومنيوم.يمكن لحام الليزر ثنائي الشعاع فصل نفس النوع من الليزر إلى شعاعين منفصلين للحام باستخدام الطرق البصرية، أو يمكن استخدام نوعين مختلفين من الليزر للجمع. يمكن دمج ليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر Nd:YAG، وليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة مع بعضها البعض.من خلال تغيير طاقة العوارض، والمسافة بين العوارض، وحتى نمط توزيع الطاقة بين العوارض، يمكن تعديل مجال درجة حرارة اللحام بسهولة ومرونة. يؤدي هذا إلى تغيير وضع وجود الثقوب ونمط تدفق المعدن السائل في حوض اللحام، مما يوفر خيارًا أوسع للمساحة لعملية اللحام، وهو ما لا مثيل له في اللحام بالليزر أحادي الشعاع. لا يمتلك مزايا الاندماج العميق فقط سرعة ودقة عالية في اللحام بالليزر، ولكنها تتمتع أيضًا بقدرة كبيرة على التكيف مع المواد والمفاصل التي يصعب لحامها باستخدام اللحام بالليزر التقليدي.

1. مبدأ اللحام بالليزر ثنائي الشعاع

اللحام ثنائي الشعاع يعني استخدام ليزرين في وقت واحد أثناء عملية اللحام. إن ترتيب الشعاع، وتباعد الشعاع، والزاوية التي تشكلها الحزمتان، وموضع التركيز، ونسبة الطاقة للحزمتين كلها معلمات الإعداد ذات الصلة في اللحام بالليزر ثنائي الشعاع. عادة، أثناء عملية اللحام، هناك طريقتان للترتيب الحزم المزدوجة. كما هو موضح في الشكل، يجب ترتيبها في سلسلة على طول اتجاه اللحام. هذا التصميم يمكن أن يقلل من معدل التبريد لحوض اللحام ويقلل من ميل اللحام للتصلب وإنتاج المسامية. والآخر هو ترتيب أو عبور الحزم جنبًا إلى جنب على جانبي خط اللحام لزيادة القدرة على التكيف مع الفجوة الموجودة في خط اللحام.

بالنسبة لنظام اللحام بالليزر ثنائي الشعاع مع ترتيب تسلسلي، هناك ثلاث آليات لحام مختلفة حسب المسافة بين العارضتين.

1) في النوع الأول من آلية اللحام، تكون المسافة بين العوارض كبيرة نسبياً. تتمتع شعاع واحد بكثافة طاقة أعلى وتركز على سطح قطعة العمل لإنتاج ثقب المفتاح في اللحام; في حين أن الشعاع الآخر لديه كثافة طاقة أقل ويعمل فقط كمصدر للحرارة للمعالجة الحرارية قبل أو بعد اللحامتسمح آلية اللحام هذه بالتحكم في معدل تبريد حوض اللحام ضمن نطاق معين، مما يفضي إلى لحام المواد ذات الحساسية العالية للتشقق مثل الفولاذ عالي الكربون وسبائك الفولاذ، ويمكنه أيضًا تحسين صلابة لحام الشق.

2) في النوع الثاني من آلية اللحام، تكون المسافة بين النقاط المحورية للحزمتين صغيرة نسبيًا. تنتج العارضتان فتحتين منفصلتين في حوض لحام واحدمما يسبب تغييرا في نمط تدفق المعدن المنصهر. وهذا يساعد على منع العيوب مثل نتوء حبة اللحام والتقويض، وتحسين تشكيل التماس اللحام.

3) في النوع الثالث من آلية اللحام تكون المسافة بين العوارض صغيرة جدًا، وفي هذا الوقت، تنتج العارضتان نفس ثقب المفتاح في حوض اللحام. بالمقارنة مع اللحام بالليزر أحادي الشعاع، فإن حجم ثقب المفتاح هذا أكبر وأقل احتمالية للإغلاق، مما يجعل عملية اللحام أكثر استقرارًا، ويسهل تفريغ الغاز. وهذا مفيد في تقليل المسامية والتناثر وتحقيق وصلة لحام مستمرة وموحدة وجذابة.

