ما هي المواد التي يمكن لماكينة اللحام بالليزر لحامها؟

تشتهر آلات اللحام بالليزر بدقتها و سرعتها وتنوعها ، مما يجعلها قادرة على ربط مجموعة متنوعة من المواد. والإجابة المباشرة على السؤال: يمكن لأجهزة اللحام بالليزر اللحام الفعال لمعظم المعادن والسبائك ، وأنواع معينة من البلاستيك ، وحتى مجموعات من المواد غير المتشابهة.

تسمح الكثافة العالية للطاقة والتحكم الدقيق الذي توفره أشعة الليزر بالربط بين المواد التي قد يكون من الصعب أو المستحيل لحامها باستخدام الطرق التقليدية. وفيما يلي ، نستكشف المواد والعمليات والتطبيقات والاعتبارات الأساسية لللحام بالليزر.

المواد التي يتم لحامها عادة بالليزر

المعادن والسبائك:

يتميز اللحام بالليزر بالمواد المعدنية ، بما في ذلك:

• الفولاذ المقاوم للصدأ: تُلحم العديد من الدرجات بسهولة ، مما ينتج عنه وصلات قوية وعالية الجودة تُستخدم غالبًا في التطبيقات الطبية والغذائية والفضائية.
• الفولاذ الكربوني: يمكن لحام كل من الفولاذ الكربوني المنخفض والعالي ، على الرغم من أن الأنواع عالية الكربون قد تتطلب تسخينًا مسبقًا أو لاحقًا لمنع التشقق.
• سبائك الألومنيوم: على الرغم من أنها تمثل تحديًا نظرًا لعكس الضوء العالي والموصلية الحرارية العالية ، إلا أن الليزر (خاصة ألياف الليزر) يلحق العديد من سبائك الألومنيوم بكفاءة ، وهو أمر بالغ الأهمية في صناعة السيارات والفضاء.
• سبائك التيتانيوم: مثالية لللحام بالليزر نظرًا لتفاعلها. تنتج العملية ، التي غالبًا ما تتم باستخدام درع غاز خامل ، لحامات قوية ونظيفة للتطبيقات في الفضاء ، والغرسات الطبية ، والمعالجة الكيميائية.
• سبائك النحاس: على غرار الألومنيوم ، تشكل انعكاسية النحاس العالية وموصليةه تحديات ، لكن المعلمات والتقنيات الخاصة بالليزر تمكن من اللحام الناجح ، وهو أمر حيوي للإلكترونيات والمكونات الكهربائية.
• سبائك النيكل (مثل Inconel و Hastelloy): تُعد هذه السبائك عالية الأداء المستخدمة في البيئات القاسية (درجة الحرارة ، التآكل) مناسبة تمامًا لللحام بالليزر.
• المعادن الثمينة: يمكن لحام الذهب والفضة والبلاتين بدقة مع الحد الأدنى من مدخلات الحرارة ، وهو أمر ضروري لصنع المجوهرات وإصلاحها.

البلاستيك:

اللحام بالليزر غير مناسب لجميع أنواع البلاستيك ، ولكنه يعمل بشكل جيد جدًا لأنواع معينة المواد البلاستيكية الحرارية الطريقة الأكثر شيوعًا هي لحام الليزر بالتوصيل حيث تكون طبقة بلاستيكية واحدة شفافة لطول موجي ليزر ، والطبقة الأساسية ماصة. يمر الليزر عبر الطبقة العلوية ، ويسخن الطبقة الماصة عند الواجهة ، ويذيب كلتا المادتين معًا. وتشمل الأمثلة الشائعة:

• بولي كربونات (PC)
• أكريليك (PMMA)
• بوليبروبيلين (PP)
• بولياميد (PA)
• ABS

المواد غير المتشابهة:

إحدى المزايا المهمة لللحام بالليزر هي قدرته على ربط بعض المواد غير المتشابهة ، على الرغم من أن التحكم الدقيق في المعلمات وفهم علم المعادن ضروريان. وتشمل الأمثلة:

• نحاس إلى الفولاذ المقاوم للصدأ
• فولاذ إلى سبائك النيكل
• بعض المعادن إلى مواد بلاستيكية محددة (أقل شيوعًا ، تقنيات متخصصة)

عمليات وتقنيات اللحام بالليزر

اللحام بالليزر ليس تقنية واحدة فقط ، بل يشمل عدة طرق اعتمادًا على كثافة الطاقة المطلوبة والنتيجة المرجوة:

