اللحام بالليزر: المبدأ والخصائص وجوانب السلامة

بعد قراءة هذا المقال سوف تتعرف على: - 1. مقدمة لحام الليزر 2. مبدأ وآلية اللحام بالليزر 3. روبي معدات الليزر والإعداد 4. العملية 5. معلمات العملية 6. خصائص اللحام 7. تصميم اللحام المشترك 8. التطبيقات 9. المتغيرات 10. الأتمتة 11. جوانب السلامة.

مقدمة لحام الليزر:

وربما كان اللحام بالليزر (تضخيم الضوء بواسطة انبعاث الإشعاع المحفّز) من أحدث الإضافات لأسرة عمليات اللحام المتنامية. شعاع الليزر هو اتجاهي ، قوي ، أحادي اللون (من الطول الموجي الواحد) ومتماسك ، كل الموجات في الطور. يمكن تركيز مثل هذه الحزمة على بقعة صغيرة جدًا مما يعطي كثافة طاقة عالية جدًا قد تصل إلى 10 ⁹ واط / مم ² .

وبالتالي ، يمكن لشعاع الليزر أن يذوب أو يتبخر أي مادة معروفة ، مثل شعاع الإلكترون. هناك ثلاثة أنواع أساسية من الليزر ، ليزر الحالة الصلبة ، ليزر الغاز والليزر شبه الموصل. يعتمد نوع الليزر على مصدر الليزر.

وتستفيد أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة من بلورات مثل الياقوت والياقوت وبعض البلورات المخدعة بشكل مصطنع مثل عقيق ألوميتريوم (Nd-YAG) المطلي بالنيوديميوم. كان ليزر الحالة الصلبة أول ليزر ناجح ، ومن السهل شرح آلية الليزر بواسطة ليزر من هذا القبيل ، على سبيل المثال ، ليزر روبي.

مبدأ وآلية اللحام بالليزر:

وظيفة الليزر هي تضخيم الضوء. لا يمكن استخدام الضوء العادي كضوء ليزر لأن الطاقة المشعة من مصدر الضوء العادي غير متماسكة وموزعة على مدى طيفي واسع ، ولا توجد مصادر أحادية اللون أحادية اللون. بسبب أطوال موجية مختلفة من ألوان مختلفة تشكل ضوءًا عاديًا ، لا يمكن تقريبها إلى تركيز حاد دون التضحية بالحدة.

لذا ، فإن الليزر يعتمد على تشغيله على انبعاث الإشعاع الذي يحفزه أو يستحثه امتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية ، أو جسيمات الطاقة المسماة الفوتونات ، بواسطة الذرات. عندما يتم امتصاص هذه الطاقة ، تزيد الإلكترونات في الذرة من دورانها وتوسع مداراتها مما يؤدي إلى دخول الذرات إلى الحالة المثارة.

هذه الحالة المثارة قصيرة الأجل وتنسحب الذرة على الفور إلى مستوى متوسط ​​أو حالة متبدلة. في هذا التراجع ، تفقد الذرة طاقتها الحرارية لكنها تحتفظ بطاقتها الفوتونية. بعد وقت قصير من سقوط الذرة بشكل عفوي وعشوائي إلى الحالة الأرضية التي تطلق طاقة الفوتون ، أو الطاقة الكمومية ، على شكل ضوء كما هو مبين في الشكل 14.17. ويشار إلى هذا التراجع التلقائي إلى مستوى الطاقة الأصلي ، دون تحفيز للقيام بذلك ، باسم الانبعاث العفوي.

طالما أن ذرة تكمن في حالة متحمسه ، فإنه يمكن تحريضها أو تحفيزها لإصدار فوتون بواسطة موجة عارض من الفوتون الخارجي الذي تكون طاقته متساوية تمامًا مع طاقة الفوتون التي تحررها الذرة في حالة الانبعاث التلقائي. هذا هو ما يسمى بالانبعاثات المستحثة أو المحفزة للإشعاع.

ونتيجة لذلك ، تتضخم الموجة الحادثة من خلال الموجة المنبعثة من الذرّة المثارة. لإنتاج شعاع ليزر من الضروري أن تكون الموجة المنبعثة في الطور بالضبط مع الموجة التي تسببها. بهذه الطريقة يمكن لليزر تحويل الضوء الكهربائي أو الطاقة الحرارية أو الكيميائية إلى إشعاع أحادي اللون متماسك في المناطق فوق البنفسجية أو المرئية أو تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي.

