لحام الصفائح المعدنية بالليزر: دليل المبتدئين

مقدمة

اللحام هو عملية أساسية في تصنيع الصفائح المعدنيةتتميز بكثافة العمل العالية وظروف العمل القاسية. وعلى هذا النحو، فإن الكفاءة العالية ضرورية.

لقد كانت الأتمتة في اللحام وتطوير طرق الربط المبتكرة من النقاط المحورية الثابتة للمتخصصين في تكنولوجيا اللحام.

أحد الجوانب المحورية في أتمتة اللحام هو التحكم في جودة اللحام والكفاءة. أثناء العملية، هناك تحديات مثل محاذاة القوس والتماس اللحام، وتوحيد فجوات المكونات، واختراق اللحام، والتحكم في تشويه اللحام يجب معالجتها.

مع التطورات السريعة في تقنية اللحام بالليزر، فقد قفزت قفزة كبيرة إلى الأمام ونضجت في تطبيقها في مختلف القطاعات، بما في ذلك الأجهزة المنزلية والإلكترونيات عالية التقنية وتصنيع السيارات وإنتاج القطارات عالية السرعة والتصنيع الآلي الدقيق.

يمكن فهم فوائد اللحام بالليزر من خلال مقارنته باللحام القوسي التقليدي. سيتعمق هذا المنشور في عملية الليزر اللحام واستكشاف كيفية تحقيق نتائج أفضل.

لتقييم جودة اللحام بالليزر، تؤخذ في الاعتبار نسبة العمق إلى العرض ومورفولوجيا السطح. سيتناول هذا المنشور معلمات العملية التي تؤثر على هذه المؤشرات.

تجارب اللحام بالليزر أجريت على ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والفولاذ الكربوني. توفر النتائج رؤى عملية يمكن استخدامها في إنتاج اللحام.

اللحام بالليزر هو تقنية إنتاج متطورة تستخدم الليزر بكثافة طاقة عالية كمصدر للحرارة للحام. ويستخدم على نطاق واسع في تصنيع الصفائح المعدنية الصناعة نظرًا لمزاياها، بما في ذلك كثافة الطاقة العالية، وسرعة اللحام السريعة، وملاءمتها للبيئة، والحد الأدنى من تشوه الألواح، وغير ذلك الكثير.

يمكن تقسيم اللحام بالليزر، بناءً على خصائص تشكيل خط اللحام، إلى لحام بالتوصيل و اللحام بالاختراق العميق. ويستخدم اللحام بالتوصيل طاقة ليزر منخفضة، مما يؤدي إلى إطالة أوقات تكوين حوض الذوبان وأعماق ذوبان ضحلة.

يُستخدم بشكل أساسي في لحام المكونات الصغيرة.

وعلى النقيض من ذلك، يتميز اللحام بالاختراق العميق بكثافة طاقة عالية، حيث يذوب المعدن في منطقة التشعيع بالليزر بسرعة.

يصاحب هذا الذوبان تبخير شديد، مما يحقق طبقات لحام بعمق كبير ونسبة عرض إلى عمق تصل إلى 10:1.

يمكن ربط مكونات الصفائح الرقيقة باستخدام طرق لحام مختلفة، بما في ذلك اللحام بالليزر واللحام بالنحاس واللحام بالهيدروجين الذري واللحام بالمقاومة, اللحام بقوس البلازماواللحام بالشعاع الإلكتروني.

عند مقارنة اللحام بالليزر بغيره من اللحام بالليزر الشائع تقنيات اللحام، فإنه يوفر مزايا كبيرة من حيث المنطقة المتأثرة بالحرارة، والتشوه الحراري، وجودة اللحام، وضرورة وجود مواد الحشو، وبيئة اللحام.

يمكن الاطلاع على المقارنة بين اللحام بالليزر وطرق اللحام الأخرى في الجدول 1.

