كيف تُنشئ لحام الليزر وصلات أقوى من الطرق التقليدية؟

الغرض من إنتاج وصلات لحام أقوى وأكثر متانة هو ما يجعل العديد من الشركات تبدأ في استخدام تقنيات متقدمة مثل اللحام بالليزر. وتُعطي العديد من الشركات أولوية لقوة الوصلة إضافة إلى الدقة، مما يجعل اللحام بالليزر الحل الأمثل. وعلى الرغم من أن لحام MIG وTIG واللحام بالمقاومة لا يزال مستخدمًا في الصناعة، إلا أن اللحام بالليزر لا يزال أكثر تفوقًا.

تُستخدم اللحامات الليزرية بشكل واسع في صناعتي السيارات والطيران. ويرجع السبب في الدقة التي يوفرها اللحام الليزري إلى التعقيدات الفيزيائية للعملية وكذلك التغيرات التي تطرأ على المادة. سيتناول هذا المقال الأسباب وراء تباين قوة اللحام باختلاف الطريقة المستخدمة في إنشائه.

مقدمة إلى اللحام الليزري

إن عملية اللحام التي تربط قطعتين أو أكثر من مادة ما تتم باستخدام الليزر. ويتميز الليزر بعدة أوضاع، ويركز على لحام التوصيل الحراري ولحام الاختراق العميق. في لحام التوصيل الحراري، الذي يستخدم لتوصيل صفائح رقيقة جدًا من المادة أو التطبيقات التي تتطلب اختراقًا ضئيلًا جدًا أو معدومًا، تُحفظ قوة الليزر منخفضة نسبيًا (حوالي 105-106 واط/سم²). ² في هذه الحالة، تنصهر القطعة دون أن تصل إلى درجة التبخر.

يتم بعد ذلك نقل الحرارة السطحية عبر التوصيل إلى داخل المادة، مما يؤدي إلى تكوين بركة لحام تتصلب وتوحد القطعتين معًا. عرض وعمق اللحام أكثر ملاءمة للأغراض الجمالية مقارنة بالأغراض الهيكلية.

تعمل تقنية اللحام بالليزر، التي تُعرف بلحام المفتاح (keynote welding)، عند كثافات طاقة لحام أعلى بكثير (106 -107 واط/سم2)، مما يعزز مزايا لحام الاختراق العميق (المعروف أيضًا باسم لحام الثقب المفتاحي). عندما يصطدم الليزر بنقطة محددة على المادة، فإنه يصل بسرعة إلى نقطة الغليان (عتبة التبخر)، ثم تسخن المعدن، ويتم دفع بخار المعدن بسبب الجوانب الخارجية المختلفة، وبالتالي يتكون ثقب مفتاحي. يقوم بخار المعدن الناتج بدفع المعدن السائل جانبًا ويشكل تجويفًا عميقًا وضيقًا، يُعرف بالثقب المفتاحي، والذي يمكن طاقة الليزر من الانتقال بعمق داخل المادة بما يفوق ما قد تسمح به التوصيلية على سطح المادة. والثقب المفتاحي هو سمة مميزة لعملية لحام الاختراق العميق. ويُسخن المعدن السائل في مقدمة الثقب المفتاحي، ومع تحرك شعاع الليزر على طول مسار اللحام، يتدفق حول الجانبين ويتصلب في المؤخرة، مشكّلًا لحامًا عميقًا وضيقًا بشكل استثنائي.

نسب العمق إلى العرض بنسبة 10:1 باستخدام اللحام بالليزر، وتقنية الحفرة المفتاحية، تكون شبه مستحيلة مع اللحام التقليدي. تظهر أهمية نسب الأبعاد لتتجاوز عمق الاختراق إلى هندسة موزعة أكثر ملاءمة للإجهاد عبر المفصل اللحامي بالكامل. على عكس اللحام القوسي التقليدي الذي يترك خيوطاً سطحية واسعة وضحلة قد تؤدي إلى تركيز الإجهاد على السطح، فإن اللحام بالليزر 'قوسه العميق والضيق يسمح بتوزيع الإجهاد بشكل متساوٍ عبر كامل سمك المادة. وهذا يعزز قوة المفصل بنسبة ملحوظة.