من بين الليزرات ذات الحالة الصلبة المستخدمة في الأغراض الصناعية ، فإن مادة الليزني غالباً ما تكون الياقوت. روبي هو أكسيد الألومنيوم الذي فيه 0 - 0٪ ذرات كروم. لا تقدم ذرات الكروم أيونات نشطة فقط للعمل بالليزر ولكنها تعطي أيضًا الياقوت الأحمر لونه المميز. تصدر أيونات الكروم ضوءًا أحمرًا عند تحفيزها بواسطة الضوء الأخضر. لكي تتم عملية الليزر يجب أن تحدث عملية الانبعاث المحفز في كثير من الأحيان مقارنة بعملية امتصاص الفوتون. ووفقًا لنظرية الكَمِّ ، فإن احتمال حدوث هاتين العمليتين يعتمد فقط على التعداد النسبي لمستوى الطاقة المعني وفقًا لنسبة بولتزمان.

N ₂ / N ₁ = exp E ₁ - E ₂ / kT ……. (14.3)

أين،

N ₁ = عدد الذرات عند مستوى طاقة أقل E _{1 ،}

N ₂ = عدد الذرات عند مستوى طاقة أعلى E _{2 ،}

T = درجة حرارة مطلقة ،

ك = ثابت بولتزمان.

يتم الحصول على انبعاث الليزر عند ملء المستوى العلوي على حساب المستوى السفلي. ويشار إلى مثل هذا الوضع على أنه انعكاس جماعي ، وتسمى طريقة تحقيق ذلك بـ PUMPING. يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة بصريًا عن طريق أنبوب فلاش.

إن مليارات الذرات أو الجزيئات أو الأيونات من الوسط النشط تمتص الطاقة عند ضخها ، والتي تحملها لفترة قصيرة جدًا ولكن عشوائية ، عندما تنتهي فترة حياتها تتخلى عن طاقتها في شكل فوتون كل منها وتعود إلى سابقاتها. الدولة حتى تضخ مرة أخرى. تتحرك الفوتونات الصادرة في جميع الاتجاهات فيما يتعلق بالمحور البصري للليزر.

إذا كان الفوتون يصطدم بذرة أخرى منشّطة ، وما إلى ذلك ، فإنه يتسبب في إطلاق الفوتون قبل الأوان ، وسوف يسافر الفوتونين في الطور حتى الاصطدام التالي. يتم فقدان الفوتونات التي لا تسير بالتوازي مع المحور البصري للليزر بسرعة من النظام.

يمتد مسافرون متوازيون مع المحور بطول مسارهم بشكل كبير من خلال الملاحظات البصرية التي توفرها المرايا ، قبل أن يغادروا تجويف الليزر من خلال المرآة التي تنقل جزئياً. يساعد هذا الإجراء في الحصول على حزمة إضاءة متسقة عالية المستوى لمستوى الطاقة المطلوب.

شعاع السلطة والوضع:

كثافة الطاقة عبر قطر شعاع خرج الليزر ليست موحدة وتعتمد على الوسط النشط لليزر ، أبعاده الداخلية ، تصميم الملاحظات البصرية ونظام الإثارة المستخدم. ويسمى الشكل العرضي المستعرض العرضي لشعاع الليزر ، الذي يوضح توزيع الطاقة ، الوضع الكهرومغناطيسي المستعرض (TEM). يمكن تصميم العديد من TEMs مختلفة ويتم تصنيف كل نوع من خلال عدد.

بشكل عام ، كلما كان العدد أكبر كلما كان من الصعب تركيز شعاع الليزر على بقعة دقيقة لتحقيق كثافة طاقة عالية ، وهو أمر مهم جدًا عند اللحام بالليزر. غالباً ما يتم استخدام الليزر مع TEM ₀₀ و TEM ₁₀ و TEM ₁₁ و TEM ₁₁ و TEM ₂₀ ومجموعات من هذه الأوضاع. يوضح الشكل 14.17 (A) الأشكال الأساسية لمحات طاقة الحزمة من هذه الأوضاع. تنتج بعض أجهزة الليزر عدة أوضاع مختلفة وعادة ما يشار إليها على أنها تعمل في وضع متعدد.

معدات ليزر روبي وإعداد ليزر اللحام:

تتكون معدات روبي الليزر أساسًا من رأس ليزر وإمدادات الطاقة. يوضح الشكل 14.18 تخطيطًا لمثل هذا الليزر. وتتكون من قضيب روبي قطره حوالي 5-15 ملم ويبلغ طوله من 100 إلى 200 ملم. يحدد قطر وطول قضيب روبي قوة انبعاث الليزر.

نهاياتها مصقولة إلى شقق بصرية ومن ثم فضية للحصول على سطح عاكس 100٪ في نهاية واحدة و 90-98٪ عاكسة على الطرف الآخر الذي يوفر خرج شعاع الليزر. توفر المسافة بين النهايتين العاكسة التجويف الرنيني عند ترددات يكون التباعد فيها عددًا لا يتجزأ من نصف الأطوال الموجية.