أثناء عملية اللحام، يمكن أيضًا ضبط شعاعي الليزر بزاوية معينة لبعضهما البعض، وآلية اللحام الخاصة بها مشابهة لآلية اللحام المزدوج الشعاع المتوازي. أظهرت النتائج التجريبية أنه من خلال استخدام شعاعي ليزر OO عاليي الطاقة بزاوية 30 درجة لبعضهما البعض ومتباعدتين بمقدار 1 ~ 2 مم، يمكن تحقيق ثقب مفتاح على شكل قمع. ثقب المفتاح أكبر وأكثر استقرارًا، مما يمكنه تحسين جودة اللحام بشكل فعال. في التطبيقات الفعلية، يمكن تعديل مجموعات مختلفة من العارضتين وفقًا لظروف اللحام المختلفة لتحقيق عمليات لحام مختلفة.

2. طريقة تنفيذ اللحام بالليزر ثنائي الشعاع

يمكن الحصول على حزم مزدوجة من خلال الجمع بين شعاعي ليزر مختلفين، أو باستخدام نظام تقسيم الشعاع البصري لتقسيم شعاع ليزر واحد إلى شعاعين للحام. لفصل الشعاع إلى شعاعين مختلفين للطاقة، يتم استخدام ليزر متوازي أو مرآة تقسيم الشعاع أو ويمكن استخدام بعض الأنظمة البصرية الخاصة. تُظهر الصورة نوعين من مبادئ تقسيم الشعاع باستخدام عدسة التركيز كمقسم الشعاع.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام العاكس كمرآة لتقسيم الشعاع، حيث يعمل العاكس الأخير في المسار البصري كمرآة لتقسيم الشعاع. يُعرف هذا النوع من العاكسات أيضًا باسم عاكس التلال، وسطحه العاكس ليس مستويًا واحدًا ولكنه يتكون من مستويين. يقع الخط المتقاطع للسطحين العاكسين في منتصف المرآة، على شكل حافة، كما هو موضح في الشكل. يتم تسليط شعاع ضوئي متوازي على مقسم الشعاع وينعكس إلى شعاعين بواسطة مستويين مختلفين الزوايا. تضيء هذه الحزم مواضع مختلفة على عدسة التركيز، وبعد التركيز يتم الحصول على شعاعين بمسافة معينة على سطح قطعة الشغل. من خلال تغيير الزاوية بين السطحين العاكسين وموضع التلال، يمكن الحصول على أشعة ضوئية مقسمة للشعاع مع طرق تباعد بؤري وترتيب مختلفة.

عند استخدام نوعين مختلفين من أشعة الليزر لتشكيل شعاع مزدوج، هناك طرق دمج مختلفة. يمكن استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الجودة مع توزيع طاقة غاوسي في أعمال اللحام الأولية، بمساعدة ليزر أشباه الموصلات مع توزيع طاقة مستطيل لأعمال المعالجة الحرارية. تعتبر طريقة الدمج هذه اقتصادية من ناحية، ومن ناحية أخرى، يمكن تعديل قوة الحزمتين بشكل مستقل. بالنسبة لأشكال الوصلات المختلفة، يمكن الحصول على مجال درجة حرارة قابل للتعديل عن طريق ضبط موضع التداخل لليزر وليزر أشباه الموصلات، وهو مناسب جدًا للتحكم في عملية اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج ليزر YAG وليزر ثاني أكسيد الكربون في شعاع مزدوج للحام، ويمكن الجمع بين الليزر المستمر والليزر النبضي للحام، ويمكن أيضًا الجمع بين الشعاع المركز والشعاع غير المركز للحام.

