لحام التيتانيوم بالليزر

يلعب التيتانيوم دورا حيويا في الفضاء والأجهزة الطبية والمعدات البحرية والصناعات الكيماوية نظرا لقوته الاستثنائية وخفة وزنه ومقاومته الممتازة للتآكل. تم اعتماد اللحام بالليزر ، وهو عملية متقدمة للانضمام إلى التيتانيوم عالي الدقة ، على نطاق واسع نظرا للمنطقة المتأثرة بالحرارة الدنيا وجودة اللحام العالية.

لماذا يعتبر لحام سبائك التيتانيوم مناسبا بشكل خاص للحام بالليزر؟

التيتانيوم قوي وخفيف الوزن ومقاوم للتآكل ، لكنه عرضة للأكسدة والتشوه أثناء اللحام ، مما يتطلب تحكما صارما في العملية. بالمقارنة مع الطرق التقليدية ، يوفر اللحام بالليزر تحكما فائقا في إدخال الحرارة ، وتقليل العيوب ، وجودة اللحام ، مما يجعله خيارا مثاليا لسبائك التيتانيوم.

لماذا يصعب لحام سبائك التيتانيوم؟

• نقطة انصهار عالية (~ 1،668 درجة مئوية): يتطلب مدخلات طاقة أعلى من معظم المعادن.
• الموصلية الحرارية المنخفضة: يتركز الحرارة في منطقة اللحام ، مما يزيد من مخاطر ارتفاع درجة الحرارة والتشويه والتشقق المحلي.
• التفاعل في درجة حرارة عالية: يتفاعل التيتانيوم بسهولة مع الأكسجين والنيتروجين ، مكونا أكاسيد هشة تحلل من سلامة اللحام.

قيود طرق اللحام التقليدية

غالبا ما تكافح العمليات التقليدية (على سبيل المثال ، TIG / MIG) للتحكم بدقة في مدخلات الحرارة وعزل حوض اللحام تماما عن الهواء عند العمل مع سبائك التيتانيوم. يمكن أن يؤدي التعامل غير الكافي إلى الأكسدة والمسامية والتشقق - وهي عيوب تضر بالمظهر والأداء الهيكلي.

المشاكل الشائعة في لحام التيتانيوم

• الأكسدة / تغير اللون: تشير الأشكال الزرقاء / الصفراء إلى تكوين الأكسيد والتقصف من عدم كفاية التدريع.
• تشوه: يمكن أن تسبب الحرارة المركزة في الأقسام الرقيقة الالتواء وفقدان الأبعاد.
• المساميه: تدخل الرطوبة أو الملوثات المسام التي تقلل من قوة المفاصل.

الحكم على جودة لحام التيتانيوم حسب اللون

يعكس لون اللحام مستوى الأكسدة وفعالية التدريع. نظرا لأن التيتانيوم يتأكسد بسهولة عند درجة حرارة عالية ، فإن لون السطح هو مؤشر سريع للجودة المرئية.

في أكثر حالاته المؤكسدة ، يظهر لحام التيتانيوم باللون الأبيض - على عكس الأكاسيد السوداء الشائعة في المعادن الأخرى. هذا يشير إلى درجة حرارة زائدة وعدم كفاية التدريع وهو أمر غير مقبول. على النقيض من ذلك ، يشير اللحام الفضي إلى الحد الأدنى من الأكسدة والجودة العالية. ومع ذلك ، يمكن تحديد الفضة والأبيض الفاتح بشكل خاطئ ، لذا فإن الفحص الدقيق مهم. في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) ، غالبا ما تظهر اللحامات الضعيفة تغيرا في اللون الأرجواني إلى الأزرق الداكن ، وهي علامة واضحة على الأكسدة والسخونة الزائدة.

مزايا سبائك التيتانيوم اللحام بالليزر

اللحام الدقيق والتحكم الدقيق في الحرارة

يمكن تركيز أشعة الليزر بإحكام لوضع اللحام بدقة - وهي مثالية للأجزاء ذات الجدران الرقيقة والأشكال الهندسية المعقدة والمكونات الصغيرة. يتجنب إدخال الحرارة المتحكم فيه الاحتراق والمحاذاة ، مما يحسن الاتساق.

يركز اللحام بالليزر الحرارة ويقلل بشكل فعال من عيوب اللحام

الحرارة الإجمالية المطلوبة للحام بالليزر أقل من اللحام TIG التقليدي.

بالنسبة لمواد مثل سبائك التيتانيوم ، كلما قل مدخلات الحرارة ، قل احتمال حدوث مشاكل أثناء اللحام. يمكن أن يؤدي التحكم الصحيح في مدخلات الحرارة إلى تقليل أكسدة اللحام المفرطة بشكل فعال ، وتقليل الضغوط الداخلية المتبقية ، ومنع النمو المفرط للحبوب في منطقة اللحام ، وبالتالي تحسين جودة اللحام وعمر الخدمة.

