بصفتي خبيرًا في صناعة الصفائح المعدنية، أُدرك أهمية الاستثمار في المعدات المناسبة. من الأدوات الأساسية لأي مصنع صفائح معدنية: آلات اللحام بالليزرتتميز هذه الآلات بدقة وسرعة وكفاءة لا مثيل لها، مما يجعلها أساسية لتحسين الإنتاجية وتحقيق نتائج عالية الجودة. في هذه المقالة، سأشرح لك السبب. آلات اللحام بالليزر لا غنى عنها وكيف يمكنها إحداث ثورة في عمليات تشغيل المعادن الخاصة بك.

آلات اللحام بالليزر

اللحام بالليزر هو نوع جديد من اللحام، يُستخدم بشكل رئيسي للمواد رقيقة الجدران والأجزاء الدقيقة، ويتميز بسهولة التشغيل ودقة اللحام وسرعته العالية. وقد اكتسبت آلات اللحام بالليزر، باعتبارها آلة صغيرة أساسية للمصانع والمنازل، شعبية كبيرة في السنوات الأخيرة. في هذه المقالة، سنقدم لكم شرحًا مفصلاً لآلات اللحام بالليزر من عدة جوانب لمساعدتكم على فهمها وشرائها بشكل أفضل.

مبدأ العمل

اللحام بالليزر هو استخدام نبضات ليزر عالية الطاقة على مادة في منطقة تسخين موضعي صغيرة. تنتقل طاقة إشعاع الليزر من خلال التوصيل الحراري إلى الانتشار الداخلي للمادة. تذوب المادة لتكوين بركة ذوبان محددة. إنها طريقة لحام جديدة، تُستخدم بشكل رئيسي في لحام المواد رقيقة الجدران، والأجزاء الدقيقة، واللحام النقطي، واللحام التناكبي، واللحام المكدس، واللحام المانع للتسرب، وما إلى ذلك. تتميز بنسبة عالية من العمق إلى العرض، وعرض لحام صغير، ومنطقة تأثر حراري صغيرة، وتشوه صغير، وسرعة لحام عالية، ودرز لحام مسطح وجميل، وبدون معالجة أو معالجة بسيطة بعد اللحام، ودرز لحام عالي الجودة، وخالي من المسامية، وتحكم دقيق، ونقطة تركيز صغيرة، ودقة عالية في تحديد المواقع، وسهولة تحقيق الأتمتة. اللحام سهل الأتمتة.

الأنواع الرئيسية

تُعرف آلات اللحام بالليزر أيضًا باسم آلات اللحام بالليزر ذات التغذية الراجعة السلبية للطاقة، وآلات اللحام بالليزر البارد، وآلات اللحام بالليزر بالأرجون، ومعدات اللحام بالليزر، وغيرها. ووفقًا لطريقة عملها، يُمكن تقسيمها غالبًا إلى: آلة حرق قوالب الليزر (معدات اللحام بالليزر اليدوية)، وآلة اللحام بالليزر الأوتوماتيكية، وآلة لحام المجوهرات بالليزر، وآلة لحام البقع بالليزر، وآلة لحام الألياف البصرية بالليزر، وآلة لحام المرآة المهتزة، وآلة اللحام اليدوية، وغيرها. ومن بين معدات اللحام بالليزر الخاصة آلات لحام الاستشعار، ومعدات لحام صفائح الفولاذ السيليكوني بالليزر، ومعدات لحام لوحة المفاتيح بالليزر. أما الأشكال القابلة للحام فهي: النقاط، والخطوط، والدوائر، والمربعات، أو أي أشكال مسطحة مرسومة ببرنامج أوتوكاد.

المعلمات الرئيسية

كثافة الطاقة من أهم المعايير في معالجة الليزر. فمع كثافة طاقة عالية، يمكن تسخين الطبقة السطحية إلى درجة الغليان في غضون ميكروثانية، مما يُنتج كمية كبيرة من الأبخرة. لذلك، تُعدّ كثافات الطاقة العالية مفيدة لعمليات إزالة المواد مثل الثقب والقطع والنقش. أما في كثافات الطاقة المنخفضة، فتستغرق درجة حرارة الطبقة السطحية عدة ملي ثانية للوصول إلى درجة الغليان، وتصل الطبقة السفلية إلى درجة الانصهار قبل أن تتبخر الطبقة السطحية، مما يُسهّل تشكيل لحام انصهار جيد. لذلك، تتراوح كثافة الطاقة في لحام الليزر بالتوصيل بين 104 و106 واط/م².

