الكسوة بالليزر تتضمن التقنية وضع مادة تكسية مختارة على سطح الركيزة باستخدام طرق حشو مختلفة. ومن خلال التشعيع بالليزر، تذوب طبقة رقيقة من سطح الركيزة وتتصلب بسرعة، مما يشكل طبقة سطحية مترابطة معدنيًا بتخفيف منخفض جدًا. وهذا يعزز بشكل كبير من خصائص سطح مادة الركيزة مثل مقاومة التآكل ومقاومة التآكل ومقاومة الحرارة ومقاومة الأكسدة والخصائص الكهربائية.

تصنيفات الكسوة بالليزر

استنادًا إلى نوع المواد المستخدمة واقترانها مع شعاع الليزر، فإن التكسية بالليزر ويمكن تقسيم التقنيات إلى: الكسوة بالليزر المسحوقي المحوري، والكسوة بالليزر المسحوقي خارج المحور (وتسمى أيضًا الكسوة بالليزر المسحوقي الجانبي)، والكسوة بالليزر عالي السرعة (وتسمى أيضًا الكسوة بالليزر فائق السرعة)، والكسوة بالليزر السلكي عالي السرعة.

الكسوة المحورية لمسحوق الليزر المسحوق المحوري

المسحوق المحوري التكسية بالليزر يستخدم عادةً ليزر ألياف أشباه الموصلات الليزرية ومغذي مسحوق مغذي بالغاز من النوع القرصي. يستخدم رأس الكسوة مخطط بقعة ضوئية دائرية مع شعاع ضوئي مركزي ومسحوق يغذيه المسحوق حوله أو تيارات مسحوق متعددة. وبفضل قناة غاز واقية مصممة خصيصًا، يتلاقى المسحوق وشعاع الضوء والغاز الواقي عند نقطة واحدة، حيث يتم تشكيل تجمع منصهر. ومع تحرك رأس الكسوة بالنسبة لقطعة العمل، تتشكل طبقة كسوة على السطح.

مزايا تكسية المسحوق المحوري بالليزر المسحوق المحوري:

حرية عالية وأتمتة سهلة: تظل جودة طبقة الكسوة متسقة بغض النظر عن اتجاه الحركة، مما يجعلها قابلة للتكيف بدرجة كبيرة مع الأتمتة باستخدام الروبوتات الصناعية أو الماكينات متعددة المحاور.

حماية جيدة من الغازات الخاملة: البركة المنصهرة محمية بغازات خاملة، مما يحسن من استقرار العملية.

تجمع منصهر صغير، وتسخين متساوٍ، ومقاومة جيدة للتشقق: يضمن التفاعل الموحّد بين المسحوق والضوء جودة ومتانة أفضل للسطح المكسو.

تكسية المسحوق بالليزر المسحوق خارج المحور

يُعرف أيضًا باسم المسحوق الجانبي التكسية بالليزر, تستخدم هذه الطريقة ليزر أشباه الموصلات أو ليزر الألياف مع وحدة تغذية بالمساحيق بالتغذية بالجاذبية. يستخدم رأس الكسوة بقعة ضوئية مستطيلة مع تغذية المسحوق الجانبي. يتم توصيل مسحوق السبيكة إلى سطح قطعة العمل ويتم صهره بواسطة شعاع الليزر، مما يشكل تجمعًا منصهرًا.

مزايا التكسية بالليزر المسحوق خارج المحور:

استخدام عالي للمواد: يتم ترسيب المسحوق مسبقًا على السطح قبل صهره بالليزر، مما يحقق معدلات استخدام للمواد أعلى من 95%.

كفاءة تكسية عالية: تسمح الحزمة المستطيلة بزيادة طاقة الليزر وأحجام البقعة الأكبر، مما يحسن من سرعة الكسوة.

لا يوجد استهلاك للغاز الخامل: لا تستهلك هذه الطريقة غازًا خاملًا، على الرغم من أنها تتطلب دراسة دقيقة لمقاومة أكسدة المسحوق.

الكسوة بالليزر فائقة السرعة بالليزر

تستخدم هذه العملية ليزر ألياف الليزر عالي الجودة ورؤوس تكسية عالية السرعة لتحقيق سرعات تكسية عالية للغاية (تصل إلى 200 متر/دقيقة). يتم تسخين المسحوق مسبقًا أو صهره بالكامل قبل دخوله إلى الحوض المنصهر، مما يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم لصهر المسحوق.

مزايا التكسية بالليزر فائقة السرعة بالليزر:

استخدام طاقة الليزر العالية: يعمل شعاع الليزر على تسخين المسحوق وقطعة العمل بكفاءة، مما يقلل من فقدان الطاقة ويزيد من كفاءة الكسوة.

معدل التخفيف المنخفض: مع سرعات الكسوة العالية وأوقات التعرض القصيرة لحوض الانصهار المصهور، يظل معدل تخفيف طبقة الكسوة منخفضًا.

خشونة السطح المنخفضة ومقاومة التشقق: تقلل هذه العملية من العيوب في الطبقة المكسوة، مما يضمن نتائج عالية الجودة.