يتم إنتاج الأسطح العاكسة بواسطة أي من نوعي الطلاء. يتم إنتاج نوع واحد من الطلاء بإيداع طبقة رقيقة من المعدن مثل الألومنيوم أو الفضة أو الذهب. ومع ذلك ، قد يتم حرق هذا الطلاء المعدني مع الاستخدام وبالتالي تفقد جودته الانعكاسية.

يمكن إنتاج طبقة عاكسة عالية الأداء من خلال طلاء نهايات مادة الليزر مع العديد من الأفلام غير الموصلة ، مما ينتج مرآة عازلة للكهرباء. تعتمد المروحة العازلة على التداخل بين موجات الضوء التي تنعكس في الأفلام متعددة الطبقات ، والتي تتكون في معظمها من الكبريتيدات والفلورايد.

يتم وضع قضيب روبي مصقول في وسط رأس الليزر ويتم وضعه في أنبوب زجاجي شفاف. يتم تداول غاز النيتروجين البارد على سطح قضيب الياقوت ويتدفق من خلال مسار العودة خارج الأنبوب الزجاجي. بين الأنبوب الزجاجي وأنبوب الفلاش هو أنبوب زجاجي مزدوج الجدار مفرغ لتوفير درع مفرغ.

يحتوي الأنبوب الفراغي المزدوج الجدران على نيتروجين سائل يوفر إمدادًا بالغاز البارد الذي يتم الحصول عليه عن طريق خرطوم معزول إلى رأس الليزر. يمنع الأنبوب المفرغ تدفق الحرارة من أنبوب الفلاش إلى قضيب روبي ولكن انتقال الضوء لا يتأثر كثيراً.

يتم توفير غلاف خارجي داخل حاوية أسطوانية مزدوجة عاكسة مزدوجة لإحاطة المجموعة بأكملها وذلك لإعطاء أقصى قدر من الضوء لقضيب الياقوت كما هو موضح في الشكل 14.19. يتم توفير القامع لمنع الانحناء بين مصباح الفلاش Xenon والقشرة الخارجية. مصباح الفلاش هو الأكثر فعالية عندما يكون دافئًا. لذلك ، للحفاظ على الدفء وفي نفس الوقت منع الانحناء بسبب الرطوبة ، يتم تدوير الهواء الساخن باستمرار على مصباح الفلاش.

يتكون نظام تزويد الطاقة لوحدة اللحام بالليزر من وحدة الطاقة لأنبوب الفلاش ، ومصراع تشغيل اللولبي ومحول الإضاءة على مقعد ، ورئيس الليزر. يتم تنشيط أنبوب الفلاش مع إمدادات 18 KV. تحتوي دائرة الأنبوب الفلاشي على ملفات قابلة للضبط لتغير وقت التفريغ والذي بدوره يختلف من مدة نبض الضوء التي يطلقها أنبوب الفلاش.

لضخ ليزر الياقوت عادة ما يتم استخدام أنبوب فلاش Xenon الذي يتكون من مصباح مصنوع من كوارتز شفاف بصري يحيط بإلكترودين من التنغستن. عندما يكون المصباح مطفأ ، يكون الضغط داخل المصباح 10 جو. يتم توفير الطاقة لمصباح الزينون بواسطة مصدر تيار مستمر بجهد لا يقل عن 70 فولت ، وميزة فولت متدفق أمبير.

يمكن تشغيل مصابيح الفلاش Xenon بشكل مستمر لمئات الساعات بمعدل آلاف الوميض في الثانية. يمكن أن يحتوي مصدر الفلاش الشديد المكثف على مخرج يتراوح ما بين عشرات الملايين من طاقة الشمعة ، كما أن مصدر الضوء القوسي القصير يمكن أن يستغرق مدة زمنية قصيرة تصل إلى 1µ.sec (ميكروثانية واحدة). من خلال التشغيل بهذه الطريقة ، يصبح المصباح جهازًا فعالاً لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية ، وهي عملية ضخ الليزر.

نظرًا لأن ضوء الليزر يكون أحادي اللون تقريبًا ، ومتماسكًا ومتماسكًا بشكل أساسي ، فمن السهل التركيز عليه باستخدام أجهزة بصرية شائعة الاستخدام مثل الموشورات والعدسات. ومع ذلك ، فإن الشعاع يركز أيضًا على العدسات الهاليدية ونظام المرآة.

تصنف الليزر على أنها منخفضة الطاقة (10 KW) ليزر.

