טכנולוגיהכנולוגיה לייזר

1. עקרון הלחיצה בלייזר

ניתן לבצע לחיצה בלייזר באמצעות קרני לייזר רציפות או פולסיות. עקרון הלחיצה בלייזר מתחלק ללחיצה המבוססת על העברת חום וללחיצה בלייזר חדירה מעמיקה. צפיפות ההספק נמוכה מ-10 ⁴ ~10⁵ רוחב/ס"מ ² היא ריתוך הולכה חום, המאופיין בעומק חדירה קטן ומהירות ריתוך איטית. כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-10 ⁵ ~10⁷ רוחב/ס"מ ² , נתחמם שטח המתכת, וייווצרו "תעלות" ויתאפשר ריתוך חדירה עמוקה, המאופיין במהירות ריתוך גבוהה ויחס עומק-רוחב גדול.

עקרון הריתוך בלייזר בהולכת חום הוא כדלקמן: קרינת الليיזר מחממת את השטח שאמור לעיבוד, והחום מהשטח מתפשט פנימה דרך הולכת חום. על ידי בקרה על פרמטרי الليיזר כגון רוחב הפולס, האנרגיה, הספק השיא ותדירות החזרה של פולס الليיזר, הגוף המעובד נמס וייווצר בריכה מסויימת.

מכונות ריתוך בלייזר המשמשות לריתוך גלגלים שיניים ולריתוך לוחות דקים מטאלורגיים עוסקות בעיקר בריתוך בלייזר חדירה עמוקה. עקרון ריתוך בלייזר החדירה העמוקה יוסבר בפירוט להלן.

לידות חתך עמוקה באמצעות לייזר משתמשת בדרך כלל בקרן לייזר רציפה כדי לחבר חומרים. הפיזיקה המטאלורגית שלה דומה מאוד לליידות קרן אלקטרונים, ומנגנון המרת האנרגיה מושג דרך מבנה ה"מפתח". תחת הקרנת לייזר בצפיפות הספק גבוהה מספיק, החומר מתאדה ויוצר מפתח. המפתח הזה, المملوء באדים, פועל כגוף שחור, וסופג כמעט את כל אנרגיית קרן הפגיעה. טמפרטורת שיווי המשקל בתוך המפתח מגיעה לערך של כ-2500 °ג. חום עובר מהדופן החיצונית של החריץ החם הזה, הממס את המתכת שסביבו. החריץ מלא באדים חמים שנוצרים על ידי האידוי המתמיד של חומר הדופן תחת הקרנת קרן الليיזר. דפנות החריץ מוקפות במתכת נוזלית, והמתכת הנוזלית מוקפת בחומר מוצק (ברוב תהליכי הלחיצה הקונבנציונליים ובלחיצה לייזר מסוג 'הולכה', האנרגיה מושקעת ראשית על פני השטח של החלק ומעובדת לאחר מכן לתוך הפנים). זרימת הנוזל ומתח הפנים מחוץ לדפנות החריץ יוצרים שיווי משקל דינמי עם לחץ האדים המתמשך שנוצר בתוך החריץ. ככל שהקרן הליזרית חודרת באופן מתמיד לתוך החריץ, החומר מחוץ לחריץ ממשיך לזרום. כאשר קרן الليיזר זזה, החריץ נשאר במצב זרימה יציב. במילים אחרות, החריץ והמתכת הנוזלית שסביבו זזים קדימה באותה מהירות שבה זורמת קרן המדריכה. המתכת הנוזלית ממלאת את החריצים שנשארים אחרי שהחריץ זז הלאה, ולאחר מכן מתקשה, ובכך נוצרת הלחיצה. כל זה קורה במהירות כה גדולה שמהירות הלחיצה יכולה להגיע בקלות למספר מטרים לדקה.

