كيف يعمل اللحام بالليزر؟

الفيزياء الأساسية: كيف تُكوّن طاقة الليزر لبسةً

امتصاص الطاقة، عتبات الانصهار، والاستجابة الحرارية للمواد

عندما يبدأ اللحام بالليزر، ترتطم تلك الفوتونات الشديدة بسطح المعدن وتنقل طاقتها إلى الإلكترونات الموجودة داخله. في البداية، لا تمتص المعادن الكثير من هذا الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، حيث تعكس فعليًا ما بين 50 إلى 90 بالمئة منه. لكن الأمور تتغير بشكل كبير عندما يبدأ الانصهار عند حوالي 1500 درجة مئوية في المواد الفولاذية. فتزيد قدرة امتصاص الطاقة بنحو عشر مرات خلال هذه المرحلة الانتقالية. ويعتمد حدوث كل ذلك بشكل كبير على كثافة القدرة. فمعظم سبائك الهندسة تبدأ بالانصهار بشكل موثوق عند التعرض لأكثر من مليون واط لكل سنتيمتر مربع. كما تلعب التوصيلية الحرارية دورًا كبيرًا أيضًا في تحديد كمية الطاقة المطلوبة. فخذ النحاس على سبيل المثال، الذي تبلغ توصيليته الحرارية 401 واط لكل متر كلفن، مقارنة بـ 22 واط لكل متر كلفن للتيتانيوم فقط. وهذا يعني أن النحاس يحتاج إلى طاقة تقارب ثلاثة أضعاف للحصول على أعماق انصهار مماثلة. ويستلزم الحفاظ على جودة اللحام ضبطًا دقيقًا للحرارة. فإذا تجاوزت درجات الحرارة القصوى 80 بالمئة من القيمة اللازمة لتبخير المادة، تنشأ مشكلات ناتجة عن التمدد البخاري المفرط، مما يؤدي إلى تكون مسامية غير مرغوب فيها في المنتج النهائي.

وضعية التوصيل مقابل وضعية المفتاح: متى وأسباب حدوث كل منهما

إن اختيار وضعية اللحام يعكس مفاضلة جوهرية بين التحكم والاختراق:

في لحام وضع التوصيل، ينتشر الحرارة جانبيًا خلال المادة، مما يجعله مناسبًا جدًا لإغلاق صناديق البطاريات حيث نحتاج إلى الحفاظ على إدخال حراري منخفض. وعندما تزداد الشدة، ننتقل إلى وضع الحفرة المفتاحية بدلًا من ذلك. فبالتالي يؤدي ضغط البخار إلى حفر ثقب مؤقت في المعدن، ما يسمح لشعاع الليزر بالاختراق أعمق داخل القطعة المراد معالجتها. يمكن لهذه الطريقة التعامل مع لحامات تمريرة واحدة حتى في الفولاذ السميك المستخدم في بناء السفن وبسماكة تصل إلى حوالي 15 مم، رغم أن المشغلين يجب أن يراقبوا معاييرهم بدقة. إن موقع الشعاع مهم جدًا، وكذلك مستويات القدرة وسرعة تحريك الشعلة. وإذا انهارت الحفرة المفتاحية أثناء اللحام، وهي حالة تحدث بشكل مفاجئ في كثير من الأحيان في البيئات الصناعية، فإنها تُنتج تلك المسام المزعجة التي تضعف المنتج النهائي وتستدعي إعادة العمل.

المكونات الرئيسية لجهاز لحام الليزر

مصدر الليزر الليفي: الضخ، الوسيط المكبر، وتوليد الشعاع

تُنشئ أشعة الليزر الليفية ضوءًا ساطعًا ومتماسكًا عندما تضخ ديودات شبه موصلة أليافًا بصرية خاصة تحتوي على مواد أرضية نادرة. ويتضمن هذا العملية انبعاثًا محفَّزًا داخل هذه الوسائط المربحة، ما يؤدي إلى شعاع ليزر مستقر يبلغ طوله نحو 1060 إلى 1080 نانومترًا. ويتوافق نطاق الطول الموجي هذا مع النطاق الذي تمتص فيه معظم المعادن الطاقة بأفضل شكل، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الصناعية. كما أن جودة الشعاع تُعد من الأمور المهمة جدًا. فعند قياسها بقيم M² أقل من 1.1، تعني الجودة الأعلى للشعاع إمكانية تركيز الليزر على بقع أصغر وتحقيق اختراق أعمق في المواد أثناء عمليات القطع أو اللحام. ولا يمكن للمصنّعين أيضًا تجاهل التحكم الحراري. إذ إذا ارتفعت درجة الحرارة بشكل كبير، تنخفض القدرة الخارجة بشكل ملحوظ — حوالي 15% لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية عن الحد المصمَّم لها وفقًا لبحث نُشر في مجلة معالجة المواد العام الماضي.