لحام سبائك التيتانيوم رقيقة الجدران لا يؤثر على القوة

تستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في الهياكل ذات الجدران الرقيقة ، لا سيما في صناعات الطيران والطبية. يمكن أن يحقق اللحام بالليزر لحامات عالية الجودة دون المساس بقوة المادة. تقترب قوة اللحام من قوة المادة الأم ، وتظل خصائص ما بعد اللحام مستقرة.

معالجة أقل بعد اللحام

يمكن أن تقلل اللحامات النظيفة والضيقة ومدخلات الحرارة المنخفضة من الطحن والتنظيف والمعالجة الحرارية أو تقضي عليها - مما يوفر الوقت ويقصر المهل الزمنية.

سرعة عالية وإنتاجية

يمكن أن يكون اللحام بالليزر أسرع بأربع مرات من TIG ، مما يدعم الإنتاج المتوسط إلى الكبير الحجم والخطوط الآلية مع الحفاظ على جودة اللحام.

لحام الاختراق العميق ، والحد من معدن الحشو وخطر التشوه

يتمتع اللحام بالليزر بقدرة اختراق ممتازة ويمكن أن يحقق نسبة عمق إلى عرض أعلى من اللحام القوسي التقليدي. هذا يعني أنه في نفس عمق اللحام ، يكون عرض اللحام بالليزر أصغر والهيكل أكثر إحكاما.

اللحامات الضيقة لها فائدة مهمة أخرى: مطلوب معدن حشو أقل. يولد المزيد من معدن الحشو ضغطا داخليا أكبر أثناء التبريد ، مما قد يتسبب بسهولة في تكسير اللحام أو تشوه هيكلي. يقلل اللحام بالليزر من هذا الخطر من خلال طلب مواد حشو أقل ، مما ينتج عنه هياكل ملحومة أكثر استقرارا وموثوقية.

نوع الليزر واختيار وضع اللحام

ألياف الليزر

تعد ألياف الليزر من أكثر أنواع الليزر استخداما واستخداما على نطاق واسع. إنها تتميز بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية (عادة >30٪) ، وجودة شعاع ممتازة ، وقدرات تركيز قوية. إنها مناسبة تماما لحام صفائح سبائك التيتانيوم بسماكة تتراوح من 0.5 إلى 6 مم ، وهي مناسبة بشكل خاص للحام المستمر عالي السرعة.

التطبيقات الموصى بها: خطوط الإنتاج الآلية ، والأجزاء الهيكلية للطيران ، ولحام المعدات الطبية.

ليزر القرص

يتميز ليزر القرص بإخراج طاقة ليزر أعلى ومقطع عرضي أوسع للشعاع ، مما يجعله مثاليا لتطبيقات لحام سبائك التيتانيوم التي تتطلب عمق اختراق عالي. مع الحفاظ على أداء التركيز العالي ، فإنه يوفر أيضا تشكيل لحام أكثر استقرارا ، مما يجعله أكثر ملاءمة للحام بعمق الاختراق للهياكل المعقدة والألواح السميكة (>6 مم).

التطبيقات الموصى بها: الأجزاء الهيكلية ذات الجدران السميكة ، وأوعية الضغط ، والأجزاء الحاملة الرئيسية للطيران وأجزاء اللحام الرئيسية الأخرى.

ليزر Nd: YAG (ليزر الحالة الصلبة)

ليزر Nd: YAG ، بطول موجي يبلغ 1064 نانومتر ، مناسب للحام النقطي ، واللحام بالأجزاء الصغيرة ، واللحام التفصيلي ، ومتوافق مع نقل الألياف البصرية. تستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الإلكترونيات الدقيقة والأجهزة الطبية ، حيث يكون حجم اللحام ودقته متطلبين للغاية. ومع ذلك ، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئية المنخفضة نسبيا وإنتاج الطاقة أدت إلى استبدالها تدريجيا بألياف الليزر.

التطبيقات الموصى بها: الأجزاء الدقيقة ، والغرسات الطبية ، وأغطية المستشعرات وغيرها من مجالات اللحام الدقيق.

ليزر CO₂

ليزر CO₂ ، بطول موجي يبلغ 10.6 ميكرومتر ، مناسب لقطع ولحام المعادن السميكة. ومع ذلك ، نظرا لانخفاض معدل الامتصاص الأولي للتيتانيوم ، غالبا ما يكون التسخين المسبق للسطح مطلوبا لتحسين استقرار اللحام. بالمقارنة مع أنواع الليزر الأخرى ، فإن معدات ليزر ثاني أكسيد الكربون أكبر ولها تكاليف صيانة أعلى ، لذا فإن تطبيقها في لحام سبائك التيتانيوم محدود حاليا.

التطبيقات الموصى بها: تطبيقات لحام الألواح السميكة الحساسة للتكلفة حيث تكون المعدات مجهزة بالفعل بنظام ليزر CO₂. ومع ذلك ، لا ينصح به كخيار أول للمشاريع الجديدة.

