ما العوامل التي تؤثر على نقاء النيتروجين في اللحام بالليزر؟

مقدمة

لقد برزت عملية اللحام بالليزر كتقنية ثورية في التصنيع الحديث، ويُعرف عنها دقتها العالية وسرعتها في التشغيل ووجود منطقة متضررة من الحرارة محدودة للغاية. تلعب النيتروجين دوراً أساسياً في هذه العملية كغاز واقي. إن النيتروجين عالي النقاء ضروري لمنع أكسدة بركة اللحام وتقليل المسامية وتحسين جودة اللحام ككل. ومع ذلك، فإن تحقيق النقاء المطلوب للنيتروجين والحفاظ عليه يتأثر بعدة عوامل سنستعرضها بالتفصيل في هذا المقال.

١. مصدر النيتروجين

١.١ التوليد من الجو

في الغالب، يتم إنتاج النيتروجين المستخدم في اللحام بالليزر من الهواء. يحتوي الهواء على حوالي 78% نيتروجين، بالإضافة إلى الأكسجين والargon وكميات ضئيلة من الغازات الأخرى. وللحصول على النيتروجين من الهواء، تُستخدم طرق مثل الامتصاص المتغير بالضغط (PSA) أو فصل الغشاء. في نظام PSA، يتم ضغط الهواء وتمريره عبر سرير من المواد الماصة (عادةً ما تكون زيولايتات). تمتلك هذه المواد قدرة أعلى على الارتباط بالأكسجين والشوائب الأخرى مقارنةً بالنيتروجين. نتيجة لذلك، يتم فصل غاز النيتروجين وجمعه. ومع ذلك، تعتمد كفاءة أنظمة PSA في إنتاج النيتروجين عالي النقاء على عوامل مثل جودة المادة الماصة وضغط ودرجة حرارة التشغيل ومعدل تدفق الهواء الداخل. إذا أصبحت المادة الماصة مشبعة أو تدهورت جودتها بمرور الوقت، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض نقاء النيتروجين. على سبيل المثال، إذا لم يتم صيانة وحدة PSA بشكل صحيح أو لم تتم إعادة تجديد المادة الماصة بكفاءة، فقد تبدأ الأكسجين وغيرها من الملوثات في الظهور، مما يقلل نقاء النيتروجين من القيمة المرغوبة وهي 99.99% (أو أعلى في بعض الحالات) إلى قيمة أقل.

من ناحية أخرى، تستخدم عملية فصل الغشاء غشاءً شبه منفذ. عندما يمر الهواء المضغوط عبر هذا الغشاء، فإن الغازات ذات الأحجام الجزيئية الأصغر (مثل الأكسجين) تخترق الغشاء بسهولة أكبر من النيتروجين. ثم يتم جمع تيار غني بالنيتروجين. ولكن هناك عوامل مثل سلامة الغشاء والفرق في الضغط عبر الغشاء يمكن أن تؤثر على النقاء. يمكن أن يسمح الغشاء التالف بمرور ملوثات أكثر، مما يقلل من نقاء النيتروجين.

1.2 النيتروجين السائل

النيتروجين السائل هو مصدر آخر للنيتروجين المستخدم في اللحام بالليزر. ويتم تخزينه في خزانات تبريد ويُتبخر قبل الاستخدام. يكون النيتروجين السائل عادةً نقيًا جدًا، غالبًا أكثر من 99.999%. ولكن، أثناء عملية التبخر، توجد مخاطر التلوث. إذا لم تكن معدات التبخر نظيفة أو إذا كان هناك تسرب في نظام التوصيل، فقد تختلط الرطوبة أو غازات أخرى من البيئة المحيطة بالنيتروجين، مما يقلل من درجة نقاوته. على سبيل المثال، إذا كانت عوازل الخزان التبريدية تالفة، فقد يتسرب الهواء الدافئ إلى الداخل، ما يؤدي إلى تكاثف الرطوبة وبالتالي قد يلوث النيتروجين أثناء تبخره.