الجدول 1 مقارنة بين اللحام بالليزر وطرق اللحام الأخرى

خصائص اللحام بالليزر

يستخدم اللحام بالليزر ليزر يقوم بتوجيه شعاع ليزر عالي الطاقة إلى ألياف بصرية. وبعد النقل، يتم موازاة الشعاع إلى ضوء متوازي باستخدام عدسة موازاة ثم يتم تركيزه على قطعة العمل.

وينتج عن ذلك مصدر حرارة عالي الطاقة للغاية يذيب المادة عند الوصلة. ثم يبرد المعدن المنصهر بسرعة لتشكيل لحام عالي الجودة. يظهر مظهر قطعة الصفائح المعدنية الملحومة بالليزر في الشكل أدناه.

سهولة التشغيل:

ماكينات اللحام بالليزر سهلة الاستخدام. العملية بسيطة وسهلة التعلم وسهلة الاستخدام. مستوى الخبرة المطلوبة للمشغلين منخفض نسبيًا، مما يؤدي إلى توفير في تكاليف العمالة.

مرونة عالية:

يمكن لآلات اللحام بالليزر اللحام من أي زاوية وهي بارعة في الوصول إلى المناطق التي يصعب الوصول إليها. يمكنها التعامل مع مكونات اللحام المعقدة والقطع الكبيرة غير المنتظمة الشكل، مما يوفر مرونة لا مثيل لها في اللحام من أي اتجاه.

تعزيز السلامة المعززة:

لا يتم تنشيط فوهة اللحام عالية الأمان إلا عند ملامسة المعدن، وتتميز بمفتاح يعمل باللمس مع استشعار درجة حرارة الجسم. يجب الالتزام بمعايير السلامة المحددة عند تشغيل مولد الليزر المتخصص، بما في ذلك ارتداء نظارات واقية لتقليل الضرر المحتمل للعين.

متفوقة جودة شعاع الليزر:

بمجرد تركيز الليزر، فإنه يحقق كثافة طاقة عالية. وبفضل الطاقة العالية والتركيز الليزري منخفض الوضع، يكون قطر البقعة الناتجة صغيرًا، مما يعزز الأتمتة بشكل كبير في لحام الألواح.

سرعة لحام سريعة مع اختراق عميق وأقل قدر من التشويه:

بسبب كثافة الطاقة العالية للحام بالليزر، تتشكل مسام صغيرة في المعدن أثناء العملية. وتنتقل طاقة الليزر إلى أعماق المادة من خلال هذه المسام بأقل انتشار جانبي. ويكون عمق انصهار المادة كبيراً، وتكون سرعة اللحام سريعة، حيث تغطي مساحة كبيرة في وقت قصير.

انخفاض تكاليف العمالة:

وبفضل الحد الأدنى من مدخلات الحرارة أثناء اللحام بالليزر، يكون التشوه بعد اللحام طفيفاً. وينتج عن ذلك تشطيبات لحام جذابة بصريًا، مما يؤدي إلى تقليل معالجة ما بعد اللحام، وهذا بدوره يقلل بشكل كبير من تكاليف العمالة المرتبطة بالتنعيم والتسوية أو حتى يلغيها.

القدرة على لحام المواد الصعبة:

اللحام بالليزر ليس مناسبًا فقط لربط مجموعة متنوعة من المعادن غير المتشابهة ولكن أيضًا من أجل لحام المعادن والسبائك مثل التيتانيوم والنيكل والزنك والنحاس والألومنيوم والكروم والذهب والفضة والصلب وسبائك القطع. وهي تلبي الاحتياجات التنموية لـ مواد جديدة في الأجهزة المنزلية.

مناسبة بشكل خاص للحام الصفائح الرقيقة والمكونات الجمالية غير المغلفة:

نظرًا لارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع في اللحام، وانخفاض مدخلات الحرارة، والحد الأدنى من المنطقة المتأثرة بالحرارة، وانخفاض التشوه، فإن اللحام بالليزر مناسب بشكل خاص للحام الصفائح الرقيقة والمكونات الجمالية غير المغلفة والأجزاء الدقيقة والمكونات الحساسة حراريًا. ويمكن أن يقلل ذلك من التصحيحات اللاحقة للحام والمعالجة الثانوية.