يُعدّ شكل موجة النبضة مسألةً بالغة الأهمية في اللحام، وخاصةً لحام الصفائح الرقيقة. عند توجيه شعاع عالي الكثافة إلى سطح المادة، تُفقد الطاقة المنعكسة من سطح المعدن، ويتغير معدل الانعكاس باختلاف درجة حرارة السطح. ويختلف انعكاس المعدن اختلافًا كبيرًا على مدار مدة النبضة.

يعد عرض النبضة أحد المعايير المهمة في اللحام النبضي، سواء من حيث إزالة المواد أو إذابة المواد، وأيضًا كمعيار رئيسي في تحديد تكلفة وحجم معدات المعالجة.

يعود تأثير حجم الانحراف عن التركيز إلى كثافة الطاقة العالية في مركز البقعة عند نقطة بؤرة الليزر، والتي تميل إلى التبخر في حفرة. تتوزع كثافة الطاقة بالتساوي نسبيًا في جميع المستويات بعيدًا عن نقطة بؤرة الليزر. هناك نوعان من إزالة التركيز: إزالة التركيز الإيجابية وإزالة التركيز السلبية. يقع المستوى البؤري فوق قطعة العمل لإزالة التركيز الإيجابية، والعكس صحيح لإزالة التركيز السلبية. وفقًا لنظرية البصريات الهندسية، عندما تكون المسافة الموجبة والسالبة لمستوى التركيز ومستوى اللحام متساوية، يكون المستوى المقابل لكثافة الطاقة متماثلًا تقريبًا، ولكن في الممارسة العملية يكون شكل حوض المصهور الناتج مختلفًا. مع إزالة التركيز السلبية، يمكن الحصول على عمق أكبر للصهر، وهو ما يرتبط بعملية تكوين حوض المصهور.

الميزات المفيدة

تتميز آلة اللحام بالليزر بأتمتة عالية وبساطة عملية اللحام. كما أن طريقة التشغيل غير التلامسية تلبي متطلبات النظافة وحماية البيئة. يزيد استخدام آلات اللحام بالليزر من كفاءة قطعة العمل، مما ينتج عنه مظهر جميل، ودرزات لحام صغيرة، وأعماق لحام كبيرة، وجودة لحام عالية. تُستخدم آلات اللحام بالليزر على نطاق واسع في معالجة أطقم الأسنان، ولحام لوحة المفاتيح، ولحام الفولاذ السيليكوني، ولحام المستشعرات، ولحام أغطية البطاريات، وغيرها الكثير. ومع ذلك، تواجه آلات اللحام بالليزر قيودًا في هذه المجالات نظرًا لتكلفتها العالية والدقة العالية المطلوبة لتجميع قطعة العمل.

مجالات التطبيق

تصنيع

تُستخدم تقنية اللحام بالليزر على نطاق واسع في صناعة السيارات الأجنبية. ووفقًا لإحصاءات عام 2000، تجاوز النطاق العالمي لخطوط إنتاج اللحام بالليزر لقطع الفراغات 100، وبلغ الإنتاج السنوي من مكونات السيارات الملحومة 70 مليون قطعة، وهو في نمو مستمر. كما يستخدم الإنتاج المحلي للنماذج المقدمة بعض الهياكل المقطوعة. في اليابان، يُستخدم اللحام بالليزر ثاني أكسيد الكربون بدلاً من اللحام التناكبي الوميضي لتوصيل ملفات الفولاذ المدرفلة في صناعة الصلب، ولا يمكن لحام الصفائح الرقيقة للغاية، مثل الرقائق التي يبلغ سمكها 100 ميكرون أو أقل، ولكن لحام ليزر YAG بموجة خرج خاصة ناجح، مما يُظهر مستقبلًا واعدًا للحام الليزر. كما نجحت اليابان في تطوير لحام ليزر YAG لأول مرة في العالم لإصلاح الأنابيب الرقيقة لمولدات البخار في المفاعلات النووية، وغيرها. كما تُجرى في اليابان أيضًا تقنية اللحام بالليزر للتروس.