التكسية بالليزر السلكي عالي السرعة

سلك عالي السرعة التكسية بالليزر يستخدم سلكًا معدنيًا كمادة تكسية يتم تغذيته في شعاع الليزر. يتم صهر السلك المعدني لتكوين حوض منصهر يتصلب لتكوين طبقة الكسوة.

مزايا التكسية بالليزر السلكي عالي السرعة:

الفوائد البيئية: يؤدي استخدام الأسلاك بدلاً من المسحوق إلى التخلص من تناثر السلك والغبار المعدني، مما يحسن الأداء البيئي.

استخدام عالي للمواد: السلك مصهور بالكامل، مما يضمن استخدام مادة 99% تقريبًا.

كفاءة تكسية عالية: يؤدي التحكم في مدخلات الطاقة وسرعة التكسية السريعة إلى كفاءة عالية للمواد.

تأثير بارامترات العملية على تأثير الكسوة

الكسوة بالليزر تؤثر معلمات الليزر، بما في ذلك طاقة الليزر وقطر البقعة وسرعة الكسوة وإزاحة التركيز ومعدل تغذية المسحوق وسرعة المسح ودرجة حرارة التسخين المسبق، بشكل كبير على معدل تخفيف طبقة الكسوة وتكوين الشقوق وخشونة السطح والكثافة الكلية للأجزاء المكسوة. يمكن أن تؤدي إعدادات المعلمات غير الصحيحة إلى ضعف الترابط المعدني بين الكسوة والركيزة، مما يعيق تكوين قنوات متعددة الطبقات.

تشمل معلمات العملية الرئيسية ما يلي:

قوة الليزر: وهذا يحدد الحجم المنصهر للركيزة. تؤدي زيادة الطاقة إلى تكسية أعمق ولكنها تزيد أيضًا من احتمال حدوث مسامية. ومع ذلك، يمكن أن تقلل الطاقة الأعلى من التشققات والمسامية من خلال تحسين التصلب الديناميكي أثناء مرحلة التبريد.

القطر الموضعي: يؤثر قطر البقعة لليزر على عرض طبقة الكسوة. وفي حين أن أحجام البقع الصغيرة توفر جودة أفضل، فإن البقع الكبيرة أفضل لتغطية مساحات أكبر.

سرعة التكسية: تؤثر سرعة الكسوة على مدى جودة ذوبان مسحوق السبيكة. إذا كانت عالية جدًا، لن يذوب المسحوق بالكامل؛ وإذا كانت منخفضة جدًا، ستزداد حرارة الحوض، مما يؤدي إلى فقدان المواد.

مميزات تقنية تشكيل سطح الكسوة بالليزر

سرعة تبريد سريعة والتصلب السريع.

تشوه حراري منخفض, بمعدلات تخفيف منخفضة وترابط معدني ممتاز بين الطلاء والركيزة.

مجموعة واسعة من المواد: قائم على الحديد، وقائم على النيكل، وقائم على النحاس، وقائم على التيتانيوم، وغيرها.

تحكم دقيق في السُمك: تتراوح سماكة الكسوة من 0.2 مم إلى 2 مم، وهي مثالية لترميم الأجزاء البالية.

دقة معالجة عالية, ، مناسبة للمناطق الصغيرة أو التي يصعب معالجتها.

سهولة تكامل الأتمتة.

أنظمة مواد التكسية بالليزر

يعد اختيار مواد التكسية أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق جودة السطح وخصائصه المطلوبة. وعادةً ما يعتمد اختيار المواد المناسبة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للركيزة، ويجب اختيار مادة التكسية وفقاً لذلك.

أنظمة المواد:

مساحيق السبائك ذاتية الانصهار: وتشمل هذه المساحيق القائمة على الحديد والنيكل والكوبالت، وهي الأكثر استخدامًا في الكسوة بالليزر. وهي توفر مقاومة ممتازة للتآكل والأكسدة.

المساحيق المركبة: وهي تجمع بين السيراميك عالي نقطة الانصهار مثل الكربيدات والنتريدات والبوريدات مع المعادن، مما يشكل مساحيق مثالية لإنتاج طلاءات مقاومة للتآكل.

مساحيق السيراميك: بما في ذلك السيراميك القائم على الأكسيد مثل أكسيد الألومنيوم وأكسيد الزركونيوم، وتستخدم هذه المواد عادةً لإنتاج طلاءات مقاومة للحرارة.

مساحيق السبائك الأخرى: كما يتم استخدام مساحيق سبائك النحاس والتيتانيوم والألومنيوم وغيرها من المساحيق المتخصصة الأخرى حسب متطلبات التطبيق.

خاتمة

الكسوة بالليزر تُستخدَم هذه التقنية على نطاق واسع في صناعات مثل صناعة الطيران والسيارات والبتروكيماويات والمعادن والنقل بالسكك الحديدية لإصلاح المكونات الحرجة وتحسينها. من خلال توفير حل فعال من حيث التكلفة لإصلاح الأجزاء التالفة, التكسية بالليزر يقلل التكاليف ويعزز الكفاءة ويحسن الأداء. مع التقدم في أجهزة الليزر عالية الطاقة وانخفاض تكاليف التصنيع, التكسية بالليزر موضوعًا ساخنًا في كل من البحوث الأكاديمية والصناعية.