מה זה ריתוך בלייזר?

ריתוך בלייזר הוא היבט חשוב בטכנולוגיית עיבוד חומרי לייזר ולעתים קרובות מכונה מכונת ריתוך לייזר. הוא מסווג בדרך כלל על סמך מצב העבודה שלו למכונות ריתוך תבניות בלייזר (מכונות ריתוך ידניות), מכונות ריתוך לייזר אוטומטיות, מכונות ריתוך נקודתי לייזר ומכונות ריתוך לייזר סיבים. ריתוך בלייזר משתמש בפולסי לייזר באנרגיה גבוהה לחימום מקומי של אזורים קטנים של החומר. האנרגיה מקרינת הלייזר מתפזרת לתוך החומר באמצעות הולכה תרמית, המסת החומר ויצירת בריכה מותכת ספציפית להשגת מטרת הריתוך.

בשנות ה-70, ריתוך לייזר שימש בעיקר לריתוך חומרים דקים וריתוך במהירות נמוכה. התהליך הוא סוג של הולכת חום, כלומר קרינת לייזר מחממת את פני השטח של חומר העבודה, ואז החום מתפזר לתוך הפנים באמצעות הולכה. על ידי שליטה בפרמטרים כגון רוחב פעימות לייזר, אנרגיה, שיא הספק ותדירות חזרות, חומר העבודה מותך ליצירת בריכה מותכת ספציפית. בשל יתרונותיו הייחודיים, ריתוך לייזר יושם בהצלחה לריתוך מדויק של מיקרו וחלקים קטנים.

הופעתם של לייזרים CO2 ו-YAG בעלי הספק גבוה פתחה תחומים חדשים לריתוך בלייזר, מה שהוביל לריתוך חדירה עמוק המבוסס על תיאוריית אפקט החורים הקטנים. זה הוביל ליישומים נפוצים יותר ויותר בתעשיות כמו מכונות, רכב ופלדה.

בהשוואה לטכנולוגיות ריתוך אחרות, היתרונות העיקריים של ריתוך לייזר הם:

1. מהירות גבוהה, עומק גדול ועיוות מינימלי: התהליך מהיר, משיג ריתוכים עמוקים עם דפורמציה מינימלית.

2. רבגוניות בתנאי ריתוך: ניתן לבצע ריתוך בטמפרטורת החדר או בתנאים מיוחדים, עם התקנה פשוטה של ​​ציוד. למשל, לייזרים יכולים לפעול דרך שדות אלקטרומגנטיים ללא הסטת קרן; ריתוך יכול להתרחש בסביבות ואקום, אוויר או גז מסוימות, ודרך חומרים שקופים כמו זכוכית.

3. יכולת לרתך חומרים קשים להמסה: ריתוך בלייזר יכול להתמודד עם חומרים כגון טיטניום וקוורץ, ולהשיג תוצאות טובות עם חומרים לא דומים.

4. צפיפות הספק גבוהה: לאחר המיקוד, ללייזר צפיפות הספק גבוהה. ביישומי ריתוך בעוצמה גבוהה, יחס העומק לרוחב יכול להגיע עד 5:1, ובמקרים מסוימים עד 10:1.

5. יכולת ריתוך מיקרו: ניתן למקד את קרן הלייזר להשגת נקודות קטנות מאוד ומיקום מדויק, מה שהופך אותה מתאימה למיקרו וחלקים קטנים בייצור אוטומטי בנפח גבוה.

6. גישה לאזורים שקשה להגיע אליהם: ריתוך בלייזר יכול לבצע ריתוך מרחוק ללא מגע עם גמישות גבוהה. התפתחויות אחרונות בטכנולוגיית הלייזר YAG, כגון טכנולוגיית העברת סיבים, הרחיבו עוד יותר את היישום של ריתוך לייזר.

7. עיבוד אלומות מרובות: ניתן לפצל את קרני הלייזר באופן מרחבי וזמני, מה שמאפשר עיבוד בו-זמני עם אלומות מרובות ותחנות עבודה מרובות, מה שמספק תנאים לריתוך מדויק יותר.