2. פרמטרי התהליך העיקריים של ריתוך חודר-עמוק בלייזר

כוח לייזר

לידות לייזר כוללת סף צפיפות אנרגיית לייזר. מתחת לסף זה, עומק החדירה הוא רגוע; ברגע שנשיג או נעבור את הסף, עומק החדירה גדל באופן משמעותי. פלזמה נוצרת רק כאשר צפיפות עוצמת הלייזר על החומר עולה על סף זה (תלוי בחומר), מה שמסמן את תחילתה של לידת חדירה עמוקה יציבה. אם עוצמת הלייזר נמוכה מסף זה, מתרחשת רק התכה שטחית של החומר, כלומר הלידה מתקדמת במצב יציב של העברת חום. כאשר צפיפות עוצמת הלייזר קרובה לתנאי הקריטיים להיווצרות קנה-האור (keyhole), לידת החדירה העמוקה ולידת ההולכה מתחלפות, מה שמביא לתהליך לידת לא יציב עם תנודות גדולות בעומק החדירה. בלידת לייזר בעומק, עוצמת הלייזר שולטת בו זמנית בעומק החדירה ובמהירות הלידה. עומק החדירה של הלידה קשור ישירות לצפיפות עוצמת הבלימה ותלוי בעוצמת הבלימה הנכנסת ובנקודת המיקוד של הבלימה. באופן כללי, עבור בלימת לייזר בקוטר מסוים, עומק החדירה גדל עם העלייה בעוצמת הבלימה.

נקודת המיקוד של הח beam

גודל נקודת הח beam הוא אחד המשתנים החשובים ביותר בהלחמה בלייזר, מכיוון שהוא קובע את צפיפות ההספק. עם זאת, מדידתו עבור לייזרים בעלי הספק גבוה היא מאתגרת, למרות קיומן של רבות שיטות מדידה עקיפות.

גודל נקודת המיקוד המוגבל על ידי עקיפה של הח beam ניתן לחישוב על סמך תיאורית העקיפה האופטית. עם זאת, בשל עיוותים באובייקט הממקד, גודל נקודת המיקוד בפועל גדול מהערך המחושב. שיטת המדידה המעשית הפשוטה ביותר היא שיטת הפרופילומטריה האיזותרמית, הכוללת שריפת דף נייר עבה וחדירה ללוח פוליפרופילן, ולאחר מכן מדידת נקודת המיקוד וקוטר החור. שיטה זו דורשת מדידה מעשית כדי לשלוט בהספק הליזר ובמשך זמן מגע הח beam.

ערך ספיגת החומר

הספיגה של אור לייזר על ידי חומר תלויה בכמה תכונות חשובות, כגון ספיגתיות, השתקפות, מוליכות תרמית, טמפרטורת הפשרה וטמפרטורת ההאידוי, כאשר הספיגתיות היא התכונה החשובה ביותר.

גורמים המשפיעים על הספיגתיות של חומר כלפי קרן לייזר כוללים שני היבטים: ראשית, ההתנגדות הסגולית של החומר. מדידות של הספיגתיות של משטחים מומשים מראות שהספיגתיות פרופורציונלית לשורש הריבועי של ההתנגדות הסגולית, אשר בתורها משתנה עם הטמפרטורה. שנית, מצב המשטח (או חלקותו) של החומר משפיע באופן משמעותי על הספיגתיות של הקרן, ולכן משפיע במידה רבה על אפקט הלחיצה.

אורך הגל היצואי של לייזר CO2 הוא בדרך כלל 10.6 μ מ. חומרים לא מתכתיים כגון קרמיקה, זכוכית, גומי ופלסטיות מציגים שיעורי ספיגה גבוהים בטמפרטורת החדר, בעוד שחומרים מתכתיים סופגים אותו באופן לקוי בטמפרטורת החדר, והספיגה עולה בחדות רק לאחר שהחומר נמס או אפילו מتبخر. שיטות יעילות לשיפור הספיגה של קרן الليיזר על ידי החומר הן ציפויי פנים או סרטים חמצוניים.

