מהם הפרמטרים העיקריים המשפיעים על ריתוך היתוך בלייזר?

עקרון ריתוך בלייזר

ניתן להשיג ריתוך בלייזר על ידי קרני לייזר רציפות או פועם. ניתן לחלק את העיקרון של ריתוך בלייזר לריתוך הולכת חום ולריתוך חדירה עמוקה בלייזר. כאשר צפיפות ההספק נמוכה מ-104~105 W/cm2, מדובר בריתוך הולכת חום. בשלב זה, עומק החדירה רדוד ומהירות הריתוך איטית; כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-105~107 W/cm2, משטח המתכת שקוע לתוך "חללים" על ידי חימום, ויוצר ריתוך חדירה עמוק, שיש לו את המאפיינים של מהירות ריתוך מהירה ויחס רוחב-גובה גדול.

העיקרון של ריתוך לייזר מוליכת חום הוא: קרינת לייזר מחממת את פני השטח המיועד לעיבוד, וחום פני השטח מתפזר פנימה באמצעות הולכת חום. על ידי שליטה ברוחב פולס הלייזר, האנרגיה, שיא הספק ותדירות החזרות ופרמטרים אחרים של לייזר, חומר העבודה מותך ליצירת בריכה מותכת ספציפית. .

מכונת ריתוך הלייזר המשמשת לריתוך גלגלי שיניים ולריתוך לוחות דק מתכתי כולל בעיקר ריתוך חדירה עמוקה בלייזר. להלן מתמקדים בעיקרון של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר.

ריתוך חדירה עמוק בלייזר משתמש בדרך כלל בקרני לייזר רציפות להשלמת חיבור החומרים, והתהליך הפיזי המתכתי שלו דומה מאוד לריתוך קרן אלקטרונים, כלומר, מנגנון המרת האנרגיה הושלם דרך מבנה "חור מפתח". תחת קרינת לייזר בצפיפות הספק גבוהה מספיק, החומר מתאדה ויוצר נקבוביות קטנות. החור הקטן הזה מלא בקיטור הוא כמו גוף שחור, הסופג כמעט את כל האנרגיה של הקרן הפוגעת, וטמפרטורת שיווי המשקל בחלל מגיעה לכ-2500 0C. החום מועבר מהדופן החיצונית של חלל הטמפרטורה הגבוהה כדי להמיס את המתכת המקיפה את החלל. החור הקטן מלא בקיטור בטמפרטורה גבוהה הנוצר על ידי אידוי מתמשך של חומר הקיר תחת הקרנת הקרן, קירות החור הקטן מוקפים במתכת מותכת, והמתכת הנוזלית מוקפת בחומרים מוצקים (בעוד ב רוב תהליכי הריתוך הקונבנציונליים וריתוך הולכה בלייזר, האנרגיה מופקדת תחילה על פני השטח של חומר העבודה, ולאחר מכן מועברת אל הפנים באמצעות שידור). זרימת הנוזל מחוץ לדופן הנקבוביות ומתח הפנים של שכבת הקיר שומרים על איזון דינמי עם לחץ האדים הנוצר ברציפות בחלל הנקבוביות. הקורה נכנסת ברציפות לחור הקטן, והחומר שמחוץ לחור הקטן זורם ברציפות. כשהקרן נעה, החור הקטן נמצא תמיד במצב יציב של זרימה. כלומר, החור הקטן והמתכת המותכת המקיפה את דופן החור נעים קדימה במהירות הקורה המובילה, והמתכת המותכת ממלאת את הרווח שהותיר החור הקטן ואז מתעבה, כך שהריתוך נוצר. כל התהליך הזה שלעיל קורה כל כך מהר שמהירויות ריתוך יכולות להגיע בקלות למספר מטרים בדקה.

02
פרמטרי התהליך העיקריים של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר

1) כוח לייזר. קיים ערך סף של צפיפות אנרגיית הלייזר בריתוך בלייזר. מתחת לערך זה, עומק החדירה רדוד מאוד. ברגע שמגיעים לערך זה או עוברים עליו, עומק החדירה יגדל מאוד. פלזמה נוצרת רק כאשר צפיפות כוח הלייזר על חומר העבודה עולה על ערך סף (בהתאם לחומר), אשר מסמן את התקדמות ריתוך חדירה עמוקה יציבה. אם עוצמת הלייזר מתחת לסף זה, מתרחשת רק התכה פני השטח של חומר העבודה, כלומר ריתוך מתבצע עם הולכת חום יציבה. כאשר צפיפות הספק הלייזר קרובה למצב הקריטי להיווצרות חורים קטנים, מתבצעים לסירוגין ריתוך חדירה עמוק וריתוך הולכה, אשר הופך לתהליך ריתוך לא יציב, הגורם לתנודות גדולות בעומק החדירה. במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, כוח הלייזר שולט בעומק החדירה ובמהירות הריתוך בו זמנית. חדירת ריתוך קשורה ישירות לצפיפות הספק האלומה והיא פונקציה של כוח קרן תקרית ונקודת מוקד קרן. באופן כללי, עבור קרן לייזר בקוטר מסוים, עומק החדירה גדל ככל שעוצמת הקרן עולה.

