1. مقدمة
تتميز تقنية اللحام بالليزر بمدخلات حرارة منخفضة، ووصلات لحام كثيفة وجذابة من الناحية الجمالية، وتحكم عالي الدقة، وتكامل أتمتة سهل، مما يتيح اعتمادها السريع في صناعة تصنيع المعادن. ومع ذلك، ليست كل المواد مناسبة للحام بالليزر. يمكن أن تؤثر عوامل مثل التوصيل الحراري، وخصائص الامتصاص البصري، واختلافات نقطة الانصهار، وعناصر السبائك، وحالة السطح على جودة اللحام. لذلك، يعد فهم نطاق المواد القابلة للتطبيق وقيود اللحام بالليزر أمرًا بالغ الأهمية لاختيار المعدات وتخطيط العمليات والتحكم في جودة الإنتاج.
2. نطاق المواد القابلة للتطبيق
يعتبر اللحام بالليزر مناسبًا لعدة فئات من المواد المعدنية، ومن بينها المواد الحديدية تمثل مجال التطبيق الأكثر نضجًا. تُظهر مواد مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك والفولاذ المقاوم للصدأ امتصاصًا جيدًا لشعاع الليزر، مما يوفر تكوين لحام مستقرًا، وعمق اختراق يمكن التحكم فيه، وقوة ميكانيكية كافية. تُظهر سبائك النيكل أيضًا هياكل مجهرية مستقرة أثناء اللحام مع ميل منخفض للتشقق، وتستخدم على نطاق واسع في مكونات الفضاء وعلامات تبويب البطاريات. تعتبر هذه المواد الأكثر ملاءمة لليزر.
الألومنيوم وسبائك الألومنيوم قابلة للحام أيضًا، على الرغم من صعوبة العملية بشكل أكبر مقارنة بالمواد الحديدية. يُظهر الألومنيوم انعكاسًا عاليًا، وتوصيلًا حراريًا عاليًا، ونقطة انصهار منخفضة، مما يجعل الحوض المنصهر غير مستقر وعرضة للمسامية. لذلك، يتطلب لحام الألومنيوم عادةً طاقة ليزر أعلى، وتحكمًا أكثر دقة في موضع البؤرة، واختيارًا محسنًا للغاز الواقي لضمان استقرار العملية وكثافة اللحام. على الرغم من التحديات، تُستخدم سبائك الألومنيوم بشكل متكرر في علب البطاريات، وأغلفة الإلكترونيات الاستهلاكية، وهياكل الفضاء.
تمثل النحاس وسبائك النحاس مواد ذات صعوبة لحام أعلى. يتمتع النحاس بانعكاس وتوصيل حراري عاليين للغاية، مما يؤدي إلى كفاءة اقتران ليزر منخفضة في البداية وعيوب متكررة مثل نقص الانصهار، أو وصلات اللحام المتقطعة، أو تشقق التصلب. مع تطوير ليزرات الألياف عالية الطاقة، والليزر الأخضر، ومصادر الليزر النبضي، تحسن أداء لحام النحاس ويستخدم بشكل متزايد في قضبان توصيل البطاريات، والموصلات الكهربائية، والمحطات، والمكونات الإلكترونية الدقيقة.
يعتبر اللحام بالليزر مناسبًا أيضًا للمعادن الثمينة مثل الذهب والفضة والبلاتين. تستخدم هذه المواد على نطاق واسع في صناعة المجوهرات وتصنيع التلامسات الكهربائية. على الرغم من أنها تتمتع بتوصيل حراري عالي، إلا أن استقرار اللحام يظل ممتازًا. تُستخدم الليزرات النبضية بشكل شائع للحام المجهري الدقيق، مما يوفر اتساقًا استثنائيًا للحام وجودة سطحية.
3. المواد ذات القيود
لا يصلح اللحام بالليزر لجميع المواد. الفولاذ عالي الكربون والحديد الزهر، على الرغم من انتمائهما إلى النظام الحديدي، يحتويان على نسبة كربون أعلى. أثناء التسخين والتبريد السريع، تميل إلى تكوين هياكل مجهرية صلبة وهشة، مما يؤدي إلى توليد تشققات أو مسامية. تتطلب هذه المواد التسخين المسبق، أو التبريد المتحكم فيه، أو تقليل كثافة الطاقة لتقليل عيوب اللحام.