تشغيل اللحام بالليزر:

يتم ضخ ليزر الياقوت بواسطة أنبوب زينون أو كريبتون. عندما ينير أنبوب الفلاش العصا ، يتم توجيه معظم ذرات الكروم إلى حالة متحمس. يحدث عمل الليزر في قضيب الياقوت عندما يتم ضخ ما يزيد عن نصف ذرات الكروم إلى مستوى الطاقة المرتفع أو الحالة المتقلقلة مما يؤدي إلى انقلاب السكان. يبدأ العمل بالليزر إذا كانت ذرة مستثارة تنبعث عفونا من الفوتون على طول محور قضيب روبي.

سيحفز هذا الفوتون ذرة أخرى متحركة لإصدار فوتون ثان (أو مستحث). وتستمر هذه العملية بشكل تراكمي لأن الفوتونات تنعكس من نهايات قضيب وتقطع التجويف الرنانة بشكل متكرر لتشكيل جبهة الموجة. نتيجة لهذه الانعكاسات المتعددة من كلا طرفي قضيب روبي ، يتم بناء قوة الحزمة إلى مستوى هائل.

إذا تجاوزت شدة الضوء من أنبوب الفلاش مستوى حرجًا ، فإن إجراء الليزر يحدث ويتم إرسال حزمة قوية من الفوتونات ذات طول موجي 6943A في بضعة آلاف من الثانية. شعاع الليزر الناتج هو اتجاهي ، قوي ، أحادي اللون ومتماسك.

تُعطى كثافة الطاقة لحزمة الضوء في موضع العدسة بالمعادلة:

E = E / V ……… .. (144)

أين،

ρ = كثافة الطاقة

E = طاقة الحزمة ،

V = حجم التركيز.

حجم التركيز لحزمة الليزر صغير جدا. لذلك ، يمكن أن تكون كثافة الطاقة لهذه الحزمة عند التركيز عالية للغاية تصل إلى 10 ⁷ واط / سم ² . مدة نبضة الليزر قصيرة ، من 10 إلى ⁹ ثانية.

في اللحام بالليزر ، من المهم أن تكون النبضات مدتها القصوى والحد الأدنى من المباعدة ، أي تردد تكرار النبض العالي (PRF). ومع ذلك ، فإن ليزر روبي منخفض الكفاءة ويتم تحويل جزء كبير من طاقة الضخ إلى حرارة. يؤدي ذلك إلى أن يصبح قضيب روبي ساخنًا جدًا ، وبالتالي لا يمكن أن يعمل أنبوب الفلاش بشكل صحيح عند مستويات PRF عالية.

وهذا يستدعي سحب أكبر قدر ممكن من الحرارة الناتجة عن الضخ الضوئي قدر الإمكان ؛ على سبيل المثال ، بالنسبة إلى ليزر الحالة الصلبة بمخرج متوسط ​​يبلغ 400 واط ، يجب على نظام التبريد إزالة ما يقرب من 15 كيلو واط من الحرارة المهدرة. وبالتالي ، فإن إنتاج PRF ومقدار أشعة الليزر محدود بواسطة أنظمة التبريد الخاصة بهم. كفاءة الليزر الياقوتي منخفضة جدا. حوالي 0-1 ٪. على الرغم من هذه الحقيقة ، فإن ليزر الياقوت يستخدم على نطاق واسع كأدوات لحام.

مع ليزر اللحام الحالي ، يمكن أن يتراوح PRF بين 1 و 100 في الدقيقة. المنطقة التي يتم اختراقها بواسطة نبضة ليزر واحدة هي جزء من mm. هذا هو السبب في استخدام مثل هذا الليزر بشكل أكثر شيوعًا لإجراء الاتصالات الفورية فقط.

وبسبب انخفاض إنتاجها من PRF وطاقة منخفضة ، لا يمكن لليزر أن تتنافس مع عملية EBW القادرة على صنع اللحامات الضيقة والعميقة جدا في معادن المقياس الثقيل. ومع ذلك ، فإن لحام شعاع الليزر مقارنة بلحام شعاع الإلكترون أكثر تنوعا لأنه يمكنه لحام المعادن في الهواء ، وفي درع الغاز وحتى في الفراغ. أيضا ، يمكن لشعاع الليزر اللحام من خلال مواد شفافة لأنها لا تعرقل مرور ضوء الليزر.

الكثير من الضوء من ليزر يمر عبر جوانب قضيب روبي ولا يصبح جزءًا من شعاع الليزر. وبالرغم من الكفاءة المنخفضة للغاية ، فإن هذه الخسائر في الطاقة تكون مقبولة نظرًا لأن بقعة الضوء المركزة من الليزر تكون أكثر قوة بملايين المرات من الضوء الصادر عن مصباح الفلاش الذي يشرع عمل الليز ، وهو أكثر كثافة من الضوء في كثير من الأحيان. من هذا الطول الموجي المنبعث من منطقة مكافئة من سطح الشمس.

