ما هو مبدأ جهاز لحام المجوهرات بالليزر؟

جهاز لحام المجوهرات بالليزر هو جهاز عالي التقنية يستخدم شعاع الليزر كمصدر للحرارة لتوصيل المكونات المعدنية للمجوهرات بدقة. يعتمد مبدأ عمله على التفاعل بين الليزر والمادة. ويتلخص جوهره في تركيز دقيق لشعاع ليزر عالي الكثافة الطاقية على منطقة صغيرة جداً من القطعة، لتحقيق اللحام من خلال الانصهار والتصلب السريعين.
أولاً: المبدأ الأساسي للعمل: التفاعل بين الليزر والمعادن
امتصاص الطاقة والتحويل:
عندما يُسلط شعاع ليزر بطول موجة معين على سطح معدن، فإن الإلكترونات الحرة في المعدن تمتص طاقة الفوتونات. عادةً ما تستخدم آلات لحام المجوهرات أشعة ليزر نابضة من نوع Nd:YAG أو أشعة ليزر أليافية، تُصدر ضوءًا قريبًا من الأشعة تحت الحمراء (بطول موجة يقارب 1064 نانومترًا) يمكن امتصاصه بكفاءة بواسطة معظم معادن المجوهرات مثل الذهب والفضة والبلاتين والبلاديوم.
تراكم الحرارة والانصهار:
الإلكترونات التي امتصت الطاقة تتصادم مع الشبكة البلورية، مما يحوّل الطاقة إلى حرارة. خلال فترة قصيرة جدًا (عادةً على مقياس المللي ثانية أو الميكروثانية)، يرتفع بشكل حاد درجة حرارة المعدن عند بؤرة الليزر، بحيث تصل بسرعة وتتجاوز نقطة انصهاره، مشكلةً بركة انصهار محلية. وبسبب تركيز طاقة الليزر العالي، تكون منطقة التأثير الحراري صغيرة جدًا، ولا تتعرض المواد المحيطة لأي ضرر حراري تقريبًا.
تجمّد بركة الانصهار والربط:
بعد انتهاء نبضة الليزر، يختفي مصدر الحرارة فورًا. وتبرد المعدن المنصهر وتتصلب من خلال توصيل الحرارة بسرعة من الوسط المحيط. ويُشكل المعدن في المنطقة المنصهرة والمعدن الأساسي بنية بلورية مشتركة أثناء عملية التصلب، وبالتالي يتحقق اتصال معدني قوي.
ثانيًا. المكونات الرئيسية للنظام
مولد الليزر: المكون الأساسي للنظام، المسؤول عن توليد شعاع الليزر. تعتمد الأجهزة الحديثة بشكل كبير على ليزرات الألياف، والتي تتميز بكفاءة عالية، وجودة جيدة للحزمة، وعدم الحاجة إلى صيانة.
نظام توجيه وتركيز الضوء: يتكون من مرايا عاكسة، وألياف ضوئية، وعدسات تركيز. ووظيفته هي توجيه شعاع الليزر الناتج عن مولد الليزر وتركيزه بدقة على قطعة الشغل، لإنشاء بقعة ضوئية ذات كثافة طاقة عالية جدًا.
منضدة العمل ونظام التموضع: تُستخدم لتثبيت قطع العمل أو رؤوس الليزر وتحريكها بدقة. وعادةً ما تكون مجهزة بمجاهر أو أنظمة كاميرات CCD أو أضواء محاذاة متقاطعة لتحقيق تموضع دقيق لنقاط اللحام.
نظام التحكم: يُستخدم حاسوب وبرمجيات متكاملان لضبط وتعديل معايير الليزر مثل طاقة النبضة، وعرض النبضة، والتكرار، ومسار اللحام، وذلك للتحكم في عملية اللحام بأكملها.
نظام الغاز الوقائي: يتم في منطقة اللحام نفخ غاز خامل (مثل الأرجون) لمنع المعدن الساخن من التفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء، والحفاظ على نقطة اللحام لامعة ونظيفة.
ثالثًا. عملية العمل
الوظيفة: تثبيت قطعة المجوهرات المراد لحامها على منضدة العمل، ومحاذاة تركيز شعاع الليزر بدقة مع منطقة اللحام باستخدام النظام البصري.
ضبط المعايير: بناءً على نوع مادة المعدن وسمكها ومتطلبات اللحام، يتم ضبط شدة الليزر المناسبة ومدة النبضة والتكرار في نظام التحكم.
إطلاق الغاز الواقي: تشغيل خط الغاز لضمان تغطية الغاز الخامل لمنطقة اللحام.
تشغيل الليزر: تشغيل الجهاز، ويبدأ الليزر بإصدار أشعة ليزر نبضية وفقًا للمعايير المحددة مسبقًا، والتي تؤثر على سطح القطعة العمل.
تكوين نقطة اللحام: يؤدي الطاقة الليزرية إلى انصهار المعدن فورًا، مشكّلًا بركة منصهرة. وبعد توقف الليزر، تتصلد البقعة المنصهرة، مما يُكمل لحام نقطة لحام واحدة. ومن خلال تحريك القطعة أو رأس الليزر، يمكن إجراء لحام نقطي متواصل أو لحام طولي.
رابعًا. الميزات التقنية ومزايا التطبيق
المعالجة بدون تماس: لا يتلامس رأس الليزر مع القطعة، وبالتالي لا تنشأ إجهادات ميكانيكية. وهي مناسبة للمكونات الدقيقة والصغيرة جدًا في المجوهرات.
منطقة تأثير حراري صغيرة: تكون الطاقة مركزة بشكل كبير، مما يتجنب التسخين الكلي للقطعة. ويضمن ذلك ألا تتعرض الأحجار الكريمة المدمجة مسبقًا (وخاصة الأحجار الحساسة للحرارة مثل الزمرد الأزرق والتوباز، وكذلك المواد المزججة) لأي ضرر حراري.
قوة لحام عالية جدًا: إنها طريقة ارتباط معدني، وتشبه قوة نقطة اللحام قوة المادة الأساسية.
دقة عالية جدًا: يمكن أن يصل قطر البقعة إلى المستوى الميكروميتر، مما يتيح لحامًا شبه غير مرئي ولا يتطلب عمالة بسيطة جدًا من حيث التلميع اللاحق.
نطاق واسع من المواد القابلة للتطبيق: يمكن استخدامه في لحام مختلف المعادن الشائعة في صناعة المجوهرات مثل ذهب عيار K، والبلاتين، والفضة، وسبائك التيتانيوم.
مبدأ آلة لحام المجوهرات بالليزر هو استخدام شعاع ليزر عالي الكثافة للطاقة لتسخين المعدن بشكل موضعي وفوري، مما يؤدي إلى انصهاره وتحقيق الربط المعدني. تكمن جوهر هذه التكنولوجيا في التحكم الدقيق في طاقة الليزر، وبالتالي تحقيق تأثير اللحام الدقيق والنظيف والفعال الذي تتطلبه صناعة المجوهرات.