قوة وصلات اللحام بالليزر لا تعتمد على الشكل الهندسي فقط، بل تنبع من التغيرات المعدنية الأساسية الإيجابية التي تحافظ على الخصائص الرئيسية للمواد الأساسية. إن تقليل تقنيات وطرق تشغيل اللحام يساهم في تقليل مدى منطقة التأثير الحراري (HAZ)، والتي تكون أصغر بكثير في اللحام بالليزر مقارنةً بلحام MIG وTIG، مما يجعله الخيار المفضل.

تلك الثواني القليلة مع الحرارة تُنتج عدة آثار تعزز القوة. فهي تقلل من الإجهادات المتبقية والتشوهات في الأجزاء الملحومة. في طرق اللحام الأخرى، يؤدي إدخال الحرارة إلى خضوع مكونات اللحام لتمدد وانكماش حراري غير متوازن، مما ينتج عنه إجهادات محاصرة وتشوهات. يمكن أن تؤثر هذه المنطقة ذات الإجهادات المحاصرة تأثيرًا جسيمًا على السلامة الهيكلية للتجميع اللحامي. 'يمكن أن تؤدي هذه الإجهادات المحاصرة أيضًا إلى بدء تشققات التعب نتيجة الأحمال الدورية. يتطلب المكون الخاضع لأحمال دورية الكثير من عمليات التشغيل التصحيحية بسبب التشوه. هذا التشوه، في حالة اللحام بالليزر، يكون أقل بكثير، وبالتالي يمكننا التركيز على سمات أخرى بدلًا من القوة في أبعاد المكون.

يساعد اللحام بالليزر أيضًا في دورة التسخين والتبريد، مما يسمح بتطوير هياكل حبيبية أدق. المعدن ذو الحبيبات الأدق يكون عادةً أكثر قوة ومتانة، وبالتالي يعزز من متانة المكون. أكدت إحدى الدراسات أن لحام الليزر على الفولاذ المقاوم للصدأ يتضمن تكوين بركة انصهار حيث يحدث التصلب. ثم يؤدي عملية التصلب إلى تغييرات في البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ، مما يحسن الخواص الميكانيكية. وهذا يعاكس تقنية اللحام التقليدية، حيث تؤدي عملية التبريد البطيء إلى تكوين هياكل حبيبية خشنة ومفصل ضعيف. 'البنية المجهرية، وبالتالي تحسين الخواص الميكانيكية. وهذا يعاكس تقنية اللحام التقليدية، حيث تؤدي عملية التبريد البطيء إلى تكوين هياكل حبيبية خشنة ومفصل ضعيف.

يُعد اللحام بالليزر لأحد أحدث المواد عالية القوة أحد أفضل الأمثلة على ميزة القوة، حيث يتم ذلك دون فقدان الخصائص المصممة. تشتق العديد من السبائك عالية القوة المتطورة خصائصها الميكانيكية من تقنيات المعالجة الحرارية المتقدمة. وقد خضعت هذه المواد لدورات حرارية باستخدام اللحام التقليدي، ما أدى إلى تغيير هياكلها المجهرية المصممة. فهذه المواد تمتلك هياكل مجهرية مرغوبة تستحق الحفاظ عليها، ولكنها تغيرت. أما في اللحام بالليزر، فإن خصائص المعدن الأصلي تُحفظ، حيث تُحافظ على قوة المادة الأصلية وتبقى موجودة في التجميع الملحوم.

كفاءة الإنتاج ومرونة العمليات

بالإضافة إلى الفوائد التقنية الواضحة لقوة اللحامات وموقع اللحمة على طول حافة القطعة، فقد أثبت اللحام بالليزر أيضًا أنه يوفر كفاءات كبيرة في الإنتاج، مما يجعل تبني هذه العمليات أكثر جاذبية في التصنيع الحديث. تعمل هذه العمليات بشكل أسرع بكثير من عمليات اللحام التقليدية. بينما يمكن للحام الليزر تحقيق سرعات لحام تزيد عن 200 بوصة في الدقيقة، فإن لحام القوس المعدني الخامل (MIG) يتقدم بسرعة تتراوح بين 20 و40 بوصة في الدقيقة، ويمكن للحام الليزر أن يصل إلى سرعات تزيد عن 200 بوصة في الدقيقة. تكون العمليات الأسرع أسرع من معظم العمليات التقليدية إلى حدٍ كبير، لدرجة أن العملية التي قد تستغرق عدة ساعات يمكن إنجازها خلال بضع دقائق باستخدام هذه العمليات. ويُظهر أحد الحالات الموثقة اعتماد اللحام بالليزر، حيث تم تقليل الوقت المستغرق في لحام بوابة كانت تستغرق حوالي عشر ساعات إلى 40 دقيقة فقط.

