تحليل العلاقة بين عمق البؤرة واستقرار اللحام في لحام الليزر

في لحام الليزر، يتم تركيز شعاع الليزر بواسطة نظام بصري على سطح أو داخل القطعة المراد لحامها، مشكّلًا منطقة ذات كثافة طاقة عالية. يُعد عمق البؤرة (DOF)، كمعلمة رئيسية تصف التوزيع المكاني للطاقة في شعاع الليزر، له تأثير مباشر على تشكيل بركة الانصهار، وسلوك اقتران الطاقة، والاستقرار الكلي للحام. إن فهم العلاقة بين عمق البؤرة واستقرار اللحام أمر ضروري لتحسين نافذة عملية لحام الليزر.

1. تعريف عمق البؤرة والمعنى الفيزيائي له

يشير عمق البؤرة (DOF) إلى المدى المحوري على طول اتجاه انتشار الليزر الذي يظل فيه حجم البقعة المركّزة ضمن نطاق تغير مقبول. ويُعرّف عادةً بأنه المسافة التي تزداد فيها قطر البقعة إلى مضاعف محدد (مثل 1.2 أو 1.5 مرة) من قطر البقعة الأدنى.

من منظور بصري، تتأثر عمق التركيز بشكل رئيسي بالعوامل التالية:

طول موجة الليزر

البعد البؤوي للعدسة المركّزة

جودة الشعاع (عامل M²)

القطر الابتدائي للشعاع

يؤدي عمق تركيز أكبر إلى توزيع طاقة محوري أكثر تدريجية، في حين يؤدي عمق تركيز أصغر إلى تركيز طاقة أعلى ولكن بحساسية أكبر تجاه الانحرافات الموضعية.

2. المفهوم الأساسي للاستقرار في اللحام

يشير الاستقرار في اللحام عموماً إلى اتساق سلوك بركة الانصهاء، ومدخلات الطاقة، وتشكيل أثر اللحام خلال عملية اللحام. في ظل ظروف لحام مستقرة، تبقى عرض اللحام، وعمق الاختراق، وسلوك التناثر، وحالة البلازما نسبياً ثابتة.

تشمل العوامل الرئيسية المؤثرة في استقرار اللحام:

قدرة الليزر وتقلبات القدرة

انحراف موضع التركيز

تثبيت قطعة العمل والمسطحية السطحية

سرعة اللحام

ظروف الغاز الواقي

من بين هذه العوامل، غالباً ما يتم تضخيم الانحرفات الصغيرة في موقع التركيز من خلال عمق المجال، مما يؤثر بشكل كبير على استقرار اللحام.

3. آليات تؤثر بها عمق المجال على استقرار اللحام
3.1 عمق المجال وتسامح موقع التركيز

في الإنتاج العملي، فإن التغيرات في ارتفاع القطعة، والتشوه الحراري، والأخطاء في التثبيت تكون حتماً غير قابلة للتجنب. عندما يكون عمق المجال كبيراً، فإن الانحرفات المعتدلة في موقع التركيز تؤدي إلى تغييرات نسبية صغيرة في حجم البقعة والكثافة الطاقية، مما يسمح ببقاء بركة الانصياب مستقرة.

على النقيض، تكون الأنظمة ذات عمق التركيز الصغير شديدة الحساسية لتغيرات موضع التركيز. حتى الانحرافات البسيطة يمكن أن تسبب تقلبات كبيرة في كثافة الطاقة، مما يؤدي إلى عمق اختراق غير متسق، وعرض لحام غير منتظم، أو عيوب مثل عدم الانصهار أو الاحتراق الزائد.

3.2 تأثير عمق المجال على الاستقرار الديناميكي لبركة الانصياب

يُظهر شعاع الليزر ذو عمق بؤري أكبر توزيعًا أكثر سلاسة للطاقة المحورية. ونتيجةً لذلك، يستجيب البركة المنصهرة بشكل أبطأ لاضطرابات الطاقة، مما يساعد على كبح اهتزازات البركة المنصهرة وتكوين الشظايا.

عندما يكون عمق البؤرة صغيرًا، تكون الطاقة مركزة في منطقة ضيقة، ما يُنتج تدرجات حرارية حادة داخل البركة المنصهرة. وهذا يعزز تبخر المعدن وتقلبات الضغط الناتج عن الانبعاث، ما يزيد من احتمالية عدم استقرار البركة المنصهرة وتقلبات خيط اللحام وتكوّن الشظايا.

3.3 عمق البؤرة ومتانة العملية

في تطبيقات اللحام الليزري الآلي أو عالية السرعة، تكون التحمل تجاه الاضطرابات الخارجية أمرًا مهمًا بشكل خاص. إن زيادة عمق البؤرة تحسّن متانة العملية، ما يجعل عملية اللحام أقل حساسية لأخطاء التجميع والتشوه الحراري والاهتزازات الميكانيكية، وبالتالي يُحسّن اتساق اللحام الكلي.

4. قابلية تطبيق عمق البؤرة في أساليب اللحام المختلفة
4.1 وضع اللحام بالتوصيل

في لحام وضع التوصيل تحت ظروف كثافة طاقة منخفضة، يُسهم عمق تركيز أكبر في إدخال حرارة أكثر انتظامًا وتكوين سطح لحام أملس. توفر هذه التهيئة استقرارًا جيدًا وتناسب تطبيقات لحام الصفائح الرقيقة والتطبيقات الدقيقة.

4.2 وضع لحام المفتاح (Keyhole Welding Mode)

يعتمد لحام المفتاح على كثافة طاقة عالية لتكوين وصيانة قناة بخارية مستقرة. في هذا الوضع، قد يؤدي عمق تركيز كبير جدًا إلى تقليل كثافة الطاقة القصوى، ما يجعل تكوين المفتاح أكثر صعوبة، في حين أن عمق تركيز صغير جدًا يزيد من الحساسية لأخطاء موضع التركيز. لذلك، يتطلب الأمر تصميمًا متوازنًا بين كثافة الطاقة وتحمل التركيز.

5. الأهمية الهندسية لتحسين عمق التركيز

في تصميم العمليات العملية، لا ينبغي تكبير أو تصغير عمق البؤرة بشكل عشوائي. بل يجب تحسينه بناءً على نوع المادة، ومدى السماكة، وسرعة اللحام، ودقة النظام. ومن خلال اختيار الطول البؤري بشكل مناسب، والتحكم في جودة الحزمة، ومواءمة معايير اللحام، يمكن الحفاظ على كثافة طاقة كافية مع تحسين استقرار اللحام واتساقه.

يعتبر عمق البؤرة معلمة حرجة تربط الخصائص البصرية للليزر باستقرار عملية اللحام. فكلما زاد عمق البؤرة، ازداد التسامح تجاه الانحرافات في موقع البؤرة والاضطرابات الخارجية، وبالتالي يتحسن استقرار اللحام. وعلى العكس، فإن عمق البؤرة الأصغر يسمح بكثافة طاقة أعلى لكنه يفرض متطلبات أكثر صرامة على دقة النظام. ويُعد تحقيق توازن مناسب بين عمق البؤرة وتركيز الطاقة أمرًا أساسيًا للحصول على لحام ليزري مستقر وعالي الجودة.