الطرق باستخدام الليزر

منذ تصنيع أول جهاز ليزر على يد العالم تيودور مايمان في عام 1960، غزى الليزر مجالات عدة من ضمنها معالجة الليزر للمواد^[1]، كالقطع واللحام ومعالجة السطوح. وكانت المعادن هي المواد الأكثر استخداما في المعالجة^[2]. هناك عدة طرق غير تقليدية لمعالجة المواد باستخدام الليزر وكانت مغلقة على عدة معامل في أمريكا لأهميتها في الصناعات الحربية وهي الطَّرْقُ بالليزر لمعالجة شفرات مراوح الطائرات الحربية^[3].

معالجة المواد باستخدام الطرق من أقدم الطرق لمعالجة سطوح المواد المعدنية، وقد استخدمت قديما لدى مصنعي الأسلحة والدروع، حيث كانوا يقومون بالطرق على المعدن إما في الحالة الساخنة أو الباردة لتقوية سطحه وتحسين خصائصه الميكانيكية. وكانت المطرقة هي أساس عملية الطرق. ومع تطور التصنيع، تعددت أساليب وأدوات الطرق، فتشمل المكابس، وهي الشكل المستحدث للمطرقة ولكن بضغوط عالية، وأيضا بكرات الضغط المستخدمة بنفس الأسلوب، ولكن هذه الأدوات لازالت بها عيوب كثيرة، من ضمنها ضرورة أن يكون للمعدن شكل معين لتتم عملية المعالجة، ولتخطي ذلك تم تطوير عدة طرق أخرى كاستخدام كرات المعادن، وهذه الطريقة تستخدم كرات صغيرة يصل قطر الواحدة منها نصف ملم وقد تكون من معدن أو من الزجاج، وهي طريقة مشهورة جدا لمعالجة سطوح الدبابات، وهناك طريقة أخري تسمى الطرق باستخدام الموجات فوق الصوتية، وهي الطريقة المستخدمة لمعالجة سطوح وشفرات المراوح لنفاثات وطائرات السوخوي الروسي.

الطريقة الأخيرة والتي سوف نركز عليها في هذه المقالة هي الطرق بالليزر، وهي التقنية التي استخدمها الجيش الامريكي لتطوير طائرات مثل F22 وF35 وblack bird وغيرها من الطائرات، كما هو موضح بالشكل 1 في معالجة الشفرات.

إن تقنية الطرق على شفرات المروحية للمحركات النفاثة يزيد من كفاءتها وتحمّلها لمزيد من الإجهادات الحرارية، فتزيد من عمر النفاث. كما أن طرق سطح الطائرة يزيد من صلابة سطحها، وهذا يقوي ويحسن من خصائصها الميكانيكية.

المبدأ الأساسي للطرق بالليزر هو أنه عند سقوط أشعة الليزر على سطح معدني قد طلي بمادة سوداء، فإن هذه المادة السوداء تقوم بامتصاص طاقة الليزر وتحولها الي بلازما، وبذلك يتشكل ما يسمى بطاقة الصدمة، وهي موجات ضاغطة على سطح المعدن، تتحدد قوتها بكمية الطاقة المكتسبة من الليزر وطريقة حفظ البلازما المتكونة على سطح المعدن، فيؤدي ذلك إلى كبس سطح المعدن. يفضل في هذه العملية أن يكون هناك ماء فوق سطح العملية ككل، ليقوم بحفظ البلازما كما هو موضح بالشكل 2 إلا أنه اذا أريد زيادة الضغط المكتسب من البلازما، فيفضل استخدام أنواع عدة من الزجاج، وهو بدورة سوف يقوم بحفظ طاقة البلازما ويزيد من الضغط على السطح^[4,5].

إن العوامل المؤثرة في هذه العملية تنقسم الي عدة اقسام:

أولا، بالنسبة لليزر: نوع الطول الموجي المستخدم، وطاقة الليزر بالجول، ومعدل التغير في نبضات الليزر (يفضل من نانو ثانية الي اقل من ذلك)، ومعدل إعادة النبضات، أي عددها في كل ثانية (بالهرتز)، والبعد البؤري للعدسة المستخدمة لليزر ^[4].

ثانيا، بالنسبة للبلازما: نوع المادة التي على سطح المعدن المراد معالجته (دهان أسود، أو ورق الومينيوم)، ونوع المادة الشفافة التي تقوم بحماية البلازما (ماء أو زجاج)، وشدة الليزر المتكون (يجب ألا تقل عن10⁸ watt/ cm² لتكوين البلازما على السطح.)

ثالثا، بالنسبة لموجة الصدمة: يجب أن يراعي شكل المعدن المراد معالجته، لأن شكل السطح قد يؤثر على انعكاس هذه الموجة ويؤدي إلى عدم الاستفادة منها لمعالجة هذا المعدن^[6].

رابعا، نوع المعدن المستخدم واستجابته لهذه العملية: ليتحول المعدن من حالة المرونة لحالة اللدونة بهذه المعالجة الديناميكية (dynamic stress)، يجب مراعاة معامل المرونة، حيث أن الانضغاط قد لايؤثر عليه في شئ، ويجب زيادة طاقة الليزر لكي يقوم بضغطه على السطح. و هناك معامل في ذلك يسمي معامل هيوجنت لمرونة المعادن، فيجب معرفتها قبل عمل المعالجة لهذا المعدن HEL: Hugoniot Elastic Limit)).^[6]

وفي النهاية، يجب أن نعلم أن هذه التقنية لها أهميتها القصوى لتحسين مستوى وأداء إحدي أهم الصناعات، وهي الصناعات الحربية بأمريكا وعدة دول أوروبية في مجال الطائرات.

المراجع المستخدمة:

• National Academy of Engineering (Author), John R. Whinnery , Jesse H. Ausubel , H. Dale Langford,”Lasers: Invention to Application”, National Academy of Engineering, 1987
• William M. Steen , Jyotirmoy Mazumder , Kenneth G. Watkins,”Laser Material Processing “, Springer, 2010
• Kalpakjian, S.R. Schmid, “Manufacturing Engineering and Technology”, Pearson Prentic Hall, 2006
• V.Allmen and A.Blatter, Laser Beam Interactions with Materials: Physical Principles and Applications, Springer, 1994
• Ding and L.Ye,Laser Shock Peening Performance and Process Simulations, CRC press, (2006)
• Ben-Dor, O.Igra ,T.Elperin and Editors , Handbook of Shock Waves, Acadamic Press,Vol.1, (2001)