يتشكل ضوء الليزر المنبعث من قضيب روبي بشكل مناسب ويتم توجيهه إلى العمل بواسطة نظام بصري يتكون من منشور وعدسة وعدسة ملحقة. يمكن تضمين عدة عدسات ملحقة ، إذا لزم الأمر ، في النظام البصري لتركيز الشعاع على بقعة من 0-25 إلى 0-05 ملم في القطر. كثافة الطاقة عند نقطة التركيز عالية جداً بحيث يمكن إذابة أي مادة معروفة أو تبخرها أو ملحومة باستخدام حزمة ليزر مركزية.

تنعكس شعاع الليزر جزئياً أو ينحرف بواسطة أسطح معدنية ناعمة بينما لا يكون شعاع الإلكترون كذلك. عندما ينعكس جزء هام من شعاع الليزر ، فإنه قد يمنع نقل الطاقة إلى قطعة الشغل. ومع ذلك ، عندما تتجاوز كثافة طاقة حزمة الليزر المركزة 10 KW / mm ^{2 ،} يحدث تغير ملحوظ في نسبة الطاقة التي يمتصها السطح كما هو موضح في الشكل 14.20.

وبمجرد تجاوز مستوى العتبة هذا ، يتم نقل الطاقة بشكل محسّن وتتسبب حزمة الليزر في وجود نوع ثقب المفتاح للتغلغل. يرتبط هذا التحسن في نقل الطاقة مع تطور البلازما على سطح العمل. في حين أن هذه ميزة في المرحلة الأولية ، فإن توليد البلازما المفرطة على تجمع اللحام يصبح في النهاية عائقًا للحزمة.

لإنتاج حبات ناعمة بشكل جيد ، من الضروري حماية حوض اللحام مع بعض الغاز الخامل والهيليوم لتخدم الغرض الأفضل.

اللحام باستخدام شعاع الليزر غير ممكن فعليًا دون مستوى قدرة 1.5 كيلو وات ؛ بينما أعلى من هذا المستوى ، تبلغ القدرة القصوى للاختراق حوالي 2 مم / كيلووات.

معلمات عملية اللحام بالليزر:

يعتمد اختيار معاملات العملية على ثلاثة عوامل:

(1) عدد المكثفات والجهد المقابل للحصول على مستوى مدخلات الطاقة المرغوبة ، استناداً إلى العلاقة ،

E = 1 / 2CV ² ……… .. (14-5)

أين،

ج = السعة

V = الجهد

(3) الاختيار الصحيح للبصريات للتحكم في حجم وشكل بقعة الشعاع ،

(3) اختيار نقطة بؤرية للحزمة إما فوق سطح قطعة الشغل أو فوقه.

يعتبر عدد المكثفات المستخدمة للحصول على مستوى الطاقة المرغوب فيه من الاعتبارات الهامة. ينتج عن زيادة عدد المكثفات في الدائرة وقت أطول لدورة النبض مع انخفاض في قوة حزمة النبض.

للحصول على صوت كامل لاختراق الصوت مع عدم التقليل فمن المستحسن أن:

(1) يجب أن تكون طاقة شعاع الليزر كافية لصهر المعدن ولكنها ليست عالية بما يكفي لتبخيرها عند سرعة اللحام المختارة ،

(2) تكون مدة دورة النبض كافية بما يكفي لإجراء الحرارة من خلال سماكة المادة.

وثمة عامل آخر هو موقع النقطة المحورية للحزمة فيما يتعلق بسطح قطعة الشغل. يحدث الاختراق الأقصى عندما يتركز الشعاع قليلاً تحت السطح. يكون الاختراق أقل عندما تكون الحزمة مركزة على السطح أو داخل قطعة الشغل. يزيد عمق الاختراق مع زيادة قوة الشعاع.

خصائص اللحام للحام بالليزر:

وقد استخدم اللحام بالليزر لإنتاج مفاصل معدنية مماثلة وغير متشابهة مع الفولاذ والنحاس والنيكل والصلب غير القابل للصدأ وسبائك الألومنيوم وسبائك قاعدة النيكل والحديد والفلز والمعادن الحرارية.

نظرًا لمدخلات الطاقة المنخفضة جدًا في العمل ، يتم تقليل المنطقة المتأثرة بالحرارة والضرر الحراري للمواد المجاورة للحام. وقد لوحظت مسامية الجذر في بعض أنواع بناء السفن ، وهذا يُعزى إلى السرعة غير المرضية في نسبة الطاقة.

ترتبط مسامية الجذر في اللحامات المزدوجة مع تطور الغاز والوقت غير الكافي لإزالتها. أثبتت ليونة كافية ، من خلال اختبار الانحناء الجانبي ، في معظم اللحامات في هذه الفولاذ. تتميز اللحامات اللاصقة ذات الاختراق العميق ذاتيًا بخصائص ميكانيكية تقارن بشكل إيجابي مع اللحام القوسي التقليدي باستخدام معدن حشو.