تُصبح قصة الكفاءة أكثر إثارة للإعجاب عندما ننظر إلى تقليل الحاجة/كمية العمليات اللاحقة. عادةً ما تتطلب اللحامات عمليات غاطسة كثيرة للحصول على سطح خالٍ من التشوهات. وتشمل هذه العمليات الطحن، والتشغيل، والتصحيح، وهذه المراحل من عملية التشغيل لا تحقق ربحًا نقديًا من حيث القيمة المضافة إلى العملية. أما الألواح الرقيقة الملحومة، عند تنفيذها باستخدام تقنية شعاع الليزر، فإنها تُنتج هيكلًا مطبقًا ملحومًا مع الحفاظ على حواف وسطوح نظيفة وحادة كميزة إضافية. وعادةً ما يكون هذا أمرًا بالغ الأهمية في الحالات التي يجب فيها طلاء الهياكل الملحونة بالليزر لاحقًا، لأن تطبيق الطلاء يحتاج إلى بعض الخصائص السطحية مثل أن تكون الحواف خالية من التشوهات. ويؤدي هذا، إلى جانب تقليل العمليات الثانوية، إلى توفير الكثير من الوقت.

تعمل عملية اللحام بالليزر بشكل ممتاز مع إعدادات المصانع الآلية، مما يحسن كفاءتها أكثر. يمكن للأنظمة الروبوتية توجيه شعاع الليزر وتحريكه بسهولة دون لمس قطعة العمل، وبخاصة بدون التلامس المادي مع قطعة العمل. في العديد من الحالات، يمكن لمصدر ليزر واحد أن يخدم محطات عمل متعددة من خلال تكوين تقسيم الشعاع، وبالتالي يساعد ذلك في زيادة استقلالية أنظمة تشغيل الليزر عن بعضها البعض. هذه الاستقلالية تساعد المصنّعين على الحفاظ على خطوط إنتاجهم دون الحاجة إلى تغييرات كثيرة أو راحة طويلة. وبالمثل، فإن خاصية عدم التلامس في عملية اللحام بالليزر تعني عدم وجود أدوات مستهلكة ترافق أنظمة اللحام التقليدية، مما يساعد النظام على الأداء بشكل أفضل لفترة أطول. وهذا يطيل من الفترة التي يمكن أن يعمل فيها النظام دون الحاجة إلى صيانة، باستثناء الصيانة البصرية الأساسية.

إن قدرة لحام الليزر على التكيف مع أنواع مختلفة من المواد وسمكها تعزز من مزاياه بشكل أكبر. فهذه العملية تُعالج كل شيء بدءًا من المواد الرقيقة جدًا والتي يبلغ سمكها جزءًا من الملليمتر، وصولاً إلى أقسام الصلب التي يبلغ سمكها 25 مم في مرور واحد فقط. وهذه القدرة تلغي الحاجة إلى استخدام سلسلة من المروريات كما هو الحال في تقنيات اللحام التقليدية عند التعامل مع المواد السميكة. علاوةً على ذلك، فإن قدرة لحام الليزر على العمل مع مواد صعبة مثل التيتانيوم والألومنيوم ومختلف تركيبات المعادن التي لا يمكن للأنظمة الأخرى التعامل معها تعد مذهلة.

ميزة مهمة أخرى للحام الليزر هي جودة اللحام المتسقة التي ترتبط مباشرة بموثوقية قوة التماس. توفر هذه العملية مستوى عالياً من السيطرة للمُشغل من خلال أجهزة استشعار متطورة تقوم في الوقت الفعلي، وبشكل مستمر، بتتبع المكونات المهمة لعملية اللحام. وعادة ما تنقسم الأنظمة المستخدمة أثناء المراقبة إلى ثلاث فئات. تشمل الفئة الأولى الأنظمة السابقة للحام التي تتبع خط الوصلة لتمكين تحديد موقع شعاع الليزر بدقة. في الفئة الثانية، أثناء مرحلة اللحام، تقوم أنظمة المراقبة المزودة بكاميرات بتتبع وتحليل بركة اللحام والفتحة الرئيسية. أما الفئة الأخيرة، وهي الأنظمة اللاحقة للحام، فتقوم بتقييم التماس للتحقق من مدى مطابقته لمعايير الجودة.

