A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

في عالم المركبات الكهربائية الحديثة، تُعد البطارية هي القلب، لكن نظام التبريد هو الجهاز الدوري الذي يمنعها من ارتفاع درجة الحرارة. تعتمد هذه الأنظمة على ألواح معدنية رقيقة يجب وصلها معاً بدقة متناهية لمنع التسرب وضمان السلامة. لسنوات طويلة، استخدم المهندسون الألومنيوم لهذه الأجزاء لأنه خفيف الوزن، ولكن الألومنيوم قد يواجه صعوبات عندما تصبح درجات الحرارة شديدة، كما هو الحال أثناء حدث "الهروب الحراري" حيث ترتفع حرارة البطارية بشكل خطير. ولحل هذه المشكلة، يتجه المصنعون إلى نوع محدد من الفولاذ المقاوم للصدأ، يُعرف باسم SUS304L، والذي يمكنه تحمل حرارة أعلى ويوفر قوة هيكلية أكبر. ومع ذلك، فإن وصل هذا الفولاذ يتطلب عملية دقيقة وعالية الطاقة تسمى اللحام بالليزر. ولأن الليزر يتحرك بسرعة كبيرة ويحمل طاقة هائلة، فإنه قد يتسبب بسهولة في خلق عيوب خفية مثل جيوب هوائية صغيرة أو فجوات على طول خط اللحام إذا لم تكن الظروف مثالية. هذه العيوب خطيرة لأنها قد تؤدي إلى تسرب أو فشل هيكلي، ومع ذلك، غالباً ما تكون غير مرئية بالعين المجردة بمجرد الانتهاء من عملية اللحام.

ولكشف هذه العيوب قبل أن تسبب المشاكل، شرع فريق من الباحثين من المعهد الكوري لتكنولوجيا الصناعة وشركاء من القطاع الصناعي في بناء طريقة أكثر ذكاءً لمراقبة عملية اللحام في الوقت الفعلي. وقد ركزوا على نوع أحدث من الليزر يسمى "ليزر النمط الحلقي القابل للتعديل" (Adjustable Ring Mode laser)، والذي يمكنه تشكيل شعاع طاقته لإنشاء حوض معدني منصهر أكثر استقراراً. وبدلاً من الاعتماد على أداة واحدة لمراقبة اللحام، أنشأوا نظاماً متعدد المستشعرات يعمل مثل فريق من المراقبين، حيث يراقب كل منهم دليلاً فيزيائياً مختلفاً. راقب أحد المستشعرات ومضات الضوء في أطياف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، والتي تكشف عن كيفية سلوك البلازما فائقة السخونة والمعدن المنصهر. بينما قام مستشعر آخر، وهو كاميرا حرارية عالية السرعة، برسم خريطة لتوزيع الحرارة حول منطقة اللحام. ومن خلال الجمع بين هذه الرؤى المختلفة، هدف الفريق إلى التمييز بين اللحام المثالي واللحام الذي بدأ يتطور فيه عيب، كل ذلك بينما لا يزال الليزر في حالة حركة.

اختبر الباحثون نظامهم عن طريق لحام صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ تحت ظروف متنوعة، حيث صنعوا عمداً ثلاثة أنواع شائعة من العيوب: المسامية، وهي ثقوب صغيرة محاصرة داخل المعدن؛ والنقر (undercut)، حيث ينصهر حافة اللحام بشكل مفرط؛ وعدم الاختراق، حيث يفشل اللحم في الوصول إلى العمق الكافي لربط الطبقة السفلية. وقارنوا بيانات المستشعرات بصور الأشعة السينية والمقاطع العرضية الفيزيائية للمعدن لمعرفة ما كانت تراه المستشعرات بالضبط. في ظروف اللحام الطبيعية والمثالية، أظهرت المستشعرات إيقاعاً هادئاً ومستقراً؛ حيث ظل إشارة الأشعة تحت الحمراء ضمن نطاق يمكن التنبؤ به، وظلت إشارة الأشعة فوق البنفسجية مسطحة ومستقرة. وقد كان هذا الوضع المستقر بمثابة المرجع، أو إشارة "الأمان" التي أخبرت الباحثين أن الحوض المنصهر يسلك السلوك المتوقع.