• لحام الوضع التوصيلي: يستخدم كثافة طاقة منخفضة. يسخن شعاع الليزر سطح المادة فوق نقطة انصهارها ، ولكن دون التبخر. ينتقل الحرارة إلى المادة ، مما يخلق لحامًا واسعًا وضحلًا ، وغالبًا ما يكون له سطح أملس. وهو جيد للحامات الجمالية أو ربط المواد الرقيقة حيث لا يُعد الاختراق الهدف الأساسي.
• لحام وضع الثقب المفتاحي (اختراق عميق): يستخدم كثافة طاقة عالية. يسخن شعاع الليزر سطح المادة بسرعة إلى نقطة تبخيرها ، مما يخلق تجويفًا (ثقب مفتاحي) مملوءًا ببخر معدني (بلازما). يسمح هذا الثقب المفتاحي لطاقة الليزر باختراق المادة بعمق أثناء تحرك الشعاع ، مما يؤدي إلى لحامات ضيقة وعميقة ذات نسب أبعاد عالية. مثالي لربط المقاطع السميكة أو تحقيق روابط هيكلية قوية.
• لحام القوس الهجين بالليزر (HLAW): يجمع بين اللحام بالليزر وعملية اللحام بالقوس (مثل MIG / GMAW أو TIG / GTAW). هذا يستفيد من الاختراق العميق للليزر وقدرات جسر الفجوة أو إضافة معدن حشو اللحام بالقوس ، مما يؤدي غالبًا إلى سرعات أسرع وتحسين التحمل لتغيرات ملاءمة المفصل.

التطبيقات والصناعات

تؤدي تنوع اللحام بالليزر إلى استخدامه في العديد من المجالات:

• صناعة السيارات: ألواح الهيكل ، مكونات الهيكل ، أجزاء نظام الدفع ، أغلفة ووصلات بطاريات السيارات الكهربائية ، أكياس الهواء.
• صناعة الفضاء: مكونات المحرك ، العناصر الهيكلية ، مجموعات أجهزة الاستشعار.
• الأجهزة الطبية: الأدوات الجراحية ، أجهزة تنظيم ضربات القلب ، الأجهزة القابلة للزرع (أغطية التيتانيوم) ، مكونات معدات التشخيص.
• الإلكترونيات: لحام البطاريات ، أغطية أجهزة الاستشعار ، ربط مكونات الإلكترونيات الدقيقة ، دبابيس الموصلات.
• الأدوات والموت: إصلاح القوالب والأدوات بدقة عالية.
• المجوهرات: إصلاح السلاسل ، تغيير حجم الخواتم ، ربط المكونات المعقدة.
• التصنيع العام: ربط صفائح معدنية وأنابيب ومكونات مختلفة تتطلب دقة وسرعة عالية.

المواد الاستهلاكية الشائعة (أجزاء التآكل) في اللحام بالليزر

في حين أن مصادر الليزر نفسها متينة ، إلا أن بعض المكونات في نظام توصيل الشعاع هي مواد استهلاكية تتطلب فحصًا دوريًا واستبدالًا:

• عدسة واقية / زجاج غطاء:

  • وظيفة: هذه هي المادة الاستهلاكية الأكثر شيوعًا. إنها نافذة بصرية شفافة موضوعة قبل البصريات البؤرية مباشرة ، لحمايتها من الرذاذ والأبخرة والحطام المتولد أثناء اللحام.
  • حاجة الاستبدال: يتسخ، ويصبح غائماً، ومحجراً، أو متصدعاً بمرور الوقت بسبب التصاق البقع أو امتصاص الحرارة. تقلل العدسة الواقية التالفة أو المتسخة من توصيل طاقة الليزر، وتؤثر على جودة اللحام، وقد تؤدي إلى فشل كارثي للعدسة البؤرية باهظة الثمن.
  • كيفية الاستبدال: اتبع تعليمات الشركة المصنعة بعناية. عادةً ما يتضمن ذلك إيقاف الليزر، والوصول إلى رأس القطع، وإزالة حامل العدسة / خرطوشة القديم بعناية، وتنظيف المنطقة، ووضع العدسة الجديدة (التعامل معها من الحواف فقط، وارتداء القفازات في كثير من الأحيان)، وتأمينها بشكل صحيح.