تُظهر الزنك والمغنيسيوم وبعض سبائك المغنيسيوم والألومنيوم قيودًا في العملية أيضًا. تتمتع هذه المواد بنقاط انصهار منخفضة وضغوط بخار عالية، والتي تميل إلى إنتاج المسامية، والتناثر، وأحواض منصهرة غير مستقرة، مما يؤدي إلى مظهر لحام رديء وكثافة ضعيفة. على الرغم من أن تحسين العملية يمكن أن يحسن الأداء، إلا أن التطبيقات الصناعية تظل محدودة نسبيًا.
المواد ذات الطلاءات السطحية مثل الفضة أو النيكل أو الذهب تمثل تحديات إضافية. تغير طبقة الطلاء امتصاص طاقة الليزر، مما يؤدي إلى اقتران غير كافٍ أو انصهار غير متسق. علاوة على ذلك، قد تنفصل الطلاءات متعددة الطبقات تحت الحرارة بسبب ضعف الالتصاق البيني. غالبًا ما يكون الصنفرة السطحية أو استخدام الليزرات النبضية أو الخضراء مطلوبًا لتحسين الامتصاص.
بالنسبة للمواد غير المعدنية، فإن أنظمة اللحام بالليزر المعدنية التقليدية غير مناسبة للبلاستيك أو المطاط أو المواد المركبة. يتطلب لحام البلاستيك عمليات لحام نقل معينة واقتران المواد، وعادةً ما يتم تطبيق أنظمة لحام البلاستيك بالليزر المخصصة بدلاً من مصادر الليزر المعدنية التقليدية.
4. لحام المعادن غير المتشابهة
يستخدم اللحام بالليزر أيضًا لربط المعادن غير المتشابهة. ومع ذلك، فإن التوافق المعدني، وعدم تطابق التمدد الحراري، واختلافات نقطة الانصهار تفرض قيودًا كبيرة. من الأسهل لحام الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني معًا، في حين أن أزواج الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس والفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم والنحاس عرضة لتكوين مركبات بين فلزية هشة، مما يقلل من قوة الوصلة. غالبًا ما تتبنى الممارسة الصناعية اللحام بالليزر، والمسح المتذبذب، وإضافة سلك الحشو، أو مسارات الحزمة المحسنة لتحسين أداء الوصلة. تعتمد الجدوى على استراتيجية العملية أكثر من المواد الأساسية نفسها.
5. قيود العملية والعوامل المؤثرة
تتحدد مدى ملاءمة المواد للحام بالليزر من خلال عوامل مؤثرة متعددة، بما في ذلك طول موجة الليزر، وخصائص امتصاص السطح، وعناصر السبائك، والتوصيل الحراري، والانعكاس، وتلوث السطح، وطبقات الأكسيد، وسرعة الحركة، وموضع البؤرة، والغاز الواقي. تتمتع المواد المختلفة بنوافذ معالجة مميزة، مما يتطلب اختيارًا دقيقًا للمعدات وتعديل المعلمات بناءً على خصائص المواد.
6. الخاتمة
باختصار، تُظهر آلات اللحام بالليزر قابلية تطبيق واسعة في معالجة المعادن. المواد الحديدية والقائمة على النيكل هي الأنسب، في حين أن سبائك الألومنيوم والنحاس قابلة للحام ولكنها تتطلب تحكمًا متقدمًا في العملية. تظهر بعض المواد عالية الكربون، والمعادن المطلية، والسبائك خفيفة الوزن قيودًا في التطبيق، وتتطلب المواد البلاستيكية أو غير المعدنية أنظمة ليزر متخصصة بدلاً من مصادر اللحام المعدنية التقليدية. مع تقدم ليزرات الألياف عالية الطاقة، ومصادر الليزر الخضراء/الزرقاء، والليزر فائق السرعة، يستمر نطاق المواد القابلة للتطبيق في التوسع، ومن المتوقع التغلب على عنق الزجاجة الحالية للحام في المزيد من القطاعات الصناعية.