يحدث تنقية معدن اللحام في ظل ظروف معينة أثناء لحام الفولاذ بسبب الامتصاص التفضيلي للحزمة بواسطة شوائب غير معدنية في المعدن مما يؤدي إلى تبخرها وإزالتها. إن ملاحظة تنقية منطقة الانصهار أثناء اللحام بالليزر للعديد من سبائك القاعدة الحديدية المختلفة يشير إلى أن هذا قد يكون خاصية فريدة للاختراق العميق ، اللحام بالليزر ذاتي المنشأ.

كما أظهر الفحص المعدني للحام الصلب انخفاضاً في محتوى التضمين الذي يعتبر مسؤولاً عن زيادة طاقة الجرف الخشبي وحجم الحبوب الخشنة نسبياً ومن ثم ارتفاع درجة الحرارة الانتقالية.

من السبائك الهيكلية شائعة الاستخدام ، أثبتت سبائك الألومنيوم أنها الأكثر صعوبة في اللحام بالليزر بسبب انعكاسها الأولي العالي للسطح وتشكيلها المسامية المماثلة لتلك الموجودة في لحام القوس.

وقد أظهرت الدراسات في لحام الفولاذ المقاوم للتآكل وسبائك التيتانيوم أنه يمكن إجراء المفاصل عالية الجودة على ورقة 0-1 إلى 2 مم. اللحامات تكون محكمة الإحكام وتكون 90٪ من قوة المعدن الأم. سرعة اللحام المستخدمة لمثل هذه اللحامات هي 17-25 سم / دقيقة.

تصميم اللحام المشترك للحام بالليزر:

تتشابه التصاميم المشتركة والوصلات المستخدمة في اللحام بالليزر بشكل عام مع تلك المستخدمة في لحام شعاعي الإلكترون. ومع ذلك ، فإن بعض التصاميم المشتركة المستخدمة في اللحام بالليزر للصفائح المعدنية تظهر أيضًا في الشكل 14.21. الفجوة المشتركة التي تزيد عن 3٪ من سماكة المادة قد تؤدي عادة إلى نقص في التعبئة. يتم الحصول على نتائج مماثلة إذا تم استخدام الطاقة المفرطة للحام ، مما أدى إلى الانخفاض. تتم معالجة الملء تحت التعبئة عن طريق إضافة معادن حشو أثناء تمرير اللحام الأساسي أو تمريرة ثانية تجميلية. يضاف أحيانا حشو المعدن لتعديل كيمياء اللحام المعدنية. في مثل هذه الحالة ، يمكن استخدام أخدود مربع ذي فجوة ضيقة أو أخدود فيد لتوفير الحشو المرغوب.

بصفة عامة ، ينطبق الإجراء الراسخ لإعداد اللحام المشترك على اللحام بالليزر أيضًا. يفضل وضع اللحام السفلي أو المسطح على الرغم من أن اللحام خارج الموضع مثل اللحام الأفقي والرأسي والعمودي العلوي يمكن أن يتم في ظروف جيدة داخل وضع لحام المفتاح.

تطبيقات لحام الليزر:

من بين المزايا الرئيسية للحام الليزر هو توليد الحرارة الشديدة التي تؤثر على منطقة صغيرة للغاية ، وبالتالي فإن متطلبات مدخلات الطاقة لصنع اللحام منخفضة. ونتيجة لهذه الخاصية المميزة لهذه العملية ، يمكن استخدامها في لحام المعادن غير المتشابهة بخصائص فيزيائية متنوعة على نطاق واسع. أيضا ، المعادن مع مقاومة كهربائية عالية نسبيا ومكونات مختلفة اختلفت إلى حد كبير يمكن أن يلحم الأحجام والكتل.

عادة لا يستخدم معدن حشو في اللحام بالليزر ولذلك يمكن لحام أي مكون في موضع معين شريطة أن يتم تركيز شعاع الليزر عند هذه النقطة. يمكن إجراء اللحامات بدقة عالية حتى بسماكة معدنية بجزء من mm. نظرًا لمعدلات التدفئة والتبريد العالية جدًا في اللحام بالليزر ، فإن نمو الحبوب محدود بالإضافة إلى التخلص من الإجهاد وتقليل عملية اللحام.

أحد التطبيقات التي تتناسب بشكل خاص مع ليزر اليوم هو تصنيع التوصيلات الدقيقة. لذلك ، تم العثور على لحام ليزر مناسب بشكل خاص للهندسة اللاسلكية والإلكترونيات لأسلاك اللحام الدقيقة التي تؤدي إلى أفلام على ألواح الدوائر المصغرة ، والدوائر الصلبة ، والوحدات الصغيرة.

