الليزر ذو الموجة المستمرة والليزر ذو الموجة شبه المستمرة في اللحام

خصائص توزيع الطاقة

من أبرز خصائص ليزرات الموجة المستمرة توزيعها الغاوسي للطاقة، حيث يتناقص توزيع الطاقة في المقطع العرضي لشعاع الليزر من المركز إلى الخارج وفق نمط التوزيع الغاوسي (التوزيع الطبيعي). تُمكّن هذه الخاصية ليزرات الموجة المستمرة من تحقيق دقة تركيز عالية للغاية وكفاءة معالجة فائقة، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب تركيزًا عاليًا للطاقة.

مخطط توزيع طاقة ليزر الموجة المستمرة

مزايا اللحام بالليزر ذي الموجة المستمرة (CW)

منظور البنية المجهرية

يكشف فحص البنية المجهرية للمعادن عن مزايا واضحة للحام الليزري ذي الموجة المستمرة (CW) مقارنةً باللحام النبضي شبه المستمر (QCW). يواجه اللحام النبضي شبه المستمر، المقيد بتردده الذي يبلغ عادةً حوالي 500 هرتز، مفاضلةً بين معدل التداخل وعمق الاختراق. يؤدي انخفاض معدل التداخل إلى عمق غير كافٍ، بينما يحد ارتفاعه من سرعة اللحام، مما يقلل من كفاءته. في المقابل، يحقق اللحام الليزري ذو الموجة المستمرة، من خلال اختيار أقطار قلب الليزر ورؤوس اللحام المناسبة، لحامًا فعالًا ومستمرًا. تُثبت هذه الطريقة موثوقيتها العالية، خاصةً في التطبيقات التي تتطلب إحكامًا عاليًا.

مراعاة التأثير الحراري

من منظور التأثير الحراري، تعاني لحام الليزر النبضي شبه المستمر من مشكلة التداخل، مما يؤدي إلى تسخين متكرر لخط اللحام. قد يُحدث هذا تباينات بين البنية المجهرية للمعدن والمادة الأصلية، بما في ذلك اختلافات في أحجام الانخلاعات ومعدلات التبريد، مما يزيد من خطر التصدع. في المقابل، يتجنب لحام الليزر المستمر هذه المشكلة من خلال توفير عملية تسخين أكثر تجانسًا واستمرارية.

سهولة التكيف

من حيث التشغيل والضبط، تتطلب لحام الليزر بتقنية QCW ضبطًا دقيقًا لعدة معايير، بما في ذلك تردد تكرار النبضات، وذروة الطاقة، وعرض النبضة، ودورة التشغيل، وغيرها. أما لحام الليزر بتقنية CW فيبسط عملية الضبط، حيث يركز بشكل أساسي على شكل الموجة، والسرعة، والطاقة، ومقدار عدم التركيز، مما يسهل عملية التشغيل بشكل كبير.

التقدم التكنولوجي في لحام الليزر المستمر

بينما تُعرف لحامات الليزر QCW بقدرتها العالية عند ذروة الطاقة وانخفاض مدخلاتها الحرارية، مما يُفيد في لحام المكونات الحساسة للحرارة والمواد ذات الجدران الرقيقة للغاية، فقد أدت التطورات في تقنية لحام الليزر CW، وخاصةً للتطبيقات عالية الطاقة (عادةً ما تزيد عن 500 واط) ولحام الاختراق العميق القائم على تأثير ثقب المفتاح، إلى توسيع نطاق استخدامها وكفاءتها بشكل ملحوظ. يُعد هذا النوع من الليزر مناسبًا بشكل خاص للمواد التي يزيد سمكها عن 1 مم، حيث يحقق نسب أبعاد عالية (أكثر من 8:1) على الرغم من مدخلات الحرارة العالية نسبيًا.

اللحام بالليزر شبه المستمر (QCW)

توزيع الطاقة المركزة

تقنية QCW، اختصارًا لـ "الموجة شبه المستمرة"، هي تقنية ليزرية تُصدر الضوء بشكل متقطع، كما هو موضح في الشكل (أ). على عكس التوزيع المنتظم للطاقة في الليزر أحادي النمط المستمر، تُركز ليزرات QCW طاقتها بكثافة أعلى. تمنح هذه الخاصية ليزرات QCW كثافة طاقة فائقة، مما يُترجم إلى قدرات اختراق أقوى. يُشبه التأثير المعدني الناتج شكل "المسمار" بنسبة عمق إلى عرض كبيرة، مما يسمح لليزر QCW بالتفوق في التطبيقات التي تتضمن سبائك عالية الانعكاس، ومواد حساسة للحرارة، ولحام دقيق للغاية.

استقرار مُحسّن وتقليل تداخل عمود الدخان

من أبرز مزايا لحام الليزر بتقنية الموجة المستمرة شبه المستمرة (QCW) قدرته على الحد من تأثير سحابة المعدن على معدل امتصاص المادة، مما يؤدي إلى عملية أكثر استقرارًا. أثناء تفاعل الليزر مع المادة، قد يؤدي التبخر الشديد إلى تكوين مزيج من بخار المعدن والبلازما فوق حوض الانصهار، وهو ما يُعرف عادةً بسحابة المعدن. قد تحجب هذه السحابة سطح المادة عن الليزر، مما يتسبب في عدم استقرار توصيل الطاقة وظهور عيوب مثل التناثر ونقاط الانفجار والحفر. مع ذلك، يضمن الانبعاث المتقطع لأشعة ليزر QCW (على سبيل المثال، نبضة مدتها 5 مللي ثانية تليها فترة توقف 10 مللي ثانية) وصول كل نبضة ليزر إلى سطح المادة دون أن تتأثر بسحابة المعدن، مما ينتج عنه عملية لحام مستقرة بشكل ملحوظ، وهو أمر مفيد بشكل خاص في لحام الصفائح الرقيقة.

ديناميكيات حوض الصهر المستقرة

تُعدّ ديناميكيات حوض الانصهار، ولا سيما القوى المؤثرة على ثقب المفتاح، عاملاً حاسماً في تحديد جودة اللحام. تميل أشعة الليزر المستمرة، نظراً لطول مدة تعرضها وكبر مساحة المناطق المتأثرة بالحرارة، إلى تكوين أحواض انصهار أكبر حجماً مليئة بالمعدن السائل. قد يؤدي ذلك إلى عيوب مرتبطة بأحواض الانصهار الكبيرة، مثل انهيار ثقب المفتاح. في المقابل، تعمل الطاقة المركزة ووقت التفاعل الأقصر في لحام الليزر شبه المستمر على تركيز حوض الانصهار حول ثقب المفتاح، مما ينتج عنه توزيع أكثر تجانساً للقوة وانخفاض في حدوث المسامية والتشققات والتناثر.