توصيات اختيار وضع اللحام

• اللحام بالليزر المستمر مناسب لحام الأجزاء الهيكلية التي تتطلب قوة عالية واختراقا كاملا. سرعة تشكيل اللحام السريعة ونسبة العرض إلى الارتفاع العالية تجعلها الوضع القياسي للحام ألواح سبائك التيتانيوم المتوسطة والسميكة.
• اللحام بالليزر النبضي مناسب للحام بألواح رقيقة حيث يجب التحكم الصارم في التأثيرات الحرارية. كما أنها تستخدم بشكل شائع في اللحام النقطي الدقيق ، ولحام إصلاح الزوايا ، وعمليات التعبئة والتغليف. يمكن أن يقلل بشكل فعال من مدخلات الحرارة وتجنب اختراق اللحام أو حروق الحافة.

مرجع لظروف اللحام النموذجية

غاز التدريع لحام التيتانيوم

غاز التدريع ضروري. يتفاعل التيتانيوم مع الأكسجين والنيتروجين في درجات حرارة عالية ، مما يتسبب في الأكسدة وتغير اللون والهشاشة والفشل.

• أرجون: الأكثر شيوعا وفعالية من حيث التكلفة. أثقل من الهواء ، يغطي منطقة اللحام جيدا.
• هيليوم: باهظة الثمن ويصعب التحكم فيها ، ولكنها تتيح درجة حرارة أعلى واختراقا أعمق للحالات الخاصة.
• مزيج الأرجون والهيليوم: يوازن بين التغطية والاختراق لاحتياجات العملية المحددة.

ملاحظه: درع اللحام بالكامل و HAZ. استخدم الأدوات المغلقة أو أجهزة مخصصة لتغطية الغاز عندما يكون ذلك ممكنا.

تحضير اللحام وتصميم المفاصل

التنظيف قبل اللحام

• استخدم المذيبات غير المكلورة (مثل الكحول والأسيتون) لإزالة الزيوت. تجنب المنظفات المكلورة التي تطلق غازات سامة عند تسخينها.
• بعد تنظيف المذيبات ، استخدم فرشاة جديدة أو نظيفة حديثا من الفولاذ المقاوم للصدأ لإزالة فيلم الأكسيد.
• لا تستخدم فرشا ملوثة أو قديمة قد تضع بقايا في السطح.
• اللحام في أسرع وقت ممكن بعد التنظيف ؛ في حالة التأخير ، قم بتخزين الأجزاء في حاويات محكمة الغلق بها أرجون جاف أو نيتروجين.

استخدام التركيبات واختيار نوع الموصل

يتطلب اللحام بالليزر تحكما ضيقا جدا في فجوة المفصل. استخدم تثبيتا دقيقا والتحكم في الشعاع / المسار الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر لمحاذاة الشعاع مع التماس.

مخطط أنواع وصلات اللحام:

التطبيقات النموذجية للحام بالليزر التيتانيوم

تجعل الدقة والسرعة والقدرة على التعامل مع التحديات الفريدة لسبائك التيتانيوم اللحام بالليزر أداة قيمة لمجموعة واسعة من الصناعات. ستستفيد الصناعات التالية بشكل كبير من هذه التكنولوجيا:

الفضاء

يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في محركات الطيران وشفرات التوربينات والأغلفة وأنظمة العادم وهياكل المركبات الفضائية نظرا لخصائصه خفيفة الوزن والقوة العالية والمقاومة للتآكل. يتيح اللحام بالليزر اللحام الدقيق للهياكل المعقدة ذات الجدران الرقيقة مع الحد الأدنى من التشوه والقوة العالية ، مما يضمن استقرار المكونات وموثوقيتها في ظل ظروف الطيران القاسية.

الأجهزة الطبية

يتمتع التيتانيوم بالتوافق الحيوي الممتاز ويستخدم بشكل شائع في الغرسات والأدوات الجراحية ودعامات العظام وما إلى ذلك. يمكن أن يحقق اللحام بالليزر لحامات عالية الجودة ومنخفضة التأثير الحراري ، وتجنب التلوث المتبقي ، ويضمن الاستخدام الآمن للمنتجات في جسم الإنسان على المدى الطويل.

تصنيع السيارات

في السيارات عالية الأداء وسيارات السباق ، غالبا ما تستخدم سبائك التيتانيوم في أنظمة العادم والمكونات الهيكلية خفيفة الوزن . يمكن أن يخلق اللحام بالليزر لحامات نظيفة وقوية دون الإضرار بخصائص المادة. سرعة اللحام العالية تجعلها مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة وفعالة.

صناعة المحيطات والكيماويات

مقاومة التيتانيوم لتآكل الملح تجعله مناسبا جدا لمكونات السفن ، والهياكل البحرية ، والأنابيب المقاومة للكلوريد ، وما إلى ذلك. يمكن أن يضمن اللحام بالليزر في مثل هذه التطبيقات لحامات كثيفة ومقاومة للتآكل والتكيف مع البيئات البحرية المعقدة.

السلع الاستهلاكية الراقية والصناعات المتخصصة

للساعات المصنوعة من التيتانيوم وإطارات النظارات وإطارات الدراجات والمعدات الرياضية المتطورة. تستخدم التكنولوجيا أيضا في التطبيقات المتخصصة الصعبة مثل الجيش والإلكترونيات.