01
مقدمة
نظرًا لكثافة الطاقة العالية، وانخفاض الحرارة المدخلة، وطبيعة عدم الاتصال-، فقد برزت تقنية اللحام بالليزر كواحدة من العمليات الأساسية في التصنيع الدقيق الحديث. ومع ذلك، فإن مشكلات مثل الأكسدة، والمسامية، والاحتراق العنصري-الإيقاف-الناتجة عن التلامس بين مجمع اللحام والغلاف الجوي أثناء عملية اللحام-تقيد بشدة الخواص الميكانيكية وعمر الخدمة لطبقات اللحام. باعتبارها الوسيلة الحرجة للتحكم في بيئة اللحام، يجب أن يقترن اختيار نوع غاز التدريع ومعدل التدفق وطريقة التسليم بعناية بخصائص المادة المحددة (مثل التفاعل الكيميائي والتوصيل الحراري) وسمك قطعة العمل.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
02
أنواع الغازات التدريع
تتمثل الوظيفة الأساسية لغاز التدريع في عزل الأكسجين وتنظيم سلوك حوض اللحام وتعزيز كفاءة اقتران الطاقة. بناءً على خواصها الكيميائية، يمكن تصنيف الغازات التدريعية على نطاق واسع إلى غازات خاملة (مثل الأرجون والهيليوم) وغازات نشطة (مثل النيتروجين وثاني أكسيد الكربون). تتميز الغازات الخاملة بثبات كيميائي عالي، مما يمنع بشكل فعال أكسدة حوض اللحام. ومع ذلك، فإن الاختلافات الكبيرة في خواصها الفيزيائية الحرارية يمكن أن تؤثر بشكل عميق على نتائج اللحام. على سبيل المثال، يتميز الأرجون (Ar) بكثافة عالية (1.784 كجم/م3)، مما يمكنه من تشكيل بطانية واقية مستقرة فوق حوض اللحام؛ على العكس من ذلك، فإن الموصلية الحرارية المنخفضة (0.0177 واط/م·ك) تؤدي إلى تبريد أبطأ لحوض اللحام وعمق اختراق أقل. في المقابل، يُظهر الهيليوم (He) موصلية حرارية حوالي ثمانية أضعاف تلك التي للأرجون (0.1513 واط/م·ك)، وبالتالي تسريع تبريد حوض اللحام وزيادة عمق الاختراق؛ ومع ذلك، فإن كثافتها المنخفضة (0.1785 كجم/م3) تجعلها عرضة للتشتت السريع، مما يستلزم معدلات تدفق أعلى للحفاظ على الحماية الفعالة. يمكن للغازات النشطة-مثل النيتروجين (N₂)-، في بعض التطبيقات، تعزيز قوة وصلة اللحام من خلال تقوية المحلول الصلب-؛ ومع ذلك، فإن استخدامها المفرط قد يؤدي إلى المسامية أو هطول الأمطار في مراحل هشة. على سبيل المثال، عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين، يمكن أن يؤدي ذوبان النيتروجين في حوض اللحام إلى تعطيل توازن طور الأوستينيت من الفريت، مما يؤدي إلى انخفاض في مقاومة التآكل.
من منظور آليات العملية، تعمل طاقة التأين العالية للهيليوم (24.6 فولت) على كبح تأثير درع البلازما وتعزيز امتصاص طاقة الليزر، وبالتالي زيادة عمق الاختراق. على العكس من ذلك، تميل طاقة التأين المنخفضة للأرجون (15.8 فولت) إلى توليد عمود من البلازما، مما يستلزم استخدام تقنيات مثل إلغاء التركيز أو تعديل النبض للتخفيف من التداخل. علاوة على ذلك، فإن التفاعلات الكيميائية بين غازات التدريع النشطة والمجمع المنصهر-مثل تكوين النتريدات من خلال تفاعل النيتروجين مع الكروم في الفولاذ-قد تغير تركيبة اللحام؛ ولذلك، يجب أن يتم اختيار غاز التدريع بحذر، مع الأخذ بعين الاعتبار خصائص المواد المحددة.
**أمثلة على تطبيقات المواد:**
• **الصلب:** في لحام الصفائح الرقيقة (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 مم)، ومع ذلك، يلزم إضافة صغيرة من الهيليوم (He) لزيادة عمق الاختراق.
• **الفولاذ المقاوم للصدأ:** يمنع درع الأرجون استنفاد محتوى الكروم (Cr). في اللحام على الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بسمك 3 مم، يصل محتوى الكروم إلى 18.2% (يقترب بشدة من 18.5% في المعدن الأساسي). من ناحية أخرى، يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج خليط Ar-N₂ (مع N₂ أقل من أو يساوي 5%) للحفاظ على نسبة طور متوازنة. تشير الدراسات إلى أنه عند اللحام بسمك 8 مم من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 باستخدام خليط Ar-2%N₂، تستقر نسبة الطور من الفريت - إلى - الأوستينيت عند 48:52، مما يؤدي إلى قوة شد تبلغ 780 ميجا باسكال متفوقة على تلك التي تم تحقيقها باستخدام درع الأرجون النقي (720 ميجا باسكال).
• **سبائك الألومنيوم:** *ألواح رقيقة (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 مم):* يتطلب لحام ألواح الألومنيوم السميكة مدخلات طاقة عالية؛ يوفر خليط الهليوم-الأرجون (He:Ar=3:1) توازنًا بين تحقيق عمق اختراق كافٍ وإدارة التكاليف. على سبيل المثال، عند لحام ألواح 5083 بسمك 8 مم، يؤدي التدريع بهذا الخليط إلى عمق اختراق يبلغ 6.2 مم-تحسن بنسبة 35% عن الأرجون النقي-مع تقليل تكاليف اللحام في نفس الوقت بنسبة 20%.