مسحوق المعادن

مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، وتزايد المتطلبات الخاصة للمواد، لم تعد طرق الصهر والصب قادرة على تلبية هذه الاحتياجات. ونظرًا لخصائص ومزايا مواد المساحيق المعدنية الفريدة، فقد حلت الصناعات التحويلية محل مواد الصهر والصب التقليدية في بعض المجالات، مثل السيارات والطائرات والأدوات وأدوات القطع. ومع التطور المتزايد لمواد المساحيق المعدنية، ازدادت أهميتها في مجالات أخرى، مما حدّ من استخدامها. في أوائل الثمانينيات، ساهم اللحام بالليزر، بمزاياه الفريدة في مجال معالجة مواد المساحيق المعدنية، في فتح آفاق جديدة لتطبيقات مواد المساحيق المعدنية، مثل استخدام مواد المساحيق المعدنية الشائعة في لحام الماس باللحام، نظرًا لضعف قوتها واتساع نطاق تأثيرها الحراري، وعدم قدرتها على التكيف مع متطلبات درجات الحرارة والقوة العالية الناتجة عن ذوبان مواد اللحام العالية. ويمكن أن يُحسّن استخدام اللحام بالليزر من قوة اللحام ومقاومته لدرجات الحرارة العالية.

صناعة السيارات

في أواخر الثمانينيات، استُخدمت ليزرات فئة الكيلوواط بنجاح في الإنتاج الصناعي، واليوم، ظهرت خطوط اللحام بالليزر على نطاق واسع في صناعة السيارات، لتصبح أحد الإنجازات البارزة في هذه الصناعة. كان مصنعو السيارات الأوروبيون أول من استخدم اللحام بالليزر للحام الصفائح المعدنية للأسقف والهيكل والإطار الجانبي في أوائل الثمانينيات، وفي التسعينيات، تنافست الولايات المتحدة على إدخال اللحام بالليزر في صناعة السيارات، والتي تطورت بسرعة على الرغم من بدايتها المتأخرة. استخدمت إيطاليا اللحام بالليزر في تجميع لحام معظم مكونات صفائح الفولاذ، وتستخدم اليابان في تصنيع أغطية الهيكل في عملية اللحام والقطع بالليزر. يزداد استخدام تجميعات الفولاذ عالي القوة الملحومة بالليزر، نظرًا لأدائها الممتاز في تصنيع هياكل السيارات، ووفقًا لإحصاءات سوق المعادن الأمريكية، بحلول نهاية عام 2002، سيصل استهلاك الهياكل الفولاذية الملحومة بالليزر إلى 70000 طن مقارنة بعام 1998، بزيادة قدرها ثلاثة أضعاف. وفقًا لخصائص دفعة صناعة السيارات، ودرجة الأتمتة العالية، تُستخدم معدات اللحام بالليزر في اتجاه متعدد المسارات عالي الطاقة. في إطار البحث المشترك بين مختبر سانديا الوطني الأمريكي وشركة براتويتني في عملية اللحام بالليزر لإضافة مسحوق المعدن والأسلاك المعدنية، أجرى معهد بريمن الألماني لتكنولوجيا الحزم التطبيقية العديد من الدراسات لاستخدام اللحام بالليزر لهيكل سبائك الألومنيوم، حيث أثبتت أن إضافة معدن الحشو في اللحام يُساعد على التخلص من التشقق الحراري، ويُحسّن سرعة اللحام، ويُعالج مشكلة التفاوت. وقد بدأ خط الإنتاج المُطور في المصنع.

صناعة الإلكترونيات

يُستخدم اللحام بالليزر على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات، وخاصةً في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. بفضل منطقة التأثر الحراري الصغيرة، وتركيز التسخين السريع، والإجهاد الحراري المنخفض للحام الليزر، يُستخدم في تغليف الدوائر المتكاملة وأغلفة أجهزة أشباه الموصلات، مما يُظهر تفوقًا فريدًا. كما استُخدم اللحام بالليزر في تطوير الأجهزة الفراغية، مثل أقطاب تركيز الموليبدينوم المزودة بحلقات دعم من الفولاذ المقاوم للصدأ، وتجميعات خيوط الكاثود سريعة التسخين. أجهزة الاستشعار أو وحدات التحكم في درجة الحرارة في صفائح مموجة رقيقة الجدران مرنة، يتراوح سمكها بين 0.05 و0.1 مم. يصعب حل استخدام طرق اللحام التقليدية، كما أن لحام TIG سهل اللحام، وضعف استقرار البلازما، وتأثير العديد من العوامل، واستخدام اللحام بالليزر جيد جدًا، ويُستخدم على نطاق واسع.