يمكن لشعاع الليزر اللحام على المكونات الأكثر تنوعا من المعدن المستخدم في الإلكترونيات الدقيقة ، على سبيل المثال ، يمكن لحام كل من الذهب والسيليكون والذهب والجرمانيوم والنيكل والتنتالوم والنحاس والألومنيوم أن يلحم بنجاح باستخدام لحام شعاع الليزر.

لحام من أسلاك النيكل قطرها 0.5 مم في التكوين المتوازي ، لحام البقعة لشرائط النيكل سميكة 0.125 مم ، الختم المحكم للوحدات الإلكترونية ، ولحام أنبوب التيتانيوم بسمك 0.25 مم لسدادة التيتانيوم 0.625 مم هي بعض التطبيقات المحددة المبلغ عنها حول الاستخدام لحام شعاع الليزر.

المتغيرات من لحام شعاع الليزر:

وبصرف النظر عن أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة مثل ليزر الياقوت ، هناك أيضاً أشعة الليزر التي تكون فيها مواد الليزر عبارة عن سوائل مثل محاليل أكسيد النيوديميوم ، وبعض الأصباغ ، إلخ. الليزرات السائلة غير العضوية قريبة جدًا من القدرات والأداء إلى الحالة الصلبة النبضية الليزر ولكن تجاوزها من حيث قوة النبض خارج ، لأن عناصر lasing بهم كبيرة في الحجم.

ثالث وطبقة الليزر الأكثر كفاءة هي الطبقة التي تكون فيها مواد الليزر عبارة عن بلورات أحادية من أشباه الموصلات مثل الغاليوم وأرسينيد الإنديوم ، والسماح للكادميوم ، والسيلينيوم والكبريت ، إلخ. أشباه الموصلات صغيرة الوزن ، تحتاج إلى مدخلات منخفضة الطاقة ولها كفاءة عالية تصل إلى 70 ٪.

رابع وربما أهم فئة من أنواع الليزر هي تلك التي تستخدم الغازات ومخاليطها مثل الهيدروجين والنيتروجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون. تتمتع ليزر الغاز بأكبر نطاق من الإشعاع وأعلى خرج للطاقة في التشغيل المستمر للموجة (CW) بالتزامن مع كفاءة عالية إلى حد ما تتراوح بين 15 و 25٪.

من بين كل هذه المتغيرات ليزر ثاني أكسيد الكربون و ND: يتم استخدام ليزر YAG على نطاق واسع للتطبيقات الصناعية لأنها قادرة على تشغيل multikilowatt دائم وبالتالي فهي تناقش بالتفصيل هنا.

الأتمتة في لحام شعاع الليزر:

يمكن استخدام العين البشرية لمراقبة شعاع الليزر بشرط أن يكون داخل المنطقة المرئية (أي ، الطول الموجي بين 0.3 و 0.7 ميكرومتر) من الطيف. ومع ذلك ، في أغلب الأحيان يكون ضوء الليزر المستخدم في اللحام غير مرئي للعين البشرية كما يتضح من الشكل 14.45 الذي يوفر إرشادات حول موقع الطيف لبعض الأطوال الموجية الأكثر شعبية لشعاع الليزر. ولذلك فمن الضروري استخدام الأتمتة للاستخدام الفعال والناجح لحزمة الليزر للحام ، وإلا فقد ينتج عنها تصنيع غير مقبول أو قد يؤدي إلى حوادث خطيرة.

عند الحاجة إلى أتمتة أو كفاءة أكبر ، يتم استخدام كاشفات موضع شعاع الليزر لتحديد موقع شعاع الليزر ووضعه. لهذا الغرض ، تتوفر أجهزة الكشف عن المواقع لواحد أو اثنين من كشف الأبعاد لحزمة الليزر. يظهر الشكل 14.46 مخطط مبسط لنظام محاذاة ليزر مع كاشف رباعي. كل رباعي من الكاشف هو ثنائي ضوئي منفصل ينتج إشارة خرج كهربائية تتناسب مع قوة الضوء التي يستقبلها.

إذا تم تركيز شعاع الليزر الساقط على المكشاف ، فإن كل جزء من جهاز الكشف الرباعي يتلقى نفس المقدار من الطاقة. عندما لا تتمركز شعاع الليزر ، سيحصل واحد أو ربعين من الكاشف على المزيد من الطاقة الضوئية. وقد تم تصميم الأنظمة التي تستخدم مخرجات الكواشف الرباعية لإعطاء موضع شعاع الليزر نسبة إلى مركز الكاشف. جعلت التطورات الحديثة في أنظمة رؤية الكمبيوتر نظامين للكشف عن صفيف الصمام الثنائي البعد متاح على نطاق واسع في الصناعة. يمكن استخدام الثنائيات الضوئية ذات البعد الواحد أو الثنائيات الجانبية.