2) נקודת מוקד קרן. גודל נקודת הקרן הוא אחד המשתנים החשובים ביותר בריתוך בלייזר מכיוון שהוא קובע את צפיפות ההספק. אבל עבור לייזרים בעלי הספק גבוה, המדידה שלו היא בעיה קשה, אם כי ישנן טכניקות מדידה עקיפות רבות.

ניתן לחשב את גודל הנקודה המוגבל לעקיפה של מיקוד האלומה על פי תיאוריית עקיפות האור, אך בשל קיומה של סטיית עדשת מיקוד, גודל הנקודה בפועל גדול מהערך המחושב. השיטה המעשית הפשוטה ביותר היא שיטת הפרופיל האיזותרמית, המודדת את נקודת המוקד ואת קוטר הניקוב לאחר חריכה וחדירה של לוחית פוליפרופילן עם נייר עבה. שיטה זו צריכה לשלוט בעוצמת הלייזר ובזמן פעולת האלומה באמצעות תרגול מדידה.

3) ערך ספיגת החומר. בליעת אור הלייזר על ידי חומרים תלויה בכמה תכונות חשובות של חומרים, כגון ספיגה, רפלקטיביות, מוליכות תרמית, טמפרטורת התכה, טמפרטורת אידוי וכו', שהחשובה שבהן היא כושר הספיגה.

הגורמים המשפיעים על קצב הספיגה של החומר לקרן הלייזר כוללים שני היבטים: הראשון הוא ההתנגדות של החומר. לאחר מדידת קצב הספיגה של המשטח המלוטש של החומר, נמצא כי קצב הספיגה של החומר הוא פרופורציונלי לשורש הריבועי של ההתנגדות, וההתנגדות משתנה עם הטמפרטורה. שנית, למצב פני השטח (או החלקות) של החומר יש השפעה חשובה יותר על קצב ספיגת האלומה, שיש לו השפעה משמעותית על אפקט הריתוך.

אורך הגל הפלט של לייזר CO2 הוא בדרך כלל 10.6 מיקרומטר. קצב הספיגה של קרמיקה, זכוכית, גומי, פלסטיק ושאר לא מתכות גבוה מאוד בטמפרטורת החדר, בעוד שקצב הספיגה של חומרי מתכת נמוך מאוד בטמפרטורת החדר, עד שהחומר נמס או אפילו גז ספיגתו עולה באופן דרמטי. יעיל מאוד לשפר את קליטת קרני האור של החומר על ידי שימוש בציפוי פני השטח או היווצרות סרט תחמוצת פני השטח.

4) מהירות ריתוך. למהירות הריתוך יש השפעה רבה על עומק החדירה. הגדלת המהירות תהפוך את החדירה לרדודה, אך אם המהירות נמוכה מדי, החומר יימס יתר על המידה וחומר העבודה יהיה מרותך. לכן, קיים טווח מהירות ריתוך מתאים לחומר ספציפי בעל עוצמת לייזר מסוימת ועובי מסוים, וניתן לקבל את עומק החדירה המרבי בערך המהירות המתאים. איור 10-2 מציג את הקשר בין מהירות הריתוך לעומק החדירה של פלדה 1018.

5) גז מגן. גז אינרטי משמש לעתים קרובות כדי להגן על הבריכה המותכת בתהליך ריתוך הלייזר. כאשר חלק מהחומרים מרותכים ללא קשר לחמצון פני השטח, ייתכן שההגנה לא תילקח בחשבון, אך ברוב היישומים, הליום, ארגון, חנקן וגזים אחרים משמשים לעתים קרובות כהגנה כדי להפוך את חלק העבודה למוגן מפני חמצון במהלך הלחמה.

הליום אינו מיונן בקלות (אנרגיית יינון גבוהה יותר), מה שמאפשר ללייזר לעבור בצורה חלקה, ואנרגיית הקרן מגיעה אל פני השטח של חומר העבודה ללא הפרעה. זהו גז המיגון היעיל ביותר המשמש בריתוך לייזר, אך הוא יקר יותר.