وعندما أدخل الباحثون العيوب، بدأت المستشعرات "تصرخ" بطرق مختلفة، اعتماداً على نوع المشكلة. فعند حدوث المسامية، كان مستشعر الأشعة فوق البنفسجية هو أول من استجاب؛ حيث بدأت الإشارة، التي عادة ما تكون مستقرة، في الهبوط والارتفاع بشكل عشوائي. حدث هذا لأن تشكل جيوب الهواء يؤدي إلى زعزعة استقرار البلازما، وهي الغاز المتأين الذي يتكون فوق المعدن المنصهر، مما يسبب وميضاً في الضوء فوق البنفسجي. وفي المقابل، عندما ظهر عيب النقر، تولى مستشعر الأشعة تحت الحمراء زمام المبادرة؛ حيث أظهرت الإشارة الحرارية قممًا حادة وغير منتظمة تشير إلى أن المعدن المنصهر يتدفق بشكل غير متساوٍ عند حواف اللحام. ووجد الباحثون أنه بينما كانت الأشعة فوق البنفسجية ممتازة لرصد جيوب الهواء، فإن إشارة الأشعة تحت الحمراء كانت المؤشر الأفضل لعيوب الحواف.

كما اكتشف الفريق أن طريقة مراقبتهم للحرارة كانت لا تقل أهمية عن الشيء الذي يراقبونه. فقد اختبروا طريقتين لاستخدام الكاميرا الحرارية: الطريقة الأولى، وتسمى "تحليل المنطقة الكلية"، حيث تراقب طول خرزة اللحام بالكامل لرؤية التاريخ الحراري العام. ورغم فائدتها في توفير رؤية واسعة، إلا أنها كانت تتعرض للارتباك بسهولة بسبب تطاير رذاذ المعدن الساخن، المعروف باسم "الطرطشة" (spatter)، مما يخلق قممًا كاذبة في البيانات. أما الطريقة الثانية، وهي "تحليل المنطقة المحلية"، فقد أبقت الكاميرا مركزة بدقة على بقعة الليزر وحوض المنصهر المباشر. وقد وفر هذا النهج قراءة أكثر استقراراً وموثوقية للحرارة في المكان الذي يحدث فيه اللحام تماماً. وعندما اختبر الباحثون حالة كانت فيها طاقة الليزر منخفضة جداً بحيث لا تستطيع الاختراق الكامل للمعدن، أظهر تحليل المنطقة المحلية بوضوح تغيراً في الاستجابة الحرارية، بينما كان عرض المنطقة الكلية أقل وضوحاً. وقد أكد هذا أن إبقاء عين قريبة وثابتة على منطقة التفاعل هو الطريقة الأكثر فعالية لرصد العيوب العميقة مثل عدم كفاية الاختراق.

ومن خلال دمج هذه الرؤى، وضع الباحثون مجموعة جديدة من القواعد لمراقبة جودة اللحام. ووجدوا أنه لا يمكن لمستشعر واحد أن يروي القصة كاملة؛ بل يتطلب اللحام المثالي إشارة أشعة تحت حمراء مستقرة، وإشارة أشعة فوق بنفسجية ثابتة، ونمط حرارة محلي متسق. فإذا أصبحت إشارة الأشعة فوق البنفسجية جامحة، فهذا يعني على الأرجح تشكل جيوب هوائية. وإذا ارتفعت إشارة الأشعة تحت الحمراء بشكل غير منتظم، فهذا يعني أن الحواف تنصهر بشكل مفرط. وإذا تذبذبت إشارة الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع مع تغير نمط الحرارة المحلي، فمن المرجح أن اللحام ليس عميقاً بما يكفي. لقد أثبت هذا النهج متعدد المستشعرات أنه من خلال الاستماع إلى "الأصوات" المختلفة لعملية اللحام — الضوء والحرارة، من زوايا مختلفة — يمكن للمهندسين اكتشاف العيوب في اللحظة التي تحدث فيها. وتشير الدراسة إلى أن هذه الطريقة قد تكون خطوة حيوية نحو بطاريات مركبات كهربائية أكثر أماناً وموثوقية، مما يضمن أن المكونات الفولاذية التي تمسكها معاً خالية من العيوب الخفية.