مقارنة بين اللحام بالليزر واللحام القوسي التقليدي

مقدمة في اللحام بالقوس الكهربائي

تقليدي اللحام بالقوس الكهربائي يمكن تصنيفها على نطاق واسع إلى عدة أنواع، بما في ذلك اللحام بالقوس الكهربائي، واللحام بغاز التنجستن الخامل (TIG)، واللحام بالغاز الخامل المعدني (MIG)، واللحام بالقوس المغمور.

ينطوي اللحام بالقوس الكهربائي على ضرب القوس الكهربائي بين القطب الكهربائي وقطعة العمل، مما يولد حرارة تذيب المعدن عند نقطة التلامس بين القطب الكهربائي وقطعة العمل. يؤدي ذلك إلى تكوين تجمع من المعدن المنصهر. ثم يتم تحريك القطب الكهربائي في اتجاه معين، مما يؤدي إلى تكوين أحواض جديدة من المعدن المنصهر وتصلب الأحواض السابقة، مما يؤدي إلى تكوين اللحام.

رسم بياني لـ عملية اللحام في الشكل 1.

الشكل 1 رسم تخطيطي للحام القوسي الكهربائي

يستخدم اللحام بغاز التنغستن الخامل (TIG) قطباً كهربائياً من التنغستن كقطب تفريغ كهربائي، والذي لا يستهلك أثناء العملية. تكون منطقة اللحام محمية بغاز خامل، عادةً ما يكون الأرجون، وتُستخدم الحرارة الناتجة عن القوس لصهر كل من المعدن الأساسي و مواد اللحام. والنتيجة هي سلاسة سطح اللحام مع تناثر قليل أو معدوم.

الغاز القوس المعدني اللحام (GMAW) هي عملية يتم فيها توليد قوس بين سلك اللحام والمعدن الأساسي، مما يتسبب في ذوبان السلك والمعدن الأساسي. تتصلب المادة المنصهرة وتشكل لحاماً.

على الرغم من أن اللحام القوسي لا يزال يحتل مكانة مهيمنة في صناعة اللحام، إلا أن الطلب المتزايد على اللحام عالي الجودة والكفاءة أدى إلى قيود في تطبيقه في بعض الصناعات المتطورة الصفائح المعدنية مجالات التصنيع. تتضمن بعض عيوب اللحام القوسي التقليدي ما يلي:

• الحاجة إلى الأرجون عالي النقاء حيث إن غاز التدريعوالتي يمكن أن تكون باهظة الثمن.
• يتطلب مستوى عالٍ من المهارة والشهادات اللازمة للتشغيل السليم، مما يجعلها غير متاحة للكثيرين.
• التيار العالي الكثافة والحرارة المتولدة أثناء عملية اللحام يمكن أن يؤثر سلبًا على لحام الألواح المعدنية ذات درجات الانصهار المنخفضة.
• كفاءة لحام منخفضة وسرعة بطيئة.
• إن سطح اللحام خشن، مما يتطلب طحنًا إضافيًا للحصول على سطح أملس.
• محدودة قوة اللحام.

مزايا اللحام بالليزر

تشمل تقنيات اللحام بالليزر السائدة اللحام بالانصهار الذاتي، واللحام المتأرجح، واللحام بحشو الأسلاك، واللحام بالجلفانومتر، واللحام المركب الذي يجمع بين طرق لحام مختلفة.

يسلط الجدول 1 الضوء على مزايا اللحام بالليزر تقنية مقارنة باللحام القوسي التقليدي.

بالنسبة إلى صناعات تصنيع الصفائح المعدنية المتطورة التي تتطلب منتجات ذات قيمة مضافة عالية بجودة متسقة وفجوات لحام صغيرة وكفاءة عالية، فإن اللحام بالليزر هو الخيار الأفضل.

