In-situ deformation monitoring during laser welding using single time-gated camera stereo-DIC
تقدم هذه الدراسة طريقة تصوير رقمي بالارتباط المعتمد على التداخل (stereo-DIC) بكاميرا ذات بوابة زمنية واحدة، والتي تعمل بفعالية على كبح الإشعاع الحراري وإشعاع البلازما الكثيف لتمكين المراقبة الميدلية للتشوه في كامل المجال أثناء عملية لحام سبائك Ti6Al4V بالليزر، متجاوزةً بذلك قيود التعرض المفرط لأنظمة الـ DIC التقليدية ذات الضوء الأزرق، وموفرةً بيانات حاسمة حول تطور التشوه وتأثيرات قيود الحدود.
المؤلفون الأصليون:Yi Luo, Jianqiao Hu, Hengxu Song, Bing Pan
التيتانيوم معدن يعشقه المهندسون لقوته وخفته، مما يجعله مفضلاً لبناء الطائرات، والغواصات، والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن وصل قطع التيتانيوم معاً هو عملية دقيقة. فعندما يتم تسخين المعدن إلى درجات حرارة قصوى لصهره ودمجه، فإنه يتمدد ثم ينكمش أثناء تبريده. وتخلق هذه الدورة قوى داخلية غير مرئية تسمى الإجهاد المتبقي. وإذا لم تُفهم هذه القوى وتُتحكم بها، فقد تؤدي إلى تشوه الجزء النهائي أو تسببه في حدوث تصدع تحت الضغط في وقت لاحق من عمره. ولحل هذه المشكلة، يحتاج العلماء إلى مراقبة حركة المعدن في الوقت الفعلي أثناء لحامه، ورصد كيفية تمدده وانكماشه بدقة. والمشكلة هي أن عملية اللحام نفسها تكون ساطعة بشكل يعمي الأبصار؛ فالليزر المستخدم لصهر المعدن يخلق سحابة من الغاز والبلازما شديدة السخونة تنبعث منها إضاءة مكثفة، مما يحجب أي كاميرا تحاول التقاط صورة. الأمر يشبه محاولة قراءة كتاب بينما يسلط شخص ما كشافاً عالي القدرة مباشرة في عينيك؛ حيث تتلاشى تفاصيل الصفحة ببساطة.
لقد طور باحثون في جامعة بهانغ والأكاديمية الصينية للعلوم طريقة جديدة للرؤية من خلال هذا التوهج المبهر. فقد ابتكروا نظاماً يستخدم كاميرا خاصة قادرة على التقاط صور في جزء ضئيل جداً من الثانية، وهي سرعة كافية لتجاهل الضوء المستمر والمبهر للبلازما الناتجة عن اللحام. وبدلاً من محاولة حجب الضوء باستخدام دروع مادية، والتي من شأنها أن تخفي المنطقة المراد دراستها، استخدموا خدعة في التوقيت. لقد قاموا بإضاءة المعدن بليزر أزرق يومض لمدة 150 نانو ثانية فقط — وهو وقت قصير جداً لدرجة أنه يكاد يكون لحظياً. وقد تم مزامنة الكاميرا لتفتح غالقها في تلك اللحظة الوجيزة نفسها. ولأن ضوء البلازما المبهر مستمر وومضة الليزر قصيرة جداً، تلتقط الكاميرا فقط الانعكاس الواضح لليزر الأزرق من سطح المعدن، بينما يظل وهج البلازما الطاغي غير مرئي فعلياً. وهذا يسمح لهم برؤية نمط النقاط المرسوم على المعدن وتتبع حركته بدقة عالية، حتى عندما تتجاوز درجة الحرارة بالقرب من اللحام 2,000 درجة مئوية.
ولاختبار هذه الطريقة، قام الفريق بلحام لوحين من سبائك التيتانيوم معاً، وهي مادة تُعرف باسم Ti6Al4V، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والفضاء. وقد أجروا التجربة بطريقتين مختلفتين: إحداهما حيث كانت ألواح المعدن مثبتة بإحكام في مكانها بواسطة مشبك، والأخرى حيث كانت الألواح حرة الحركة أثناء تبريدها. وباستخدام نظام الكاميرا الواحدة الجديد، سجلوا آلاف الصور بينما كان الليزر يتحرك على طول خط اللحام. وفي مقارنة مباشرة، فشل نظام كاميرا قياسي يستخدم الضوء الأزرق فوراً، حيث تحولت الصور إلى اللون الأبيض تماماً وأصبحت عديمة الفائدة بمجرد بدء عملية اللحام. وفي المقابل، أنتج النظام الجديد صوراً واضحة وحادة طوال العملية بأكملب، من اللحظة التي لامس فيها الليزر المعدن إلى فترة التبريد الطويلة التي تلت ذلك. وقد تمكن الباحثون من رسم خريطة لسطح المعدن بالكامل، ومراقبة كيفية تمدده عند تسخينه ثم انكماشه عند تبريده.