نقل الشعاع، العدسات البصرية للتركيز، والتحكم في كثافة القدرة

تتحرك أشعة الليزر عبر ألياف بصرية مرنة لتصل إلى مكونات التوصيل المختلفة مثل النوافذ الواقية، والمحاور، وماسحات الجالفانومتر، والعدسات الخاصة من نوع F-theta التي تساعد في تشكيل الشعاع وتركيزه على بقع لا تتعدى 20 ميكرومترًا. عند العمل في وضع الثقب المفتاحي (keyhole mode)، تولد هذه الليزرات كثافة طاقة تزيد عن مليون واط لكل سنتيمتر مربع، ما يعني أن المواد تتبخر تقريبًا فورًا. وتُعدّ تعديلات طريقة تركيز الليزر أو استخدام تقنيات مثل التذبذب الدائري من العوامل التي تساعد في الحفاظ على استقرار بركة المصهور أثناء اللحام وتقلل من التناثر غير المرغوب فيه. على سبيل المثال، تعديل البعد البؤري: إن تقصيره يزيد من كثافة الطاقة بنسبة تقارب 40 بالمئة، لكنه يؤدي إلى تحملات أكثر ضيقًا بالنسبة لعمق التركيز. وهذا يتطلب أنظمة تحكم حركي دقيقة جدًا للحفاظ على جودة لحام جيدة عبر أجزاء مختلفة.

عملية تكوين اللحام: من الإضاءة إلى الوصلة الصلبة

ديناميكية بركة المصهور، واستقرار الثقب المفتاحي، وبنيان التجمد المجهرية

عندما يصطدم شعاع الليزر بالمادة، فإنه يسخّن المنطقة بسرعة تتجاوز نقطة انصهارها، مما يُكوّن بركة منصهرة تتصرف بشكل مختلف حسب وضعية اللحام. في لحام الثقب المفتاحي، يخلق ضغط البخار ثقبًا عميقًا وضيقًا أحيانًا يصل عمقه إلى 25 مم. إن استقرار هذا التجويف مهم جدًا فيما يتعلق بالعيوب، لأنه عند انهياره بشكل كبير يمكن أن يحدث اضطراب يؤدي إلى تشكل فراغات في حوالي 12% من لحامات الإنتاج وفقًا للبحث المنشور في مجلة معالجة المواد (Journal of Materials Processing) العام الماضي. أما لحام الانتقال الحراري فيؤدي إلى برك أكثر سطحية تبقى نسبيًا هادئة دون حركة سائلة كبيرة. وعند تحرك الليزر على طول المعدن، يبدأ التصلب فورًا تقريبًا نظرًا لأن التبريد يحدث بمعدلات تفوق مليون درجة في الثانية. ويُحسّن هذا التبريد السريع جدًا تركيب الحبيبات ويقلل من المركبات البينمعدنية الهشة التي تضعف الوصلات. تُظهر الاختبارات أن هذا يجعل الأجزاء الملحومة أكثر مرونة بنسبة 30% تقريبًا مقارنة بتلك المصنوعة باستخدام طرق اللحام القوسية التقليدية. تعتمد النتائج الجيدة بشكل كبير على التحكم في كل من شكل الثقب المفتاحي ومدى سرعة التبريد، ولهذا السبب فإن وجود نظام لحام ليزري مهيأ بشكل صحيح يصنع فرقًا كبيرًا في ما إذا كنا سنحصل على حبيبات متجانسة جيدة أو هياكل شجرية مشكلة تركز الإجهاد.

لماذا تُحقق اللحام بالليزر الدقة والأداء العالي

تُحقق لحامات الليزر دقة عالية جدًا لأنها تُركّز الضوء المتماسك هذا على بقع صغيرة للغاية، أحيانًا أقل من 0.1 مم عرضًا، وتُبقي انتشار الشعاع أقل من 0.1 درجة. ما يحدث نتيجة لذلك هو إنتاج كثافة طاقة تفوق 1 ميغاواط لكل سنتيمتر مربع، مما يسمح بذوبان المواد بسرعة في الأماكن المطلوبة مع الحفاظ على منطقة التأثر الحراري صغيرة جدًا، حوالي نصف ملليمتر مقارنةً بـ 5 إلى 15 مم عند استخدام أساليب اللحام القوسي التقليدية. ما النتيجة النهائية؟ تبقى القطع شبه غير مشوهة، وتظل خصائص المعدن الأصلية سليمة، ويمكن التعامل حتى مع سبائك صعبة مثل الألومنيوم-الليثيوم أو النايتنول دون مشاكل. أما الأنظمة الحديثة فتمتلك الآن ميزات رائعة مثل تذبذب الشعاع وتشكيل النبضات التي تتحكم فعليًا في كيفية تدفق المعدن المنصهر والتصلب أثناء العملية. وعند دمجها مع الذراع الروبوتية، يمكن لأجهزة لحام الليزر إنتاج وصلات متسقة وقوية وبسرعات مذهلة تتجاوز 100 مم بالثانية، ما يجعلها أسرع بمرتين إلى عشر مرات من تقنيات اللحام TIG أو MIG. كما تتعامل هذه الأنظمة مع مختلف المواضع الصعبة ومجموعات المواد المختلفة أيضًا، مثل وصل النحاس بالألمنيوم مع إدارة دقيقة لتلك الطبقات البينمعدنية المزعجة. ويلاحظ المصنعون عبر قطاعات متعددة — بدءًا من مكونات الفضاء والطيران وصولاً إلى الأجهزة الطبية والمركبات الكهربائية — انخفاضًا في عدد القطع المرفوضة، واحتياجًا أقل للعمل النهائي، وتحسنًا عامًا في مؤشرات الإنتاجية.