גז הארגון הוא זול ודחוס יותר, ולכן אפקט ההגנה טוב יותר. עם זאת, הוא רגיש ליינון פלזמה מתכת בטמפרטורה גבוהה, אשר מגן על חלק מהקרן מפגיעה בחומר העבודה, מפחית את כוח הלייזר האפקטיבי לריתוך, וגם פוגע במהירות הריתוך ובחדירה. פני השטח של הריתוך המוגנים על ידי ארגון חלקים יותר מזה כאשר הוא מוגן על ידי הליום.

חנקן הוא גז המיגון הזול ביותר, אך אינו מתאים לריתוך חלק מסוגי נירוסטה, בעיקר בשל בעיות מתכות, כמו ספיגה, שלעתים מייצרת נקבוביות באזור החפיפה.

התפקיד השני של שימוש בגז מגן הוא להגן על עדשת המיקוד מפני זיהום אדי מתכת וריזור של טיפות נוזלים. במיוחד בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה, מכיוון שהפליטה הופכת לעוצמתית מאוד, יש צורך יותר להגן על העדשה בשלב זה.

תפקידו השלישי של גז המגן הוא שהוא יעיל מאוד בפיזור מגן הפלזמה המיוצר בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה. אדי המתכת סופגים את קרן הלייזר ומייננים לענן פלזמה, וגם הגז המגן סביב אדי המתכת מיונן בגלל חום. אם יש יותר מדי פלזמה, קרן הלייזר נצרכת במידה מסוימת על ידי הפלזמה. פלזמה קיימת על משטח העבודה כאנרגיה שנייה, מה שהופך את החדירה לרדודה ואת פני השטח של בריכת הריתוך להתרחב. קצב הרקומבינציה של אלקטרונים גדל על ידי הגדלת התנגשויות שלושת הגוף של אלקטרונים עם יונים ואטומים ניטרליים כדי להפחית את צפיפות האלקטרונים בפלזמה. ככל שהאטומים הנייטרליים קלים יותר, כך תדירות ההתנגשות גבוהה יותר וקצב הרקומבינציה גבוה יותר; מצד שני, רק הגז המגן בעל אנרגיית יינון גבוהה לא יגדיל את צפיפות האלקטרונים עקב יינון הגז עצמו.

גודל ענן הפלזמה משתנה בהתאם לגז המגן בו נעשה שימוש, כאשר הליום הוא הקטן ביותר, חנקן הוא השני וארגון הוא הגדול ביותר. ככל שגודל הפלזמה גדול יותר, כך החדירה רדודה יותר. הסיבה להבדל זה נובעת ראשית מדרגת היינון השונה של מולקולות גז, וגם בשל ההבדל בדיפוזיה של אדי מתכת הנגרמים מהצפיפויות השונות של גז המגן.

הליום הוא הגז הכי פחות מיונן והכי פחות צפוף, והוא מסלק במהירות אדי מתכת עולים הנוצרים מאמבט המתכת המותכת. לכן, שימוש בהליום כגז מגן יכול לדכא את הפלזמה במידה הרבה ביותר, ובכך להגדיל את עומק החדירה ולהגדיל את מהירות הריתוך; בשל משקלו הקל, הוא יכול לברוח ולא קל לגרום לנקבוביות. כמובן, מאפקט הריתוך האמיתי שלנו, ההשפעה של הגנת ארגון אינה רעה.

ההשפעה של ענן פלזמה על החדירה ברורה ביותר באזור מהירות הריתוך הנמוכה. השפעתו פוחתת ככל שמהירות הריתוך עולה.

גז המגן מוזרק בלחץ מסוים דרך הזרבובית כדי להגיע לפני השטח של חומר העבודה. הצורה ההידרודינמית של הזרבובית וקוטר השקע חשובים מאוד. הוא חייב להיות גדול מספיק כדי להניע את גז המיגון המותס לכיסוי משטח הריתוך, אך על מנת להגן ביעילות על העדשה ולמנוע זיהום אדי מתכת או התזת מתכת מפגיעה בעדשה, יש להגביל גם את גודל הזרבובית. יש לשלוט גם בקצב הזרימה, אחרת הזרימה הלמינרית של גז המגן תהפוך לסוערת, והאטמוספירה תהיה מעורבת בבריכה המותכת, ובסופו של דבר תיצור נקבוביות.