3. مبدأ اللحام بالليزر ثنائي الشعاع

3.1 اللحام بالليزر ثنائي الشعاع للصفائح المجلفنة

تعتبر الألواح الفولاذية المجلفنة هي المادة الأكثر استخدامًا في صناعة السيارات. تبلغ درجة انصهار الفولاذ حوالي 1500 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة غليان الزنك 906 درجة مئوية فقط. لذلك، عند استخدام طريقة اللحام، عادة ما يتم توليد كمية كبيرة من بخار الزنك، مما يسبب عدم الاستقرار في عملية اللحام وتشكيل فتحات الهواء في خط اللحام. بالنسبة للمفاصل اللفة، فإن تطاير الطبقة المجلفنة لا يحدث فقط في الجزء العلوي والسفلي الأسطح السفلية، ولكن أيضًا على الواجهة المشتركة. أثناء عملية اللحام، يتناثر بخار الزنك بسرعة من سطح حمام السباحة المنصهر في بعض المناطق، بينما في مناطق أخرى يصعب على بخار الزنك الهروب من سطح حمام السباحة المنصهر، مما يؤدي إلى جودة لحام غير مستقرة للغاية.

يمكن أن يحل اللحام بالليزر ثنائي الشعاع مشكلات جودة اللحام الناتجة عن بخار الزنك. تتمثل إحدى الطرق في التحكم في وقت الوجود وسرعة التبريد للمسبح المنصهر من خلال مطابقة طاقة الحزمتين بشكل معقول، وهو أمر مفيد لهروب بخار الزنك؛ هناك طريقة أخرى تتمثل في إطلاق بخار الزنك من خلال معالجة ما قبل الحفر أو الحز. كما هو موضح في الشكل أدناه، يتم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون في اللحام، مع استخدام ليزر YAG على الجانب الأمامي من ليزر ثاني أكسيد الكربون للحفر أو قطع الأخاديد. توفر الثقوب أو الشقوق المعالجة مسبقًا طريقًا للهروب لبخار الزنك المتولد أثناء اللحام اللاحق، مما يمنعه من البقاء في حوض السباحة المنصهر وتشكيل العيوب.

3.2 اللحام بالليزر ثنائي الشعاع لسبائك الألومنيوم

نظرًا للخصائص الفريدة لمواد سبائك الألومنيوم، فإن اللحام بالليزر يمثل الصعوبات التالية: معدل امتصاص الليزر بواسطة سبائك الألومنيوم منخفض، مع معدل انعكاس أولي على سطح شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون يتجاوز 2%؛ أثناء اللحام، تكون طبقات اللحام بالليزر من سبائك الألومنيوم عرضة للمسامية والشقوق؛ هناك فقدان لعناصر السبائك أثناء عملية اللحام. عند استخدام اللحام بالليزر الفردي، من الصعب إنشاء ثقوب المفتاح، وليس من السهل الحفاظ على ثباتها. عند استخدام اللحام بالليزر ثنائي الشعاع، يمكن زيادة حجم ثقب المفتاح، مما يجعل من الصعب إغلاق ثقب المفتاح وتسهيل الغاز العادم. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يقلل من معدل التبريد، مما يقلل من حدوث المسام وشقوق اللحام. نظرًا لأن عملية اللحام أكثر استقرارًا وتقليل كمية التناثر، فإن تشكيل سطح اللحام الناتج عن اللحام المزدوج الشعاع لسبائك الألومنيوم يكون أيضًا أفضل بكثير من الشعاع الفردي. يوضح الشكل أدناه مظهر الوصلات التناكبية من سبائك الألومنيوم بسمك 90 مم والملحومة بشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون واحد وشعاعي ليزر.