• الفوهة:

  • وظيفة: توجه تدفق غاز الحماية بشكل محوري أو جانبي إلى منطقة اللحام، وحماية تجمع المصهور من الغلاف الجوي. يؤثر حجم و شكل فتحتها على ديناميكيات تدفق الغاز.
  • حاجة الاستبدال: يمكن أن تصبح مسدودة بالبقع، أو مشوهة بالحرارة أو الاصطدامات الطفيفة، أو مستهلكة، مما يؤثر على تغطية الغاز وربما يتداخل مع شعاع الليزر.
  • كيفية الاستبدال: عادة ما يكون الأمر بسيطاً - قم بفك الفوهة القديمة، وتحقق من خيوطها وسطح جلوسها من حيث النظافة، و قم بتركيب واحدة جديدة. تأكد من استخدام النوع والحجم الصحيحين للتطبيق.

غازات الحماية المستخدمة في لحام الليزر

غازات الحماية ضرورية في معظم تطبيقات لحام الليزر لحماية تجمع اللحام المنصهر ومنطقة التأثر الحراري المحيطة من الأكسجين والنيتروجين الجويين، مما قد يتسبب في المسامية، والهشاشة، وضعف جودة اللحام. تشمل الغازات الشائعة:

• الأرجون (Ar): غاز خامل، يستخدم على نطاق واسع للعديد من المواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والتيتانيوم، والألمنيوم. يوفر تغطية حماية جيدة بسبب كثافته وهو فعال من حيث التكلفة نسبياً.
• الهيليوم (He): غاز خامل آخر. له توصيل حراري أعلى من الأرجون، والذي قد يكون مفيداً في لحام المواد شديدة التوصيل مثل النحاس والألمنيوم، مما يسمح باختراق أعمق أو سرعات أسرع. غالباً ما يستخدم في خلائط مع الأرجون (مثل 75٪ أرجون / 25٪ هيليوم) لموازنة الخصائص والتكلفة. الهيليوم أقل كثافة، ويتطلب معدلات تدفق أعلى لتغطية مكافئة.
• النيتروجين (N₂): يمكن استخدامه لبعض المواد، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، حيث يمكن أن يحسن أحياناً خصائص اللحام أو مقاومة التآكل. ومع ذلك، يمكن أن يشكل نتريدات غير مرغوب فيها في مواد أخرى (مثل الفولاذ الفريتي أو التيتانيوم). غالباً ما يكون أرخص من الأرجون.
• خلائط الغازات: في بعض الأحيان يتم استخدام خلائط محددة (مثل الأرجون مع كميات صغيرة من O₂ أو CO₂ لبعض أنواع الفولاذ، أو خلائط Ar / He) لتحسين شكل تجمع اللحام، أو الاختراق، أو ثبات القوس (في العمليات الهجينة).

يعتمد اختيار الغاز بشكل كبير على المادة التي يتم لحامها وخصائص اللحام المطلوبة.

تعزيز السلامة: حواجز أمان الليزر

أنظمة لحام الليزر، خاصة أنظمة الطاقة العالية، تنبعث منها إشعاعات مكثفة (غالبًا ما تكون غير مرئية) يمكن أن تسبب أضرارًا شديدة للعين والجلد عند التعرض المباشر أو المنتشر. لضمان سلامة المشغل والامتثال للوائح، حواجز أمان الليزر ضرورية، خاصة في الإعدادات الآلية أو شبه الآلية. تتميز هذه الحواجز عادةً ب:

• غلاف مادي: هيكل قوي يحيط بمنطقة لحام الليزر، ويمنع العاملين فعليًا من دخول المنطقة الخطرة أثناء التشغيل.
• زجاج أمان الليزر: نوافذ مشاهدة خاصة مدمجة في جدران الحاجز. يتم تصنيف هذا الزجاج لمنع الطول الموجي (الأطوال الموجية) المحددة للليزر المستخدم (موضح بكثافته البصرية أو تصنيف OD)، مما يسمح للمشغلين بمراقبة العملية بأمان من خارج الغلاف.
• أقفال الأمان: مفاتيح كهروميكانيكية متصلة بجميع أبواب وألواح الحاجز. إذا تم فتح أي باب أو لوحة، فإن نظام القفل يرسل إشارة على الفور لإيقاف انبعاث الليزر، مما يمنع التعرض العرضي للحزمة.

يُعد استخدام حاجز أمان ليزر مصمم بشكل صحيح ومُغلق إغلاقًا بالغ الأهمية لحماية الأفراد عند العمل باستخدام معدات لحام الليزر الصناعية.