الجدول 1 مقارنة الخصائص بين اللحام بالليزر واللحام بالقوس الكهربائي

معلمات عملية اللحام بالليزر

مؤشر التماس اللحام بالليزر

تختلف متطلبات تأثير اللحام لأجزاء الصفائح المعدنية حسب احتياجات العميل. تنعكس هذه المتطلبات في المقام الأول في المؤشرات التالية:

• شكل السطح (على سبيل المثال مقعر أو مسطح أو محدب)
• نسبة العمق إلى العرض لحوض اللحام إلى العرض
• عدم وجود عيوب مثل المسام والتشققات والشوائب والشقوق والعيوب السفلية

يمكن تغيير شكل سطح اللحام عن طريق تعديل عوامل مثل قوة اللحام, إلغاء التركيزووضع الربط. تعتبر نسبة العمق إلى العرض لحوض اللحام عاملًا مهمًا لتحديد قوة اللحام.

بالنسبة للعملاء الذين لديهم متطلبات قوة لمنتجات اللحام الخاصة بهم، يجب اتخاذ سلسلة من الخطوات، بما في ذلك قطع الأسلاك، والتطعيم، والطحن والتلميع، واختبار التآكل، والتحليل المجهري للمعادن. تعكس هذه العملية صلابة اللحام، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بنسبة العمق إلى العرض. يمكن أيضًا تحديد مؤشر قوة الشد للحام من خلال اختبار قوة الشد. يوضح الشكل 2 التحليل الميتالوغرافي لنسبة الاختراق.

الشكل 2 تحليل ميتالوغرافي لنسبة الاختراق

في بيئات عمل معينة، قد تحتوي اللحامات على عيوب مثل المسام والشقوق والشوائب والقطع السفلية، والتي يمكن أن تشكل مخاطر جسيمة على السلامة. على سبيل المثال، تتطلب بعض المنتجات معايير صارمة لإحكام الإغلاق وضيق المياه.

يوضح الشكل 3 مقارنة بين اللحامات العادية واللحامات ذات العيوب.

الشكل 3 درز اللحام الرسم البياني

العوامل المؤثرة في اللحام بالليزر

هناك عدة عوامل تؤثر بشكل مباشر على اللحام بالليزر، بما في ذلك درجة حرارة اللحامودرجة انصهار مواد اللحام ومعدل امتصاص الليزر لمواد اللحام والتأثير الحراري.

من حيث عملية اللحام، عوامل مثل خصائص المواد, طاقة الليزريجب مراعاة سرعة اللحام، وموضع التركيز، وغاز التدريع، وفجوة اللحام.

تؤثر قابلية امتصاص الليزر لمواد اللحام على جودة اللحام. فمواد مثل الألومنيوم والنحاس لها قابلية امتصاص ليزر أعلى، في حين أن الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ لهما قابلية امتصاص ليزر أقل. وعادةً ما تتطلب مواد اللحام ذات الامتصاصية العالية طاقة أكبر لصهر وتشكيل حوض لحام مستقر.

طاقة الليزر هي مصدر الطاقة للحام بالليزر وتلعب دورًا حاسمًا في تحديد تأثير اللحام. كلما زادت طاقة الليزر، كان تأثير اللحام أفضل. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الإفراط في طاقة الليزر إلى عدم الاستقرار في حوض اللحام وانخفاض العمق. لذلك، فإن اختيار قيمة طاقة الليزر المناسبة أمر بالغ الأهمية.

هناك علاقة عكسية بين سرعة اللحام والاختراق. تؤدي سرعات اللحام الأسرع إلى انخفاض مدخلات الطاقة، في حين أن السرعات الأبطأ يمكن أن تسبب ارتفاع درجة الحرارة، خاصة في المواد الحساسة للحرارة مثل الألومنيوم.