أظهرت النتائج قصة واضحة لكيفية سلوك المعدن. فمع تحرك الليزر، تتمدد المنطقة الموجودة أمامه مباشرة بسبب الحرارة، بينما تبدأ المنطقة التي خلفه في الانكماش. ولاحظ الباحثون أن المعدن يتمدد على طول اتجاه اللحام وينكمش أيضاً من الجوانب. وعندما كان المعدن مثبتاً في مشبك، كانت الحركة الجانبية مقيدة، مما أدى إلى تشوه إجمالي أقل. وعندما كان المعدن حراً في الحركة، انكمش بشكل أكبر، مما أدى إلى تشوهات نهائية أكبر. وقد أكد هذا أن تثبيت المعدن في مكانه يغير كيفية بناء الإجهاد واستقراره. وتثبت الدراسة أن تقنية الكاميرا ذات البوابة الزمنية يمكن أن تنجح في التقاط التاريخ الكامل للتشوه أثناء اللحام بالليزر، وهي مهمة كانت مستحيلة سابقاً بسبب الضوء المكثف. ومن خلال توفير بيانات واضحة حول كيفية تحرك التيتانيوم وتغير شكله أثناء العملية، توفر هذه الطريقة وسيلة موثوقة للتحقق من النماذج الحاسوبية وتحسين تصنيع المكونات الحيوية، مما يضمن بقاء الجيل القادم من الطائرات والسفن العميقة آمنة ومتينة.
ملخص تقني: مراقبة التشوه في الموقع أثناء اللحام بالليزر باستخدام نظام الـ DIC الستيريائي ذو الكاميرا ذات البوابة الزمنية الواحدة
بيان المشكلة تتأثر السلامة الهيكلية وموثوقية الخدمة لمكونات سبائك التيتانيوم، لا سيما في تطبيقات الفضاء والدفاع، بشدة بالإجهادات المتبقية والتشوهات الناتجة عن اللحام. إن فهم التطور الديناميكي للتشوه أثناء عملية اللحام أمر بالغ الأهمية للتحقق من صحة النماذج الحرارية الميكانيكية وتحسين معايير العملية. ومع ذلك، فإن الحصول على بيانات دقيقة للتشوه في كامل المجال (full-field) في الموقع أثناء لحام سبائك التيتانيوم بالليزر يفرض تحديات كبيرة. تتضمن العملية درجات حرارة قصوى (تتجاوز 2000 درجة مئوية) وإشعاع بلازما مكثف ناتج عن التفاعل بين الليزر والهدب (laser-plume). تعاني تقنيات القياس البصري التقليدية، مثل تقنية ارتباط الصور الرقمية (DIC) بالضوء الأزرق، من فرط تعرض شديد في الصورة بسبب هذا الإشعاع، مما يؤدي إلى فقدان تباين نمط النقط (speckle pattern) ويجعل تحليل الـ DIC غير ممكن. ورغم محاولات استخدام الدروع الفيزيائية أو التصفية ذات النطاق الضيق مع ليزرات نبضية عالية القدرة، إلا أنها غالباً ما تفشل في التقاط مجالات التشوه الحقيقية بالقرب من منطقة اللحام أو تكون غير كافية للظروف القاسية للحام سبائك التيتانيوم. علاوة على ذلك، تتطلب أنظمة الـ stereo-DIC التقليدية مزامنة ثنائية الكاميرا، مما يزيد من التعقيد والتكلفة.
المنهجية لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون ويتحققون من صحة نظام الـ DIC الستيريائي ذو الكامرة ذات البوابة الزمنية الواحدة (STG stereo-DIC). تعتمد المنهجية على استراتيجية تصفية ثنائية النطاق لتثبيط إشعاع البلازما والحرارة المكثف:
التصفية الطيفية: يتم مطابقة مرشح بصري ضيق النطاق (450 ± 10 نانومتر) مع ليزر نبضي أزرق عالي القدرة (450 نانومتر، عرض النبضة 150 نانو ثانية) يُستخدم كمصدر إضاءة نشط. يعمل هذا على حجب الإشعاع الحراري واسع النطاق المنبعث من العينة المسخنة.
التصفية الزمنية: تعمل كاميرا ذات بوابة زمنية (gated camera) بقدرة تعريض بمقياس النانو ثانية (سرعات تبديل تتراوح بين 10−8 إلى 10−9 ثانية) بالتزامن مع نبضات الليزر. ومن خلال حصر نافذة التعريض لتكون بمدة نبضة الليزر المنعكسة، يتم تقليل الطاقة المستمرة من إشعاع البلازما والحرارة بعدة رتب مقدارية، لتصبح ضئيلة مقارنة بإشارة الإضاءة النشطة.