تظهر الأبحاث أنه عند لحام سبائك الألومنيوم سلسلة 2 بسمك 5000 مم، تكون العملية مستقرة نسبيًا عندما تكون المسافة بين العارضتين 0.6 ~ 1.0 مم. تكون فتحة ثقب المفتاح الناتجة أكبر، مما يسهل تبخر وهروب عناصر المغنيسيوم أثناء عملية اللحام. إذا كانت المسافة بين الحزمتين صغيرة جدًا، فستكون العملية مشابهة لحام شعاع واحد ولن تكون مستقرة بسهولة؛ إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، فسوف يؤثر ذلك على عمق اختراق اللحام، كما هو موضح في الشكل أدناه. بالإضافة إلى ذلك، فإن نسبة الطاقة بين العارضتين لها أيضًا تأثير كبير على جودة اللحام. عندما يتم ترتيب عارضتين في سلسلة للحام على مسافة 0.9 مم، فمن المفيد زيادة طاقة العارضة السابقة بشكل مناسب، مما يجعل نسبة الطاقة للعارضتين أكبر من 1:1. يساعد هذا على تحسين جودة اللحام، وتوسيع منطقة الذوبان، مع تحقيق لحام سلس وممتع من الناحية الجمالية حتى عند سرعات اللحام الأعلى.

3.3 اللحام المزدوج للألواح ذات السماكة غير المتساوية

في الإنتاج الصناعي، غالبًا ما يكون من الضروري لحام صفائح معدنية أو أكثر بسماكات وأشكال مختلفة معًا لصنع صفائح مقسمة. أصبح تطبيق الألواح المقسمة أكثر انتشارًا، خاصة في صناعة السيارات.
ومن خلال لحام صفائح ذات مواصفات مختلفة أو طبقات سطحية أو أداء مختلف، يمكن زيادة القوة وتقليل الاستهلاك وتقليل الوزن. في لحام الألواح الربطية، عادةً ما يتم استخدام اللحام بالليزر للألواح ذات السماكات المختلفة. تتمثل إحدى القضايا الرئيسية في ضرورة تصنيع قطع العمل مسبقًا ليتم لحامها بحواف دقيقة للغاية، وضمان التجميع عالي الدقة. إن استخدام اللحام المزدوج للألواح ذات السماكة غير المتساوية يمكن أن يتكيف مع الفجوات المختلفة وأجزاء الإرساء والسمك النسبي والمواد اختلافات الأوراق. يمكنها لحام صفائح ذات تفاوتات أكبر في الحواف والفجوات، مما يحسن سرعة اللحام وجودة اللحام.

يمكن تقسيم معلمات العملية الرئيسية للحام العارضة المزدوجة للألواح ذات السماكة غير المتساوية إلى معلمات لحام ومعلمات اللوحة، كما هو موضح في الشكل. تتضمن معلمات اللحام قوة الليزرين، وسرعة اللحام، وموضع النقطة البؤرية، وزاوية رأس اللحام، وزاوية دوران الشعاع للحزم المزدوجة على الوصلة التناكبية، وانحراف اللحام. تتضمن معلمات اللوحة أبعاد المادة والأداء وتشذيب الحواف وفجوة اللوحة. يمكن تعديل قوة الليزرين بشكل منفصل وفقًا لأغراض اللحام المختلفة.
بشكل عام، يمكن تحقيق عملية لحام مستقرة وفعالة عندما تكون نقطة التركيز على سطح اللوحة الرقيقة. عادة ما يتم اختيار زاوية رأس اللحام لتكون حوالي 6 درجات. إذا كان سمك اللوحتين كبيرًا جدًا، فيمكن اعتماد زاوية رأس اللحام الإيجابية، أي أن الليزر يميل نحو اللوحة الرفيعة كما هو موضح في الشكل. عندما يكون سمك اللوحة صغيرًا نسبيًا، يمكن استخدام زاوية رأس اللحام السلبية. يتم تعريف انحراف اللحام على أنه المسافة بين نقطة بؤرة الليزر وحافة اللوحة السميكة. من خلال ضبط انحراف اللحام، يمكن تقليل تقعر اللحام لتحقيق مقطع عرضي جيد للحام.