من الصعب بكثير تحقيق هذا المستوى من التحكم باستخدام طرق اللحام التقليدية، حيث تصبح مهارة المشغلين البشريين واتساق أدائهم أكثر أهمية. يمتلك المشغلون البشريون تحكماً أكبر في اللحام التقليدي، ولكن في حالة اللحام بالليزر، تكون الآلة مُؤتمتة بالكامل. وبمجرد أن تتعلم الآلة معايير اللحام، فستُعاد إنتاجها بدقة خلال عمليات الإنتاج، بغض النظر عما إذا كان العدد ألفاً أو مليون عنصر. وسيتمتع كل مفصل ملحوم بنفس الخصائص الميكانيكية. وفي القطاعات التي لا يمكن فيها قبول فشل اللحام، مثل الأجهزة الطبية أو أجزاء السلامة في السيارات أو صناعة الفضاء الجوي، يكون الاتساق أكثر أهمية ويُقدَّر أكثر من القطع الملحومة نفسها.

إن عملية التصلب المُتحكم فيه أثناء اللحام بالليزر تقلل من حدوث العديد من العيوب في اللحام التي قد تضعف الوصلة. وتشمل المسامية الناتجة عن الغازات والانفصال النسبي للعناصر السبيكية عيوبًا يحد منها التبريد السريع في هذه العملية. كما أن التحكم في إدخال الطاقة يساعد على القضاء على الحواف غير المنتظمة والاختراق الزائد، خاصةً في المواد الرقيقة. نعم، يتطلب لحام الليزر محاذاة أكثر دقة مقارنةً ببعض تقنيات اللحام الأقدم. ولكن تستخدم الأنظمة الحديثة تقنيات مثل أشعة الليزر المتذبذبة التي تغلق الوصلات الأوسع، وأنظمة هجينة تجمع بين الليزر والتغذية التقليدية بالسلك لتسهيل هذه العملية.

يقر خبراء الصناعة بأن تقنيات اللحام التقليدية تُدعم بقاعدة قوية من الممارسين المهرة وسنوات من المعرفة، في حين أن لحام الليزر يوفر نتائج أكثر موثوقية وقابلة للتنبؤ بفضل التحكم الأفضل في العملية. ومع تطور تقنية الليزر باستمرار وانخفاض تكلفتها بشكل متزايد في السوق، أصبح هذا الأمر أكثر صحةً باطراد، حيث يمكن للعمليات التي تحتاج إلى ألا يكون فيها أي نقاط فشل الاعتماد على لحام الليزر. 'تماسكها كميزة بيع رئيسية.

الاستنتاج

تُثبت الأدلة أن لحام الليزر يتفوق على الطرق الأخرى من حيث الاختراق والمعادن والتحكم في العملية، مما يؤدي إلى وصلات أقوى. ويؤدي لحام الاختراق وتأثير المفتاح (Keyhole) إلى توزيع أفضل للإجهادات. كما أن تشوه الحرارة المنخفض والإدخال الحراري الأدنى يساعدان أيضًا في الحفاظ على خصائص المادة الأساسية وتقليل التشوه. وتُشكل الفوائد المجمعة لتكنولوجيا الليزر مع الكفاءة والجودة والإنتاج في تطبيقات اللحام ذات قوة الوصلة العالية حجة مقنعة.

بالطبع، ما زالت الطرق التقليدية تحظى بأهمية —وخاصة عندما تكون تكاليف المعدات منخفضة، أو عندما يكون التجميع بكميات منخفضة ومعقدًا، مما يجعل الأتمتة غير عملية —لكن من الصعب الجدال ضد النتائج القوية للحام الليزر. تتطلب المشاريع والمنتجات الحالية والمستقبلية في قطاع التصنيع أن تكون جميع الأشياء أخف وزنًا وأقوى وأكثر موثوقية. وسوف يجعل هذا الحاجة إلى لحام الليزر أكثر أهمية. الشركات التي تستفيد من مشاريع لحام الليزر هذه وتطوير منتجات جديدة ستكون رائدة في مجالاتها. وسيجعل هذا الإمكانات من منتجاتها نموذجية بفضل تقنية الوصل المتقدمة بالليزر.