עם זאת, לריתוך לייזר יש גם מגבלות מסוימות:

1. דרישה לדיוק גבוה: יש להרכיב את חומר העבודה בדיוק רב, וקרן הלייזר חייבת להיות ממוקמת במדויק על חומר העבודה. מכיוון שנקודת הלייזר קטנה מאוד לאחר המיקוד ותפר הריתוך צר, חיוני לוודא שהרכבת חלקי העבודה ומיקום האלומה מדויקים כדי למנוע פגמי ריתוך.

2. עלות גבוהה: העלות של לייזרים ומערכות נלוות גבוהה יחסית, מה שמייצג השקעה ראשונית משמעותית.

1. צפיפות כוח

צפיפות הספק היא אחד הפרמטרים הקריטיים ביותר בעיבוד לייזר. צפיפות הספק גבוהה יותר יכולה לחמם את פני השטח לנקודת הרתיחה שלו תוך מיקרו-שניות, ולגרום לאידוי משמעותי. לכן, צפיפות הספק גבוהה מועילה לתהליכי הסרת חומרים כגון קידוח, חיתוך וחריטה. לצפיפות הספק נמוכה יותר, לוקח מספר אלפיות שניות עד שטמפרטורת פני השטח מגיעה לנקודת הרתיחה. לפני שהמשטח מתאדה, השכבות הבסיסיות מגיעות לנקודת ההתכה, מה שמקל על ריתוך היתוך טוב. בריתוך לייזר מסוג הולכה, צפיפות ההספק נעה בדרך כלל בין 10410^4104 ל-10610^6106 W/cm².

2. צורת גל דופק לייזר

צורת הגל של פעימת הלייזר היא נושא חשוב בריתוך בלייזר, במיוחד עבור ריתוך יריעות דק. כאשר קרן לייזר בעוצמה גבוהה פוגעת במשטח החומר, 60% עד 98% מאנרגיית הלייזר מוחזרת משם, והרפלקטיביות משתנה עם טמפרטורת פני השטח. במהלך פעימת לייזר בודדת, ההחזרה של המתכת משתנה באופן משמעותי.

3. משך דופק לייזר

משך הדופק הוא פרמטר מכריע בריתוך לייזר דופק. הוא מבחין בין הסרת חומר לבין התכת חומרים ומהווה גם גורם מפתח בקביעת העלות והגודל של ציוד העיבוד.

4.השפעת מרחק התמקדות על איכות הריתוך

ריתוך בלייזר דורש לעתים קרובות מידה מסוימת של ביטול מיקוד מכיוון שצפיפות ההספק במוקד הלייזר גבוהה מאוד, מה שעלול להוביל להיווצרות חורים עקב אידוי. במטוסים הרחק ממוקד הלייזר, חלוקת צפיפות הכוח אחידה יחסית.

ישנם שני סוגים של חוסר מיקוד: חוסר מיקוד חיובי וחוסר מיקוד שלילי. ביטול מיקוד חיובי מתרחש כאשר מישור המוקד נמצא מעל חומר העבודה, בעוד ביטול מיקוד שלילי מתרחש כאשר מישור המוקד נמצא מתחת לחומר העבודה. על פי תיאוריית האופטיקה הגיאומטרית, כאשר דה-פוקוס חיובי ושלילי שווים, צפיפות הכוח במישורים המתאימים היא בערך זהה. עם זאת, הצורות של הבריכות המותכות המתקבלות שונות.

דה-פוקוס שלילי יכול לגרום לעומק גדול יותר של נמס, הקשור לתהליך היווצרות הבריכה המותכת. ניסויים הראו שכאשר הלייזר מחמם את החומר למשך 50 עד 200 מיקרו-שניות, החומר מתחיל להמיס, יוצר מתכת נוזלית ואידוי, יוצר קיטור בלחץ גבוה שנפלט במהירויות גבוהות מאוד, ומייצר אור לבן בוהק. במקביל, הריכוז הגבוה של הגז גורם למתכת הנוזלית לנוע לשפת הבריכה המותכת, ויוצר שקע במרכז הבריכה. במהלך דה-פוקוס שלילי, צפיפות הכוח בתוך החומר גבוהה יותר מאשר על פני השטח, מה שמוביל להתכה ואידוי חזקים יותר, מה שמאפשר לאנרגיית האור לחדור עמוק יותר לתוך החומר. לכן, ביישומים מעשיים, נעשה שימוש בדה-פוקוס שלילי כאשר נדרש עומק התכה גדול יותר, בעוד ש-de-focus חיובי מועדף לריתוך חומרים דקים.