מהירות הריתוך

מהירות הלחיצה משפיעה באופן משמעותי על עומק הלחיצה. הגברת המהירות מביאה לירידה בעומק הלחיצה, בעוד שמהירות נמוכה מדי גורמת להתמוססות יתרית ולחור באבזר. לפיכך, עבור חומר מסוים, עם עוצמת לייזר ועובי נתונים, קיים טווח מתאים למהירויות לחיצה, ובתוכו ניתן להשיג את עומק הלחיצה המרבי. איור 10-2 מציג את הקשר בין מהירות הלחיצה לעומק הלחיצה עבור פלדה מסוג 1018.

גז מגן

גזים אינרטיים משמשים בדרך כלל להגנה על הבריכה המותכת במהלך ריתוך בלייזר. אם כי חמצון של השטח אינו מהווה בעיה מסוימת עבור חומרים מסוימים, הליום, ארגון וחנקן משמשים בדרך כלל ברוב היישומים כדי למנוע חמצון של החלק הנרתם במהלך הריתוך.

הליום מיוון בדרגה נמוכה (אך יש לו אנרגיית יון גבוהה), מה שמאפשר לקרן הליזר לעבור דרכו חלקית ולהגיע למשטח החלק הנרתם ללא הפרעה. זהו גז הגנה היעיל ביותר המשמש בריתוך בלייזר, אך הוא יקר יחסית.

ארגון זול יותר וצפיפותו גבוהה יותר, מה שמביא להגנה טובה יותר. עם זאת, הוא מיוון בקלות על ידי פלזמה מתכת בטמפרטורה גבוהה, מה שמחסום חלק מהקרן מלהגיע לחלק הנרתם, ומפחית את עוצמת הליזר האפקטיבית, וכן פוגע במהירות הריתוך ובעומק החדירה. החיבורים המוגנים בארגון מציגים משטחים חלקים יותר מאלו המוגנים בהליום.

חנקן הוא גז הגנה הזול ביותר, אך אינו מתאים לרתכת סוגי פלדת אל חלד מסוימים, בעיקר בגלל בעיות מטאלורגיות כגון ספיגה, אשר יכולות לעתים קרובות ליצור נקבוביות באזור המחבר.

תפקידה השני של גזי ההגנה הוא להגן על עדשת המיקוד מפני זיהום באדים מתכתיים וספיטרינג של טיפות נוזליות. זה חשוב במיוחד ברתכת לייזר בעוצמה גבוהה, שבה החומר הנותק הופך לבעל עוצמה רבה מאוד.

תפקידה השלישי של גזים מגנים הוא היכולת שלהם לפזר את הפלסמה שנוצרת על ידי ריתוך לייזר בעל הספק גבוה. אדים מתכתיים מוסיפים את קרן الليיזר ויוננים לערמת פלסמה. הגז המגן שמסביב לאדים המתכתיים גם יונן עקב החימום. אם יש יותר מדי פלסמה, קרן الليיזר נבלעת במידה מסוימת על ידי הפלסמה. הפלסמה קיימת כמקור אנרגיה משני על פני השטח העובד, מה שמוביל לעומק חיבור קטן יותר ובריכת חיבור רחבה יותר. קצב שיקום האלקטרונים גדל עם העלייה במספר ההתנגשויות בין אלקטרונים, יונים ואטומים נייטרלים, ובכך מצמצם את צפיפות האלקטרונים בפלסמה. cuanto קלילים האטומים הנייטרלים, כך התדירות של ההתנגשויות וקצב השיקום גבוהים יותר; מצד שני, רק גז מגן בעל אנרגיית יינון גבוהה יכול למנוע עלייה בצפיפות האלקטרונים עקב יינון הגז עצמו.