يؤثر موضع البؤرة بشكل مباشر على اختراق اللحام وعرضه. عندما تقع البؤرة على سطح مادة اللحام، يُشار إليها بالبؤرة الصفرية. عندما تكون البؤرة أعلى أو أسفل مادة اللحام، يُطلق عليها البؤرة غير المركزية. تكون بقعة التركيز الصفري هي الأصغر ولها أعلى كثافة طاقة، في حين أن اللحام خارج البؤرة له كثافة طاقة أقل ولكن بقعة الضوء أكبر، مما يجعله مناسبًا للحام قطع العمل ذات النطاق الأكبر.

يؤثر نوع وطريقة غاز التدريع أيضًا على عملية اللحام. لا تتمثل وظيفة غاز التدريع في منع الأكسدة أثناء اللحام فحسب، بل أيضًا في كبح سحابة البلازما المتولدة أثناء اللحام بالليزر. يمكن أن يؤثر اختيار غاز التدريع على مظهر ولون سطح اللحام.

ترتبط فجوة اللحام لقطعة الشُّغْلَة المراد لحامها باختراق اللحام وعرضه وشكله. يمكن أن تؤدي فجوة اللحام الكبيرة جدًا إلى صعوبة في الاندماج والاندماج، بالإضافة إلى تعريض الليزر للخطر واحتمال تلف الأداة أو قطعة العمل. يمكن أن تؤدي زيادة بقعة الضوء أو التأرجح إلى تحسين اللحام، ولكن التحسين محدود.

تحليل اختبار اللحام

تم إجراء اختبار اللحام باستخدام روبوت Yaskawa GP25، وليزر بريما، وأوسبري وصلة اللحام (القطر الأساسي 100 ميكرومتر، والبُعد البؤري 300 مم)، ومغذي الأسلاك WSX. تم اختبار تأثير اللحام على صفيحة فولاذية كربونية Q235 مقاس 1.5 مم، والفولاذ المقاوم للصدأ SS304، والألومنيوم من السلسلة 3 صفيحة سبيكة.

بناءً على التجربة، يمكن توفير المرجع التالي لعملية الاختبار:

بالنسبة لاختبار لحام صفيحة رقيقة 1 مم، يمكن استخدام قدرة بدء تشغيل 1 كيلو وات وسرعة لحام 30 مم/ثانية. يمكن حساب القدرة المرجعية على النحو التالي P=A-X، حيث A هو معامل ثابت (A≥0) وX هو سُمك اللوح. مع زيادة سُمك اللوحة، ينخفض المعامل الثابت A تدريجيًا ويتأثر أيضًا بطريقة اللحام.

تحليل عملية لحام الصفيحة الفولاذية الكربونية

انظر الجدول 2 للاطلاع على معلمات عملية اللحام المتأرجح لـ Q235 صفيحة فولاذية كربونية بسُمك 1.5 مم.

الجدول 2 معلمات عملية اللحام المتأرجحة للكربون Q235 صفيحة فولاذية

تُظهر بيانات الاختبار أنه عند التأرجح لحام الفولاذ الكربوني الألواح، يجب زيادة طاقة الليزر مع زيادة سرعة اللحام مع ضمان بقاء نطاق التأرجح دون تغيير. إذا كانت سرعة التأرجح بطيئة للغاية، فسيكون اللحام غير متساوٍ.

وبصفة عامة، يلزم طاقة أقل للحام الفولاذ الكربوني ذاتي الانصهار الكربوني مقارنة باللحام المتأرجح ذاتي الانصهار الكربوني للفولاذ الكربوني، كما يلزم طاقة أقل للحام الفولاذ الكربوني ذاتي الانصهار الكربوني المتأرجح مقارنة باللحام المتأرجح بسلك حشو الفولاذ الكربوني المتأرجح. يتم التحكم في الطاقة المطلوبة بشكل أساسي من خلال الطاقة والسرعة، حيث تتطلب الطاقة الأعلى والسرعة الأسرع طاقة أكبر.