על מנת לשפר את אפקט המגן, ניתן להשתמש גם בשיטת ניפוח צד נוספת, כלומר, דרך זרבובית בקוטר קטן יותר, גז המגן מוזרק ישירות לתוך החור הקטן של ריתוך החדירה העמוק בזווית מסוימת. גז המגן לא רק מדכא את ענן הפלזמה על פני חומר העבודה, אלא גם משפיע על היווצרות הפלזמה וחורים קטנים בחור, מגדיל עוד יותר את עומק החדירה ומקבל ריתוך עם יחס עומק-רוחב אידיאלי. . עם זאת, שיטה זו דורשת שליטה מדויקת בגודל ובכיוון זרימת האוויר, אחרת צפויה להתרחש זרימה סוערת ולהרוס את הבריכה המותכת, מה שמקשה על ייצוב תהליך הריתוך.

6) אורך מוקד העדשה. שיטת מיקוד משמשת בדרך כלל לעיבוי הלייזר במהלך הריתוך, ובדרך כלל משתמשים בעדשה בעלת אורך מוקד של 63~254 מ"מ (2.5"~10"). גודל נקודת המיקוד הוא פרופורציונלי לאורך המוקד, ככל שאורך המוקד קצר יותר, הנקודה קטנה יותר. אבל אורך המוקד משפיע גם על עומק המוקד, כלומר, עומק המוקד גדל באופן סינכרוני עם אורך המוקד, כך שאורך מוקד קצר יכול להגדיל את צפיפות הכוח, אבל בגלל עומק המוקד הקטן, המרחק בין העדשה לחומר העבודה יש לשמור במדויק, ועומק החדירה אינו גדול. בשל השפעת הנתזים ומצב הלייזר הנוצרים בתהליך הריתוך, עומק המוקד הקצר ביותר בשימוש בריתוך בפועל הוא לרוב אורך המוקד של 126 מ"מ (5"). כאשר המפרק גדול או שיש להגדיל את תפר הריתוך על ידי הגדלת בגודל הנקודה, אתה יכול לבחור עדשה עם אורך מוקד של 254 מ"מ (10 אינץ'). במקרה זה, על מנת להשיג את אפקט חריר החדירה העמוק, נדרש כוח פלט לייזר (צפיפות הספק) גבוה יותר.

כאשר הספק הלייזר עולה על 2kW, במיוחד עבור קרן הלייזר CO2 10.6μm, עקב שימוש בחומרים אופטיים מיוחדים ליצירת המערכת האופטית, על מנת למנוע את הסיכון של נזק אופטי לעדשת המיקוד, שיטת המיקוד הרפלקטיבי היא לעתים קרובות משמש, ומראת נחושת מלוטשת משמשת בדרך כלל כמשקף. לרוב מומלץ למיקוד קרני לייזר בעוצמה גבוהה עקב קירור יעיל.

7) עמדת מיקוד. בעת ריתוך, מיקום המיקוד הוא קריטי על מנת לשמור על צפיפות הספק מספקת. שינויים במיקום היחסי של נקודת המוקד ומשטח העבודה משפיעים ישירות על רוחב ועומק הריתוך. איור 2-6 מציג את ההשפעה של מיקום המיקוד על עומק החדירה ורוחב התפר של פלדה 1018.
ברוב יישומי ריתוך הלייזר, נקודת המוקד ממוקמת בדרך כלל כ-1/4 מעומק החדירה הרצוי מתחת לפני השטח של חומר העבודה.

8) מיקום קרן לייזר. בעת ריתוך בלייזר חומרים שונים, מיקום קרן הלייזר שולט באיכות הסופית של הריתוך, במיוחד במקרה של חיבורי קת מאשר חיבורי חך. לדוגמה, כאשר ציוד פלדה מוקשה מרותך לתוף פלדה עדינה, שליטה נכונה במיקום קרן הלייזר תסייע לייצר ריתוך עם רכיב פחמן נמוך בעיקר, עמיד יחסית לסדקים. ביישומים מסוימים, הגיאומטריה של חומר העבודה שיש לרתך מחייבת את הסטת קרן הלייזר בזווית. כאשר זווית הסטייה בין ציר האלומה למישור המפרק היא בטווח של 100 מעלות, קליטת אנרגיית הלייזר על ידי חומר העבודה לא תושפע.

9) בקרת עלייה ונפילה הדרגתית של כוח הלייזר בנקודות ההתחלה והסיום של הריתוך. במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, תמיד קיימים חורים קטנים ללא קשר לעומק הריתוך. כאשר תהליך הריתוך מסתיים ומתג ההפעלה כבוי, יופיע בור בסוף הריתוך. בנוסף, כאשר שכבת ריתוך הלייזר מכסה את תפר הריתוך המקורי, תתרחש ספיגה מוגזמת של קרן הלייזר, שתגרום להתחממות יתר של הריתוך או ליצירת נקבוביות.