2. متطلبات النقاء حسب المواد

2.1 لحام الفولاذ المقاوم للصدأ

عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر، تكون درجة نقاء النيتروجين العالية أمرًا بالغ الأهمية. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على الكروم، الذي يشكل طبقة أكسيد حامية على السطح. أثناء عملية اللحام، إذا لم تكن درجة نقاء النيتروجين كافية، فقد تتفاعل الأكسجين مع المعدن المنصهر، مما يعوق تشكيل هذه الطبقة الحامية. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل مقاومة المفصل الملحوم للتآكل. وللحصول على لحام عالي الجودة للفولاذ المقاوم للصدأ بالليزر، يُوصى عادةً بمستوى نقاء النيتروجين يبلغ 99.995% أو أعلى. حتى الانحراف البسيط عن هذا النقاء يمكن أن يتسبب في حدوث أكسدة مرئية على سطح اللحام، مما يؤثر ليس فقط على المظهر الخارجي، بل أيضًا على الأداء طويل المدى للمكون الملحوم.

2.2 الألومنيوم وسبائكه

الألومنيوم وسبائكه يتفاعل بشكل كبير مع الأكسجين. في اللحام بالليزر لهذه المواد، يعمل النيتروجين كغطاء وقائي لمنع أكسدة بركة اللحام المنصهرة. ومع ذلك، قد تختلف سبائك الألومنيوم المختلفة في حساسيتها لنقاء النيتروجين. على سبيل المثال، تتطلب بعض سبائك الألومنيوم عالية القوة المستخدمة في التطبيقات الجوية والفضائية نيتروجينًا نقيًا للغاية، غالبًا في نطاق 99.999%. ويمكن أن يؤدي استخدام نيتروجين أقل نقاءً إلى إدخال شوائب في اللحام، مما يؤدي إلى تكوين فراغات أو تقليل القوة الميكانيكية للمفصل. على الجانب الآخر، بالنسبة لبعض سبائك الألومنيوم الشائعة المستخدمة في التطبيقات غير الحرجة، قد يكون نقاء النيتروجين بنسبة 99.99% مقبولاً، ولكن لا يزال أي انحراف كبير يمكن أن يسبب عيوبًا في اللحام.

3. عوامل متعلقة بالمعدات

3.1 نظام توصيل الغاز

تشمل أنظمة توصيل الغاز في إعدادية اللحام بالليزر الأنابيب والصمامات وعدادات التدفق. إذا لم تكن هذه المكونات نظيفة أو كانت مصنوعة من مواد يمكن أن تتفاعل مع النيتروجين أو الملوثات الموجودة في الهواء، فقد تؤثر على نقاء النيتروجين. على سبيل المثال، إذا كانت الأنابيب مصدئة، فقد يتم حمل جزيئات أكسيد الحديد إلى تيار النيتروجين. يمكن أن تسمح الصمامات التي لا تُغلق بشكل صحيح بتسرب الهواء إلى النظام، مما يخفف من تركيز النيتروجين ويقلل من درجة نقاوته. يجب معايرة عدادات التدفق بدقة. قد يؤدي معدل التدفق غير الدقيق إلى اختلال التوازن بين النيتروجين والهواء المحيط به في منطقة اللحام. إذا كان معدل تدفق النيتروجين منخفضًا جدًا، فقد لا يتم توفير حماية فعالة للحوض اللحام، مما يسمح بدخول الأكسجين ويقلل من فعالية نقاء النيتروجين في منطقة العمل.

3.2 تصميم آلة اللحام بالليزر

يمكن أن يؤثر تصميم آلة اللحام بالليزر نفسها على نقاء النيتروجين. تحتوي بعض آلات اللحام بالليزر على غرف مغلقة بشكل أفضل حول منطقة اللحام، مما يساعد على الحفاظ على بيئة نيتروجين ذات نقاء أعلى. في الآلات ذات الختم منخفض الجودة، يمكن أن يتسرب الهواء إلى منطقة اللحام، مما يخفف من تركيز النيتروجين. بالإضافة إلى ذلك، فإن موقع واتجاه فوهات الغاز التي تُدخل النيتروجين لها أهمية كبيرة. إذا لم تكن الفوهات مصممة أو موضوعة بشكل صحيح، فقد لا يتم توزيع النيتروجين بشكل متساوٍ حول بركة اللحام. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى مناطق تكون فيها تركيز النيتروجين أقل، مما يقلل بشكل فعال من نقاءه في تلك المناطق الحيوية.