باستخدام كاشف الموقع المناسب بالاقتران مع نظام آلي / روبوتي ، من الممكن تحقيق الجودة المطلوبة في التصنيع الملحوم.

جوانب السلامة من اللحام بالليزر:

وتشمل المخاطر الطبيعية المرتبطة بحامض أشعة الليزر تلف العين ، وحروق الجلد ، والتأثير على الجهاز التنفسي ، والصدمات الكهربائية ، والأخطار الكيميائية ، ومخاطر التعامل مع المبردات المبردة.

لا تنتج أشعة الليزر أشعة سينية أثناء التشغيل العادي ، إلا أنها تنتج ضوءًا عالي الكثافة يمكن أن يضر بصر العين أو يسبب حروقًا شديدة. إذا كان الطول الموجي بين 0.4 و 1.4 ميكرومتر ، فإن نظام العين البشري يركز على شعاع الحادث بمقدار 10 ⁵ مرات على الشبكية. تسمى هذه المنطقة ذات الطول الموجي منطقة التركيز العيني أو منطقة خطر الشبكية.

النسبة المرئية من منطقة التركيز البصري التي تكتشف العين فيها اللون تتراوح فقط من حوالي 0.4 إلى 0.7 ميكرومتر. لا يتم اكتشاف الأطوال الموجية في المدى من 0.7 إلى 1.4 ميكرومتر بواسطة شبكية العين ، فهي غير مرئية لنظام العين ، على الرغم من أنها قابلة للعين من قبل العين.

وهكذا ، إذا كان طول الموجة للحزمة في منطقة تركيز العين ، يحدث تلف العين في أنسجة الشبكية لأنه يتم امتصاص القليل من الطاقة بالقرنية والعدسة والأنسجة المائية. ومع ذلك ، يتم امتصاص الأطوال الموجية خارج المنطقة القابلة للتركيز من المكونات الخارجية للعين ، مما يضر خاصة القرنية.

ولذلك ، فمن الضروري الحصول على المعرفة المسبقة بالطول الموجي لحزمة الليزر والشكل 14.45 الذي يوفر المعلومات الضرورية.

يجب توخي الحذر عند استخدام النظارات المناسبة لنظام الليزر المحدد. في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء الأطول ، على سبيل المثال 10.6 ميكرومتر الطول الموجي من ليزر ثاني أكسيد الكربون ، حتى الزجاج العادي غير شفاف.

من الممارسات الشائعة التأكد من طلاء مناطق العمل حول أشعة الليزر بالألوان الفاتحة وإضاءة مشرقة.

يمتص الجلد جميع أطوال الموجات الليزرية ولكن هناك حاجة إلى طاقة أكبر بكثير لتلف الجلد أكثر من تلف العين ، وهناك حاجة إلى مزيد من الطاقة من أشعة الليزر المستمرة للضرر أكثر من أشعة الليزر النبضي. إذا كان الليزر يصدر إشعاعًا مستمرًا لمدة لا تقل عن 0.25 ثانية ، فيعتبر ليزر موجه مستمر. تتميز أجهزة ليزر Excimer و CO ₂ بالقدرة على إلحاق الضرر بالجلد. توفر القفازات والقفازات طويلة الأكمام المقاومة للاحتراق حماية كافية للبشرة في معظم الحالات.

على الرغم من أن شعاع الليزر لا ينحرف عن طريق المجالات الكهرومغناطيسية أو الكهرومغناطيسية ، فإن الحزمة تنعكس جزئياً أو تنحرف بواسطة أسطح معدنية ناعمة قد تؤثر على العين أو الجلد ، ويمكن أن تكون حروق الليزر عميقة وبطيئة جداً للشفاء.

تنطوي معظم أنظمة الليزر على استخدام تيار كهربائي عالي الجهد العالي ، وبالتالي فإن إمكانية حدوث صدمة كهربائية قاتلة موجودة على الإطلاق. كانت جميع الحوادث الخطيرة أو المميتة التي تصيب أشعة الليزر ، على وجه التقريب ، مرتبطة بالإمدادات الكهربائية. وبالتالي ، لا تعمل بمفردها عند تشغيل ليزر عالي الطاقة مباشرةً.

قد تتشكل أبخرة معدنية سامة أو دقيقة أثناء اختراق عميق ولحام تجريبي على اللدائن. توليد البلازما الحاد قد ينتج الأوزون مما يستدعي توفيرًا كافيًا لأنظمة التهوية والعادم.

في الختام يمكن القول أن الليزر آمن مثل أي أداة أخرى عالية الطاقة وينبغي التعامل معه بشكل صحيح. تقع على المستخدم مسؤولية تعلم كيفية التعامل معها بشكل صحيح.