גודל ענן הפלזמה משתנה בהתאם לגז המגן המשמש, כאשר ההליום הוא בגודל הקטן ביותר, אחריו החנקן והארגון הוא בגודל הגדול ביותר. ענן פלזמה גדול יותר גורם לעומק חיבור קטן יותר. הבדלים אלו נבעים בעיקר מדרגות האינון השונות של מולקולות הגז, וכן מהבדלים בהפרסת אדים מתכת שנגרמים על ידי צפיפויות שונות של גזי המגן.

להליום יש את רמת האינון והצפיפות הנמוכות ביותר, מה שמאפשר לו להדוף במהירות את אדי המתכת העולים מאזור הבריכה המותכת. לכן, השימוש בהליום כגז מגן מדכא במקסימום את הפלזמה, ובכך מגדיל את עומק החיבור ואת מהירות החיבור; משקל הליום הקל גם מאפשר לו לברוח בקלות, ומכאן נמוכה יותר הסבירות להיווצרות נקבוביות. עם זאת, על סמך תוצאות החיבור הממשיות שלנו, התגלה שהגנה בארגון היא יעילה מאוד.

ההשפעה של ענן הפלזמה על חדירות הלחיצה היא בולטת ביותר בسرعות לחיצה נמוכות. השפעתה מתחילה להחלש ככל שמהירות הלחיצה עולה.

גז ההגנה נזרק בלחץ מסוים דרך פקק ומכסה את משטח החלק המעובד. הצורה ההידרודינמית של הפקק וקוטר היציאה שלו הם קריטיים. גז ההגנה חייב להיות מספיק גדול כדי לכסות את משטח הלחיצה, אך גודל הפקק חייב להיות מוגבל כדי להגן באופן יעיל על העדשה ולמנוע זיהום על ידי אדים מתכתיים או נזק שנגרם על ידי התפזרות של מתכת. גם קצב הזרימה חייב להיות מבוקר; אחרת, הזרימה הלמינרית של גז ההגנה תהפוך לטורבולנטית, וכניסת אוויר אטמוספרי לתוך בועת המתכת המותכת תביא בסופו של דבר ליצירת נקבוביות.

לשם שיפור אפקט השריון, ניתן להשתמש בשיטת ניפוח צדדית נוספת, שבה גז השריון מוזרק ישירות לתוך החור הצר של הלחיצה בעומק באמצעות פיה בקוטר קטן יותר בזווית מסוימת. גז השריון לא רק מדכא את ענן הפלסמה על פני השטח של החלק המעובד, אלא גם משפיע על הפלסמה בתוך החור הצר ועל היווצרות החור הצר, מה שמגביר עוד יותר את עומק החדירה ומאפשר להשיג חיבור עם יחס אידיאלי בין העומק לרוחב. עם זאת, שיטה זו דורשת בקרה מדויקת על קצב זרימת הגז וכיוונו; אחרת, עלול להיווצר טורבולנציה, אשר תפגע באזור המתכת הנמסה ותגרום לאי-יציבות בתהליך הלחיצה.

אורך מוקד של העדשה

במהלך הלחיצה, קרן الليיזר מתמקד בדרך כלל, לרוב באמצעות עדשות בעל אורך מוקד של 63–254 מ"מ (2.5 ”~10”גודל הנקודה המורכזת הוא פרופורציונלי ישירות לאורך המוקד; ככל שאורך המוקד קצר יותר, כך גם גודל הנקודה קטן יותר. עם זאת, אורך המוקד משפיע גם על עומק המיקוד, כלומר עומק המיקוד גדל באופן פרופורציונלי לאורך המוקד. לכן, אורך מוקד קצר יכול להגביר את צפיפות ההספק, אך בשל עומק המיקוד ה nông, יש לשמור במדויק על המרחק בין העדשה לפריט המעובד, וגם עומק החדירה מוגבל. בגלל השפעת הזרם והמצב הליזרי שנוצרים במהלך הלחיצה, אורך המוקד הקצר ביותר שמשתמשים בו בפועל בהלחיצה הוא לרוב 126 מ"מ (5 ”כאשר המחברה גדולה או כאשר יש צורך להגדיל את גודל הלחיצה על ידי הגדלת גודל הנקודה, ניתן לבחור עדשה באורך מוקד של 254 מ"מ (10 ”) במקרה זה, כדי להשיג את אפקט המפתחון העמוק, יש צורך בהספק לייזר גבוה יותר (צפיפות הספק).