عند لحام الألواح ذات الفجوات الكبيرة، يمكن زيادة قطر تسخين الشعاع الفعال لتحقيق قدرة جيدة على ملء الفجوة عن طريق تدوير زاوية الشعاع المزدوج. يتم تحديد عرض الجزء العلوي من خط اللحام من خلال قطر الشعاع الفعال لليزرين، أي يتم تحديده بواسطة زاوية دوران الشعاع. كلما كانت زاوية الدوران أكبر، كان نطاق تسخين الشعاع المزدوج أوسع، وكان العرض العلوي لدرزة اللحام أوسع. يلعب الليزران أدوارًا مختلفة أثناء عملية اللحام؛ أحدهما يستخدم بشكل أساسي لاختراق المفصل، والآخر يستخدم بشكل أساسي لصهر مادة اللوحة السميكة لملء الفجوة. كما هو موضح في الشكل أدناه، تحت زاوية دوران شعاع موجبة (تعمل الحزمة الأمامية على اللوحة السميكة، وتعمل الحزمة الخلفية على خط التماس)، وتصطدم الحزمة الأمامية باللوحة السميكة، وتسخن وتذوب المادة، وما يلي شعاع الليزر ينتج الاختراق. يمكن لشعاع الليزر الأول في المقدمة أن يذيب اللوحة السميكة جزئيًا فقط، ولكنه يساهم بشكل كبير في عملية اللحام لأنه لا يذيب جانب اللوحة السميكة من أجل ملء الفجوة بشكل أفضل فحسب، بل أيضًا قبل يربط مادة المفصل، مما يسهل على الشعاع التالي اختراق المفصل، وبالتالي تحسين سرعة اللحام. في لحام الشعاع المزدوج بزاوية دوران سلبية (يعمل الشعاع الأمامي على خط اللحام، يعمل الشعاع الخلفي على التماس السميك لوحة)، أدوار الحزمتين متقابلتان تمامًا. تخترق الحزمة الأمامية المفصل، وتقوم الحزمة الخلفية بإذابة اللوحة السميكة لملء الفجوة.

في هذه الحالة، يجب أن تخترق الحزمة الأمامية اللوحة الباردة، وتكون سرعة اللحام أقل من تلك مع زاوية دوران الحزمة الإيجابية. ونظرًا لتأثير التسخين المسبق للشعاع الأمامي، فإن الشعاع التالي سوف يذيب المزيد من مادة اللوحة السميكة بنفس الطاقة. في هذه الحالة، يجب تقليل قوة شعاع الليزر الثاني بشكل مناسب. بالمقارنة، اعتماد زاوية دوران الحزمة الإيجابية يمكن أن يزيد بشكل مناسب من سرعة اللحام، في حين اعتماد زاوية دوران الحزمة السلبية يمكن أن يحقق ملء أفضل للفجوة. الصورة التالية توضح تأثيرات زوايا دوران الحزمة المختلفة على المقطع العرضي لدرزة اللحام.

3.4 اللحام بالليزر ثنائي الشعاع للألواح السميكة

مع تحسين مستويات طاقة الليزر وجودة الشعاع، أصبح استخدام اللحام بالليزر للألواح السميكة حقيقة واقعة. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة أجهزة الليزر عالية الطاقة، والحاجة العامة لملء المعادن في لحام الألواح السميكة، هناك بعض القيود في الإنتاج الفعلي. إن استخدام تقنية اللحام بالليزر ثنائي الشعاع لا يعمل على تحسين قوة الليزر فحسب، بل يزيد أيضًا من قوة الليزر. قطر تسخين الشعاع الفعال، يعزز القدرة على إذابة سلك الحشو، ويثبت ثقب مفتاح الليزر، مما يحسن استقرار اللحام وبالتالي تحسين جودة اللحام.