4. عوامل بيئية

4.1 الرطوبة

يمكن أن تكون الرطوبة في البيئة المحيطة عاملاً مهماً يؤثر على نقاء النيتروجين. يمكن أن تدخل الرطوبة الموجودة في الهواء إلى تيار النيتروجين، خاصة إذا كانت هناك تسربات في نظام توصيل الغاز أو أثناء عملية إنتاج النيتروجين. يمكن أن تتفاعل بخار الماء مع المعدن الساخن أثناء عملية اللحام، مما يؤدي إلى تشكّل الهيدروجين الذي قد يتسبب في حدوث ثقوب في اللحام. في البيئات ذات الرطوبة العالية، يجب اتخاذ احتياطات خاصة، مثل استخدام مجففات المادة الماصة (Desiccant dryers) في خط توريد النيتروجين لإزالة الرطوبة. حتى كمية صغيرة من بخار الماء في النيتروجين يمكن أن يكون لها تأثير ضار على جودة اللحام، لذا فإن الحفاظ على انخفاض الرطوبة في النيتروجين أمر ضروري لتحقيق لحام بالليزر عالي الجودة.

4.2 درجة الحرارة

يمكن أن تؤثر التغيرات في درجة الحرارة أيضًا على نقاء النيتروجين. في بعض طرق توليد النيتروجين، مثل الامتصاص الضغطي المتقطع (PSA)، يمكن أن تتأثر قدرة المواد الماصة على الامتصاص بدرجة الحرارة. حيث يمكن أن تؤدي درجات الحرارة الأعلى إلى تقليل كفاءة المادة الماصة في إزالة الشوائب من الهواء، مما يؤدي إلى إنتاج نيتروجين منخفض النقاء. بالإضافة إلى ذلك، في نظام توصيل الغاز، يمكن أن تؤدي التغيرات في درجة الحرارة إلى تمدد أو انكماش الأنابيب والصمامات. إذا لم تكن هذه المكونات مصممة بشكل مناسب لتحمل هذه التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة، فقد يؤدي ذلك إلى حدوث تسرب يسمح بدخول الهواء وبالتالي تقليل نقاء النيتروجين.

5. الأسئلة الشائعة والإجابات

السؤال 1: هل يمكنني استخدام هواء مضغوط عادي بدلاً من النيتروجين عالي النقاء في اللحام بالليزر؟

الإجابة: يحتوي الهواء المضغوط العادي على كمية كبيرة من الأكسجين (حوالي 21%). أثناء اللحام بالليزر، سيتفاعل الأكسجين مع المعدن المنصهر، مما يؤدي إلى الأكسدة والمسام وانخفاض الخصائص الميكانيكية للحام. ويُستخدم النيتروجين عالي النقاء لإنشاء بيئة خاملة حول بركة اللحام، ومنع حدوث هذه المشكلات. لذا، لا يُنصح باستخدام الهواء المضغوط العادي في اللحام بالليزر.

السؤال 2: كم مرة يجب أن أختبر نقاء النيتروجين في إعداد اللحام بالليزر؟

الإجابة: يُوصى باختبار نقاء النيتروجين مرة واحدة على الأقل يوميًا، خاصة إذا كان عملية اللحام بالليزر مستمرة. ولكن، إذا لاحظت أي علامات على جودة لحام سيئة، مثل التخلخل المفرط أو الأكسدة، فيجب اختبار نقاء النيتروجين على الفور. بالإضافة إلى ذلك، إذا طرأ أي تغيير على نظام إنتاج النيتروجين أو نظام توصيل الغاز أو البيئة المحيطة، فإن اختبار النقاء أمر بالغ الأهمية لضمان ثبات جودة اللحام.

السؤال 3: ماذا يمكنني فعله إذا اكتشفت أن نقاء النيتروجين في منشأة اللحام بالليزر الخاصة بي أقل من المطلوب؟

الإجابة: أولاً، تحقق من نظام إنتاج النيتروجين. إذا كان نظام PSA، فتأكد من أن المادة الماصة تتم إعادة تنشيطها بشكل صحيح ولا تكون مشبعة. بالنسبة لأنظمة الفصل باستخدام الأغشية، افحص الغشاء بحثًا عن أي تلف. في نظام توصيل الغاز، تحقق من وجود تسرب في الأنابيب والصمامات والوصلات. نظّف أي مكونات متسخة. إذا كنت تستخدم النيتروجين السائل، فتأكد من أن معدات التبخير نظيفة وأن خطوط التوصيل خالية من التلوث. إذا استمرت المشكلة، ففكر في استشارة فني متخصص أو مصنّع معدات النيتروجين.