1. ריתוך בין יריעות

זה כולל ארבע שיטות תהליך: ריתוך קת, ריתוך קצוות, ריתוך התכת חדירה מרכזית וריתוך התכה של ניקוב מרכזי.

2. ריתוך בין חוטים

זה כולל ארבע שיטות תהליך: ריתוך חוט-לחוט, ריתוך צולב, ריתוך ברכיים מקבילים וריתוך T-joint.

3. ריתוך חוטי מתכת לבלוק רכיבים

ריתוך בלייזר יכול לחבר בהצלחה חוטי מתכת לרכיבי בלוקים, כאשר גודל רכיבי הבלוק גמיש. במהלך הריתוך, יש לשים לב לממדים הגיאומטריים של רכיבי החוט.

4. ריתוך של מתכות שונות

ריתוך סוגים שונים של מתכות כולל התייחסות ליכולת הריתוך ולמגוון פרמטרי הריתוך. ריתוך בלייזר בין חומרים שונים אפשרי רק עבור שילובי חומרים ספציפיים.

חלק מהחיבורים בין רכיבים אינם מתאימים לריתוך היתוך בלייזר אך יכולים להפיק תועלת משימוש בלייזרים כמקור חום להלחמה רכה והלחמה קשה, המציעים יתרונות דומים לריתוך היתוך בלייזר. קיימות שיטות שונות להלחמה, כאשר הלחמה רכה בלייזר משמשת בעיקר להלחמת מעגלים מודפסים, במיוחד בהרכבת רכיבים דמויי יריעות. בהשוואה לשיטות אחרות, הלחמה רכה בלייזר מציעה את היתרונות הבאים:

1. חימום מקומי: מכיוון שהחימום הוא מקומי, רכיבים נוטים פחות לסבול מנזק תרמי, והאזור המושפע מחום קטן. זה מאפשר לבצע הלחמה רכה ליד רכיבים רגישים לחום.

2. חימום ללא מגע: עם חימום ללא מגע ושטח התכה רחב, אין צורך בכלים נוספים. שיטה זו מאפשרת עיבוד לאחר התקנת רכיבים משני צידיו של לוח מעגלים מודפס דו-צדדי.

3.חזרה יציבה: היציבות של פעולות חוזרות ונשנות גבוהה. לשטף יש זיהום מינימלי של כלי ריתוך, וזמן החשיפה של הלייזר והספק הפלט נשלטים בקלות, וכתוצאה מכך תפוקה גבוהה של מוצרים מולחמים בלייזר.

4. פיצול קרן קל: ניתן לפצל בקלות קרני לייזר באמצעות רכיבים אופטיים כגון מראות שקופות למחצה, מחזירי אור, מנסרות ומראות סריקה, המאפשרות ריתוך סימטרי בו-זמני במספר נקודות.

5. גמישות אורך גל: הלחמת לייזר משתמשת בדרך כלל בלייזרים עם אורך גל של 1.06 מיקרומטר כמקור החום, שניתן להעביר דרך סיבים אופטיים. זה מאפשר עיבוד באזורים קשים לריתוך בשיטות קונבנציונליות, ומציע גמישות רבה יותר.

6. יכולת מיקוד טובה: יכולת המיקוד מעולה, מה שמקל על השגת אוטומציה עם התקנים מרובי תחנות.