الطب الحيوي

بدأ استخدام تقنية لحام الأنسجة البيولوجية بالليزر في سبعينيات القرن الماضي، حيث تم استخدام تقنية لحام قناتي فالوب والأوعية الدموية، وقد أظهرت هذه التقنية نجاحًا باهرًا، مما دفع المزيد من الباحثين إلى تجربة لحام أنواع مختلفة من الأنسجة البيولوجية، ثم امتدت إلى لحام أنسجة أخرى. ركزت أبحاث لحام الأعصاب بالليزر في الداخل والخارج على طول موجة الليزر، وجرعته، وقدرته على التعافي، بالإضافة إلى اختيار مواد لحام الليزر، وغيرها من جوانب البحث. أجرى ليو تونغجون تجارب لحام الأوعية الدموية الصغيرة والجلد بالليزر، بالإضافة إلى أبحاث أساسية أخرى، استنادًا إلى دراسات اللحام على القناة الصفراوية المشتركة للفئران. بالمقارنة مع طرق الخياطة التقليدية، يتميز لحام الليزر بسرعة التفاغر، وعدم تفاعل أي جسم غريب أثناء عملية الشفاء، والحفاظ على الخواص الميكانيكية للمنطقة الملحومة، ونمو الأنسجة المُصلحة وفقًا لخصائصها الحيوية الميكانيكية الأصلية.

مناطق أخرى

في الصناعات الأخرى، يتزايد استخدام اللحام بالليزر تدريجيًا، وخاصةً في لحام المواد الخاصة. أجرت الصين العديد من الدراسات، مثل اللحام بالليزر لسبائك التيتانيوم BT20، وسبائك HEl30، وبطاريات الليثيوم أيون، وغيرها. كما طورت ألمانيا تقنية جديدة للحام الزجاج المسطح بالليزر.

طرق اللحام

يُستخدم لحام المقاومة في لحام الأجزاء المعدنية الرقيقة، وذلك بتثبيت قطعة العمل الملحومة بين قطبين كهربائيين لإذابة السطح الملامس لها عبر تيار عالٍ، أي عن طريق التسخين المقاوم لقطعة العمل لتنفيذ عملية اللحام. تتشوه قطعة العمل بسهولة، ويُجرى لحام المقاومة بلحام جانبي المفصل، بينما يُجرى لحام الليزر من جانب واحد فقط. تحتاج الأقطاب الكهربائية المستخدمة في لحام المقاومة إلى صيانة دورية لإزالة الأكاسيد والمعادن الملتصقة بقطعة العمل، بينما لا يلامس لحام الليزر للمفاصل المعدنية الرقيقة قطعة العمل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لشعاع الليزر أن يدخل أيضًا إلى مناطق يصعب لحامها باللحام التقليدي، كما أن سرعة اللحام عالية.

لحام قوس الأرجون هو استخدام أقطاب كهربائية غير مستهلكة مع غاز درع، وتستخدم عادة في لحام قطع العمل الرقيقة، ولكن سرعة اللحام أبطأ، ومدخلات الحرارة أكبر بكثير من اللحام بالليزر، وعرضة للتشوه.

لحام القوس البلازمي يشبه قوس الأرجون، ولكن الشعلة تنتج قوسًا مضغوطًا لزيادة درجة حرارة القوس وكثافة الطاقة، وهو أسرع وأعمق من لحام القوس الأرجون، ولكنه أدنى من اللحام بالليزر.

يعتمد لحام شعاع الإلكترون على تدفق متسارع من الإلكترونات عالية الكثافة للطاقة يصطدم بقطعة العمل، مما ينتج عنه كمية هائلة من الحرارة في منطقة صغيرة كثيفة على سطح قطعة العمل، مما يخلق تأثير "ثقب صغير" وبالتالي تنفيذ لحام ذوبان عميق. تتمثل العيوب الرئيسية لحام شعاع الإلكترون في الحاجة إلى بيئة فراغ عالية لمنع تشتت الإلكترونات، وتعقيد المعدات، وحجم وشكل الجزء الملحوم محدودان بغرفة التفريغ، وجودة متطلبات تجميع الجزء الملحوم صارمة، ويمكن أيضًا تنفيذ لحام شعاع الإلكترون بدون فراغ، ولكن بسبب تشتت الإلكترونات وضعف التركيز يؤثر على النتائج. كما أن لحام شعاع الإلكترون يعاني من مشاكل الانحراف المغناطيسي والأشعة السينية، حيث أن الإلكترونات مشحونة كهربائيًا ويمكن أن تتأثر بالانحراف المغناطيسي، لذلك يجب إزالة المغناطيسية من قطع العمل لحام شعاع الإلكترون قبل اللحام. لا يتطلب اللحام بالليزر غرفة تفريغ أو إزالة المغناطيسية من قطعة العمل قبل اللحام، ويمكن تنفيذه في الغلاف الجوي ولا يواجه مشاكل الحماية من الأشعة السينية، لذلك يمكن تشغيله في خط مستقيم ويمكنه أيضًا لحام المواد المغناطيسية.

فيديو العرض التوضيحي