من الناحية المثالية، لتحقيق التوازن بين الجودة والكفاءة، يجب زيادة سرعة اللحام قدر الإمكان. ومع ذلك، قد يتسبب اللحام السريع جدًا في عدم الاستقرار ويكون محدودًا بقوة الليزر و خواص المواد. لذلك، عادةً ما يتم السعي إلى تحقيق التوازن بين القوة والسرعة.

تحليل عملية لحام ألواح الألومنيوم

في الاختبار، كان القطر الأساسي للألياف الضوئية المختارة 100 ميكرومتر. بالنسبة للحام المواد العاكسة والماصة للحرارة العالية مثل الألومنيوم والنحاس، هناك حاجة إلى كثافة طاقة أعلى للذوبان. في هذه الحالة، يكون لحام التركيز الصفري ضروريًا.

يسمح اللحام بالتركيز الصفري بتحقيق أقصى كثافة طاقة بأقل قدر من الطاقة، مما يجعله مثاليًا للحام الأجزاء الصغيرة وصهر المعدن لتشكيل حوض منصهر. يوفر الجدول 3 معلمات عملية اللحام للمواد المختلفة.

الجدول 3 مقارنة بين معلمات عملية اللحام للمواد المختلفة

تشير بيانات الاختبار إلى أنه مع بقاء المعلمات الأخرى ثابتة، فإن تأثير اللحام المثالي لسبائك الألومنيوم من السلسلة 3 يتطلب سرعة لحام أبطأ مقارنةً بالفولاذ الكربوني Q235، حيث يلزم المزيد من الحرارة.

تحليل عملية نفخ الفولاذ المقاوم للصدأ الأبيض

يوضح الجدول 4 مقارنة بين معلمات عملية التبييض لـ لحام الفولاذ المقاوم للصدأ طبقات بسماكة 1.5 مم. يمكن رؤية مقارنة تأثير اللحام في الشكل 4.

تتوافق بارامترات اللحام للحامات الثلاثة في الشكل 4 (من اليسار إلى اليمين) مع الأرقام التسلسلية 1 و2 و3 في الجدول 4، على التوالي.

الشكل 4 مقارنة تأثير اللحام

الجدول 4 مقارنة بين معلمات عملية تبييض لحام الفولاذ المقاوم للصدأ

من أجل الحصول على سطح مبيض على الفولاذ المقاوم للصدأ، من الضروري تبريد المعدن وتبلوره بسرعة في جو غاز التدريع بعد الصهر بالليزر. إذا كانت الطاقة عالية جدًا، فسيتم الاحتفاظ بالكثير من الحرارة في الصفيحة المعدنية، مما يتسبب في بطء التبريد وزيادة خطر الأكسدة وتغير اللون. إذا كانت الطاقة منخفضة للغاية، فقد لا يذوب المعدن بالكامل.

إذا كانت السرعة سريعة جدًا، فقد لا تكون أدوات النفخ كافية مما يؤثر على تأثير النفخ. إذا كانت السرعة بطيئة للغاية، فسيكون هناك تراكم مفرط للحرارة. للحصول على سطح مبيض، من المهم إيجاد توازن بين القوة والسرعة والنفخ.

إذا لم يكن من الممكن الحصول على سطح مبيض في محاولة واحدة، فقد يكون من الممكن القيام بذلك عن طريق لحام طبقة واحدة بقدرة أعلى قليلاً ثم تقليل القدرة لطبقة ثانية.

الخاتمة

أثناء عملية اللحام بالليزر، لضمان ارتفاعجودة اللحام النتائج، من المهم مراعاة مجموعة من العوامل بما في ذلك خصائص المواد، وقوة الليزر، وسرعة اللحام، وموضع التركيز، وغاز التدريع، وفجوة اللحام.

بالنسبة للمواد شائعة الاستخدام مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وألواح الألومنيوم، يمكن استخدام معلمات الاختبار الأولية المذكورة سابقًا كمرجع، ثم تعديلها وفقًا للخصائص المحددة للمادة ومتطلبات العميل لتحقيق تأثير اللحام المطلوب.