כאשר הספק الليיזר עולה על 2 קילו-ואט, במיוחד עבור 10.6 μ קרני לייזר CO2 באורך גל של מיקרומטר, בשל השימוש בחומרים אופטיים מיוחדים במערכת האופטית, משתמשים בדרך כלל במיקוד ע"י החזרה כדי להימנע מפגיעות אופטיות באוביקטיב המיקוד. מראות נחושת מפולishes משמשות בדרך כלל כמראות החזרה. בשל תכונות הקירור היעילות שלהן, הן מומלצות לרוב למיקוד קרני לייזר בעוצמה גבוהה.

מיקום מיקום

בזמן הלחיצה, מיקום המיקוד הוא קריטי לשמירה על צפיפות הספק הדרושה. שינויים במיקום היחסי של המיקוד יחסית לפני השטח של החלק המעובד משפיעים ישירות על רוחב ועומק הלחיצה. איור 2-6 מציג את השפעת מיקום המיקוד על עומק החדירה ורוחב הלחיצה בפלדה מסוג 1018.

ברוב יישומי הלחיצה בלייזר, המיקוד ממוקם בדרך כלל כרבע מהדרך מתחת לפני השטח של החלק המעובד כדי להשיג את עומק החדירה הרצוי.

מיקום קרן الليיזר

בעת ריתוך לייזר של חומרים שונים, מיקום קרן הלייזר קובע את איכות המחבר הסופי, במיוחד במתחברים ציריים (butt joints), שבהם הוא רגיש יותר מאשר במתחברים חופפים (lap joints). לדוגמה, בעת ריתוך גלגל שיניים מפלדה מוקשה לתוף מפלדה נמוכה פחמן, בקרה תקינה על מיקום קרן הלייזר תניב מחבר שכולו בעיקר מרכיבי פלדה נמוכה פחמן, אשר מציג עמידות טובה יותר בפני סדקים. בחלק מהיישומים, הגאומטריה של החלק הנרתם דורשת סיבוב של קרן הלייזר בזווית מסוימת. כאשר זווית הסיבוב בין ציר הקרן למישור המחבר היא עד 100 מעלות, ספיגת האנרגיה של הלייזר על ידי החלק הנרתם לא תושפע.

בקרת העלייה והירידה של עוצמת הלייזר בנקודות ההתחלה והסיום של הריתוך

במהלך רכיבת לייזר בעומק, ללא תלות בעומק הרכבה, תופעת הקנה תמיד קיימת. כאשר מסיימים את תהליך הרכיבה ומסירים את מפסק ההספק, נוצר שקע בקצה הרכבה. בנוסף, כאשר שכבת הרכיבה ב-liizer חופפת על הרכיבה המקורית, עלולה להתרחש ספיגה מוגזמת של קרן ה-liizer, מה שגורם לחימום יתר או לקיום נקבוביות ברכיב המורכב.

כדי למנוע את התופעות הללו, ניתן לתכנת את נקודות ההפעלה וההספה של ההספק כך שהזמן שבו מתחיל ומסתיים ההספק יהיה ניתן להתאמה. כלומר, ההספק ההתחלתי מוגבר באופן אלקטרוני מאפס לערך ההספק המוגדר בתוך פרק זמן קצר, וזמן הרכיבה מתואם בהתאם. לבסוף, בסוף תהליך הרכיבה, ההספק מופחת בהדרגה מהערך המוגדר לאפס.