על מנת למנוע מהתופעה הנ"ל להתרחש, ניתן לתכנת את נקודות ההפעלה והעצירה כך שתתכוונן את זמן ההתחלה והסיום של הכוח, כלומר, ההספק הראשוני גדל באופן אלקטרוני מאפס לערך ההספק שנקבע תוך זמן קצר, וניתן להתאים את הריתוך. זמן, ולבסוף ההספק מופחת בהדרגה מההספק שנקבע לאפס כאשר הריתוך מסתיים.

03
תכונות ויתרונות וחסרונות של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר

תכונות של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר

1) יחס רוחב-גובה גבוה. כאשר המתכת המותכת נוצרת סביב החלל הגלילי של אדים חמים ומתרחבת לכיוון חומר העבודה, הריתוך הופך עמוק וצר.
2) כניסת חום מינימלית. מכיוון שהטמפרטורה בחור הקטן גבוהה מאוד, תהליך ההיתוך מתרחש מהר במיוחד, כניסת החום לחומר העבודה נמוכה מאוד, והעיוות התרמי והאזור המושפע מחום קטנים.
3) צפיפות גבוהה. מכיוון שהנקבוביות הקטנות המלאות בקיטור בטמפרטורה גבוהה מועילות לערעור בריכת הריתוך ולבריחת גז, וכתוצאה מכך ריתוך חדירה ללא נקבוביות. קצב הקירור הגבוה לאחר הריתוך יכול בקלות להפוך את מבנה הריתוך לעדין יותר.
4) ריתוכים חזקים. בגלל מקור החום הלוהט וספיגה מספקת של רכיבים לא מתכתיים, תכולת הטומאה מצטמצמת, וגודל התכלילים ופיזורם בבריכה המותכת משתנים. תהליך הריתוך אינו מצריך אלקטרודות או חוטי מילוי, ואזור ההיתוך מזוהם פחות, כך שהחוזק והקשיחות של הריתוך שווים לפחות או אפילו גבוהים יותר מאלה של מתכת האם.
5) שליטה מדויקת. מכיוון שנקודת האור הממוקדת קטנה, ניתן למקם את תפר הריתוך בדיוק גבוה. לפלט הלייזר אין "אינרציה", ניתן לעצור אותו ולהפעיל אותו מחדש במהירות גבוהה, וניתן לרתך את חומר העבודה המורכב בטכנולוגיית תנועת קרן הבקרה המספרית.

6) תהליך ריתוך אטמוספרי ללא מגע. מכיוון שהאנרגיה מגיעה מקרן הפוטונים, אין מגע פיזי עם חומר העבודה, ולכן לא מופעל כוח חיצוני על חומר העבודה. בנוסף, למגנטיות ולאוויר אין השפעה על אור הלייזר.

יתרונות ריתוך חדירה עמוקה בלייזר
1) מאחר שללייזר הממוקד יש צפיפות הספק גבוהה בהרבה משיטות קונבנציונליות, מהירות הריתוך מהירה, האזור המושפע בחום והדפורמציה קטנים, וניתן גם לרתך חומרים קשים לריתוך כגון טיטניום.
2) מכיוון שהקרן קלה לשידור ולשליטה, ואין צורך להחליף את הלפיד והזרבובית לעיתים קרובות, ואין צורך בוואקום לריתוך קרן אלקטרונים, מה שמפחית משמעותית את זמן העזר של זמן ההשבתה, כך שגורם העומס יעילות הייצור גבוהה.
3) בשל אפקט הטיהור וקצב הקירור הגבוה, חוזק הריתוך, הקשיחות והביצועים המקיפים גבוהים.
4) בשל כניסת החום הממוצעת הנמוכה ודיוק העיבוד הגבוה, ניתן להפחית את עלויות העיבוד מחדש; בנוסף, עלות התפעול של ריתוך לייזר נמוכה גם היא, מה שיכול להפחית את עלויות עיבוד חלקי העבודה.
5) זה יכול לשלוט ביעילות על עוצמת האלומה והמיקום העדין, וקל לממש פעולה אוטומטית.

חסרונות של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר
1) עומק הריתוך מוגבל.
2) דרישות ההרכבה של חומר העבודה גבוהות.
3) ההשקעה החד פעמית של מערכת הלייזר גבוהה יחסית