תהליכים מטלורגיים ועקרונות תיאורטיים

התהליכים המתכתיים והפיזיים של ריתוך חדירה עמוקה בלייזר דומים מאוד לאלו של ריתוך קרן אלקטרונים, כאשר מנגנון המרת האנרגיה מושג באמצעות מבנה "חור קטן". תחת הקרנה של אלומת צפיפות הספק גבוהה מספיק, החומר מתאדה ויוצר חור קטן. חור קטן מלא באדים פועל כמו גוף שחור, סופג כמעט את כל אנרגיית האור הנכנסת, עם טמפרטורת שיווי משקל בתוך החלל שמגיעה ל-25,000 מעלות צלזיוס לערך. חום מועבר מקיר החלל בטמפרטורה גבוהה, וגורם למתכת שמסביב להימס. החור הקטן מלא באדים בטמפרטורה גבוהה הנוצרים מאידוי מתמשך של חומר הקיר מתחת לקורה. קירות החור הקטן מוקפים במתכת מותכת, והמתכת הנוזלית עטופה בחומר מוצק. זרימת הנוזל מחוץ לחור ומתח הפנים של שכבת הקיר מאזנים את לחץ האדים המתמשך בתוך החלל, ושומרים על שיווי משקל דינמי. הקורה נכנסת ברציפות לחור הקטן, והחומר שמחוץ לחור זורם ברציפות. כשהקרן נעה, החור הקטן נשאר במצב זרימה יציב. במילים אחרות, החור הקטן והמתכת המותכת שמסביב נעים קדימה עם הקורה המובילה, כאשר מתכת מותכת ממלאת את הרווח שהותיר החור הקטן ולאחר מכן מתמצקת, וכך נוצרת הריתוך.

גורמים משפיעים

גורמים המשפיעים על ריתוך חדירה עמוקה בלייזר כוללים: כוח לייזר, קוטר קרן לייזר, ספיגת חומר, מהירות ריתוך, גז מגן, אורך מוקד העדשה, מיקום נקודת מוקד, מיקום קרן לייזר, ועלייה וירידה הדרגתית של כוח הלייזר בתחילת ובסוף. נקודות ריתוך.

מאפיינים ויתרונות של ריתוך חדירה עמוק בלייזר

מאפיינים:

1. יחס עומק לרוחב גבוה: המתכת המותכת נוצרת ומתפרשת סביב חלל האדים הגלילי בטמפרטורה גבוהה, וכתוצאה מכך ריתוך עמוק וצר.

2. כניסת חום מינימלית: בשל הטמפרטורה הגבוהה מאוד בחלל המקור, תהליך ההיתוך מתרחש במהירות רבה, עם כניסת חום נמוכה מאוד לחומר העבודה, מה שמוביל לעיוות תרמי מינימלי ולאזור מושפע חום.

3. צפיפות גבוהה: החור הקטן המלא באדים בטמפרטורה גבוהה מקל על ערבוב הבריכה המותכת ועל בריחת הגז, וכתוצאה מכך ריתוכים ללא נקבוביות. קצב הקירור הגבוה לאחר הריתוך עוזר גם לעדן את המיקרו-מבנה של הריתוך.

4. ריתוכים חזקים: הריתוכים המתקבלים הם חזקים ועמידים.

5. שליטה מדויקת: התהליך מאפשר שליטה מדויקת על פרמטרי ריתוך.

6. תהליך ריתוך אטמוספרי ללא מגע: תהליך הריתוך אינו כרוך במגע ישיר ומתרחש בסביבה אטמוספרית.

יתרונות:

1. מהירות ריתוך גבוהה ועיוות מינימלי: לקרן הלייזר הממוקדת יש צפיפות הספק גבוהה בהרבה בהשוואה לשיטות קונבנציונליות, וכתוצאה מכך מהירויות ריתוך מהירות יותר, אזורים קטנים יותר מושפעי חום ופחות עיוותים. זה גם מאפשר ריתוך של חומרים קשים כמו טיטניום וקוורץ.

2. זמן השבתה מופחת ויעילות מוגברת: הקלות בהעברת אלומה ובקרה, יחד עם הצורך המופחת בהחלפת לפיד או זרבובית תכופות, מפחיתות משמעותית את זמן ההשבתה עבור פעולות עזר, מה שמוביל ליעילות ופריון גבוהות יותר.

3. ריתוכים חזקים עם ביצועים כלליים גבוהים: אפקט הטיהור וקצב הקירור הגבוה מביאים לריתוכים חזקים עם ביצועים כלליים גבוהים.

4. דיוק גבוה ועלויות עיבוד חוזרות נמוכות יותר: הכנסת החום הנמוכה ודיוק העיבוד הגבוה מפחיתים את הצורך בעיבוד חוזר, ועלויות התפעול של ריתוך בלייזר נמוכות יחסית, ועוזרות להוזיל את עלויות הייצור.

5. קלות אוטומציה: התהליך מקל על אוטומציה עם שליטה יעילה על עוצמת האלומה ומיקום מדויק.