ولتحقيق القياس ثلاثي الأبعاد دون تعقيد المزامنة بين كاميرتين، يستخدم النظام مهايئاً رباعي المرايا يوضع أمام كاميرا بوابة زمنية واحدة. يقوم هذا المهايئ بتقسيم الضوء القادم من العينة إلى مسارين بصريين، مما يعرض الرؤيتين اليمنى واليسرى على نصفي المستشعر الأيسر والأيمن نفسه. هذا يحاكي نظام الرؤية الستيريو باستخدام كاميرا واحدة.
تم اختبار النظام على ألواح من سبيكة Ti6Al4V تيتانيوم (120 مم × 60 مم × 4 مم) باستخدام ليزر ألياف بقدرة 10 كيلو واط. أُجريت التجارب تحت شرطين للحدود: مثبتة (مثبتة بإحكام عند النهايات والجوانب) وحرة (مثبتة بالشريط اللاصق على طاولة العمل فقط). وقد استُخدم نظام stereo-DIC تقليدي بالضوء الأزرق كعينة ضابطة للمقارنة.
المساهمات الرئيسية
تطبيق مبتكر: تمثل هذه الدراسة أول تطبيق لتقنية STG stereo-DIC في لحام سبائك التيتانيوم بالليزر، وهو مجال يتميز بدرجات حرارة فوق 2000 درجة مئوية وإشعاع بلازما شديد.
التثبيط ثنائي النطاق: يوضح العمل أن الجمع بين التصفية الطيفية والزمنية يعمل بفعالية على تخفيف إشعاع البلازما إلى مستويات مهملة، مما يسمح بتصوير واضح للنمط النقطي حيث تفشل الطرق التقليدية.
تكوين ستيريو أحادي الكاميرا: يوفر دمج مهايئ رباعي المرايا مع كاميرا بوابة زمنية حلاً فعالاً من حيث التكلفة وخالياً من مشاكل المزامنة للقياس ثلاثي الأبعاد في الموقع.
الحصول على بيانات كاملة المجال: نجحت الطريقة في التقاط تطور الإزاحة والتشوه في كامل المجال طوال دورات اللحام والتبريد بأكملها، بما في ذلك مرحلة الانتقال من التمدد الحراري إلى الانكماش.
النتائج
أداء التصوير: التقط نظام STG stereo-DIC باستمرار صوراً واضحة وغير معرضة لفرط الإضاءة لنمط النقط طوال عملية اللحام. في المقابل، عانى نظام الـ DIC التقليدي بالضوء الأزرق من فرط تعرض فوري وشديد بمجرد بدء اللحام، حيث اقتربت قيم متوسط الكثافة من الحد الأقصى للتدرج الرمادي (256) وانخفضت تدرجات متوسط الكثافة إلى ما يقارب الصفر.
دقة القياس: أشارت الاختبارات الاستاتيكية على عينة ثابتة إلى استقرار في القياس دون مستوى البكسل (sub-pixel)، حيث كانت تقلبات الإزاحة داخل المستوي ضمن حدود ±0.2 ميكرومتر، وبانحراف معياري قدره 0.5 ميكرومتر.
تطور التشوه: كشفت خرائط الإزاحة كاملة المجال أن مكونات التشوه داخل المستوي (الموازية والمتعامدة مع خط اللحام) انتقلت من التمدد الحراري أثناء التسخين إلى الانكماش أثناء التبريد.
تأثيرات الشروط الحدية:
تحت الظروف المثبتة (clamped)، كان التشوه داخل المستوي المتعامد والتشوه المتبقي النهائي أصغر بكثير مما هو عليه في ظروف الحدود الحرة، وهو ما يتفق مع تأثيرات التقييد الميكانيكي.
تحت الظروف الحرة (free)، أظهرت العينة تشوهاً إجمالياً أكبر وتشوهاً متبقياً أكبر، خاصة في الاتجاه المتعامد مع خط اللحام.
كانت أنماط وتوجهات التشوه الإجمالية متشابهة لكلا الحالتين، مما يشير إلى أن التثبيت يقيد المقدار ولكنه لا يغير آلية التشوه بشكل جوهري.
الأهمية والادعاءات يزعم البحث أن طريقة STG stereo-DIC المقترحة توفر أساساً تجريبياً موثوقاً لفهم تولد وتطور الإجهاد المتبقي والتشوه في لحام سبائك التيتانيوم. ومن خلال حل المشكلة الحرجة المتمثلة في فرط تعرض الصورة، تتيح هذه الطريقة الحصول على بيانات عالية الدقة في كامل المجال، والتي كان من الصعب الوصول إليها سابقاً تحت هذه الظروف القاسية. ويذكر المؤلفون أن هذه القدرة لا غنى عنها للتحقق من صحة النماذج الحرارية الميكانيكية وتحسين معايير اللحام. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة توفر حلاً قوياً للمراقبة في الموقع، مع التخطيط لأعمال مستقبلية للانتقال من رسم الخرائط السطحية العالمية إلى القياسات المحلية الدقيقة بالقرب من منطقة اللحام لتوصيف تدرجات التشوه المحلية بشكل أفضل.