3. מאפיינים, יתרונות וחסרונות של רכיבת לייזר בעומק

מאפייני רכיבת לייזר בעומק

1) יחס גובה-רוחב גבוה. 1) **חיבור עמוק וצר:** מכיוון שהמתכת המותכת נוצרת סביב חלל האדים הצילינדרי בטמפרטורה גבוהה, ומרחיבה לעבר החלק המעובד, החיבור הופך עמוק וצר.

2) **הכנסה מינימלית של חום:** בשל הטמפרטורה הגבוהה ביותר בתוך הפתח, תהליך ההמסה מתרחש במהירות רבה מאוד, מה שמביא להכנסה נמוכה מאוד של חום לחלק המעובד, וממזער את עיוות החום ואת אזור ההשפעה החמה.

3) **צפיפות גבוהה:** הפתח המלא באדים בטמפרטורה גבוהה מקדם ערבוב של בדיקת החיבור ויציאת הגזים, מה שמוביל לחיבור ללא נקבוביות וחיבור מלא. קצב הקירור הגבוה לאחר החיבור מעמיק עוד יותר את המבנה המיקרוסקופי של החיבור.

4) **חישוק חזק:** מקור החום העז והבליעה המלאה של רכיבים לא מתכתיים מפחיתים את רמת הזרבים ומשנים את הגודל והתפלגות הזרבים בבריכת החישוק. תהליך החישוק אינו דורש אלקטרודות או חוט מילוי, מה שמביא למזעור זיהום באזור המותך, ולכן חוזק וחוסן החישוק שווים לפחות לחוזק וחוסן המתכת הבסיסית, ואף עלולים לעלות עליהם.

5) **בקרה מדויקת:** מכיוון שהנקודה הממוקדת קטנה מאוד, ניתן למקם את החישוק במיקום מדויק. פליטת الليיזר אינה סובלת מאינרציה, מה שמאפשר עצירות ושידור מחדש מהירים במהירויות גבוהות. טכנולוגיית תנועת קרן ה-CNC מאפשרת חישוק של חלקים מורכבים. 6) תהליך חישוק אטמוספרי ללא מגע. מכיוון שהאנרגיה מגיעה מקרן פוטונים, אין מגע פיזי עם החלק, ולכן לא מופעל כוח חיצוני על החלק. בנוסף, שדה מגנטי ואויר אינם משפיעים על קרן الليיזר.

היתרונות של חישוק לייזר בעומק

1) בשל הצפיפות הגבוהה בהרבה של הספק של לייזרים ממוקדים לעומת שיטות קונבנציונליות, מהירות הלחיצה היא גבוהה, אזור ההשפעה החום ועיוותי החומר קטנים, והלכידה יכולה ללחוץ חומרים קשים ללחיצה כגון טיטניום.

2) מכיוון שהחוטם קל להעברה ולשליטה, ואין צורך בשינויים תכופים של פקקי לחיצה ופיהוקים, וכן אין צורך ביצירת ריק עבור לחיצה באמצעות קרן אלקטרונים, זמן העצירה מצטמצם באופן משמעותי, מה שמוביל לשיעור עיבוד גבוה ויעילות ייצור גבוהה.

3) בשל האפקט המנקה וקצב הקירור הגבוה, המחברת מאפיינת חוזק, גמישות וביצועים כלליים גבוהים.

4) בשל כמות החום הממוצעת הנכנסת נמוכה, דיוק העיבוד הוא גבוה, מה שמביא לצמצום עלויות עיבוד חוזר; בנוסף, עלויות הפעלה של לחיצה בלייזר נמוכות גם כן, וכך יורדות עלויות עיבוד החלק.

5) עוצמת החוטם והמיקום המדויק שלו ניתנים לשליטה יעילית, מה שמאפשר אוטומציה פשוטה של התהליך.

חסרונות של לחיצה בלייזר בעומק

1) עומק לחיצה מוגבל.

2) דרישות גבוהות להרכבה של חלקי העבודה.

3) השקעה ראשונית גבוהה במערכות לייזר.