יישום טכנולוגיית ריתוך היברידי בעל עוצמה גבוהה בקשת לייזר בתחומים מרכזיים שונים

01 ריתוך היברידי בקשת לייזר עם פלטות עבות

ריתוך פלטות עבות (עובי ≥ 20 מ"מ) ממלא תפקיד מפתח בייצור ציוד גדול בתחומים חשובים כמו תעופה וחלל, ניווט ובניית ספינות, תחבורה רכבתית וכו'. רכיבים אלה מאופיינים בדרך כלל בעובי גדול, צורות חיבור מורכבות וסביבות שירות מורכבות. לאיכות הריתוך יש השפעה ישירה על ביצועי הציוד ואורך החיים שלו. עקב מהירות הריתוך האיטית ובעיות התזה חמורות, שיטת הריתוך המסורתית המוגן בגז מתמודדת עם אתגרים כגון יעילות ריתוך נמוכה, צריכת אנרגיה גבוהה ומאמץ שיורי גדול, מה שמקשה על עמידה בדרישות הייצור ההולכות וגדלות. עם זאת, טכנולוגיית ריתוך היברידית בקשת לייזר שונה מטכנולוגיית ריתוך מסורתית. היא משלבת בהצלחה את היתרונות של...ריתוך לייזרוריתוך קשת, ויש לו מאפיינים של עומק חדירה גדול, מהירות ריתוך מהירה, יעילות גבוהה ואיכות ריתוך טובה יותר, כפי שמוצג באיור 1. לכן, טכנולוגיה זו משכה תשומת לב נרחבת והחלה להיות מיושמת בכמה תחומים מרכזיים.

איור 1 עקרון ריתוך היברידי בקשת לייזר

02מחקר על ריתוך היברידי בקשת לייזר של לוחות עבים

המכון הנורבגי לטכנולוגיה תעשייתית ואוניברסיטת לול לטכנולוגיה בשוודיה חקרו את האחידות המבנית של חיבורים מרותכים מרוכבים בהספק של 15 קילוואט עבור פלדת סגסוגת נמוכה בעלת חוזק גבוה, מיקרו-סגסוגת בעובי 45 מ"מ. אוניברסיטת אוסקה והמכון המרכזי למחקר מתכות במצרים השתמשו בלייזר סיבים של 20 קילוואט כדי לערוך מחקר על תהליך ריתוך היברידי של קשת לייזר במעבר יחיד של לוחות עבים (25 מ"מ), תוך שימוש בציפוי תחתון כדי לפתור את בעיית הגבנון התחתון. חברת Force Technology הדנית השתמשה בשני לייזרי דיסק של 16 קילוואט בטור כדי לערוך מחקר על ריתוך היברידי של לוחות פלדה בעובי 40 מ"מ בהספק של 32 קילוואט, דבר המצביע על כך שצפוי להשתמש בריתוך קשת לייזר בהספק גבוה בריתוך בסיסי מגדלי אנרגיית רוח ימית, כפי שמוצג באיור 2. חברת Harbin Welding Co., Ltd. היא הראשונה במדינה ששולטת בטכנולוגיית הליבה ובטכנולוגיית שילוב הציוד של ריתוך מקור חום היברידי של קשת אלקטרודה להיתוך לייזר מוצק בהספק גבוה. זוהי הפעם הראשונה בה אני מיישם בהצלחה טכנולוגיית וציוד ריתוך היברידיים של קשת אלקטרודה עם התכה כפולה בלייזר מוצק בעוצמה גבוהה, בציוד ייצור מתקדם במדינתי.

איור 2. תרשים פריסת התקנת לייזר

על פי מצב המחקר הנוכחי של ריתוך לייזר-קשת היברידי של לוחות עבים בארץ ובחו"ל, ניתן לראות כי שילוב של שיטת ריתוך לייזר-קשת היברידית וחריץ צר יכול להשיג ריתוך של לוחות עבים. כאשר עוצמת הלייזר עולה ליותר מ-10,000 וואט, תחת הקרנת לייזר בעל אנרגיה גבוהה, התנהגות האידוי של החומר, תהליך האינטראקציה בין הלייזר לפלזמה, מצב יציב של זרימת בריכת המותך, מנגנון העברת החום והתנהגות המתכת של הריתוך יתרחשו שינויים בדרגות שונות. ככל שההספק עולה ליותר מ-10,000 וואט, העלייה בצפיפות ההספק תגביר את מידת האידוי באזור הסמוך לחור הקטן, וכוח הרתע ישפיע ישירות על יציבות החור הקטן ועל זרימת בריכת המותך, ובכך ישפיע על תהליך הריתוך. לשינויים יש השפעה לא מבוטלת על יישום הלייזר ותהליכי הריתוך המרוכבים שלו. תופעות אופייניות אלו בתהליך הריתוך משקפות באופן ישיר או עקיף את יציבות תהליך הריתוך במידה מסוימת, ואף יכולות לקבוע את איכות הריתוך. אפקט הצימוד של שני מקורות החום של לייזר וקשת יכול לגרום לשני מקורות החום לתת משחק מלא למאפיינים שלהם ולהשיג אפקטי ריתוך טובים יותר מאשר ריתוך בלייזר יחיד וריתוך בקשת. בהשוואה לשיטת ריתוך אוטוגני בלייזר, לשיטת ריתוך זו יש יתרונות של יכולת הסתגלות חזקה לפער ועובי ריתוך גדול. בהשוואה לשיטת ריתוך מילוי חוטי לייזר בפער צר של לוחות עבים, יש לה יתרונות של יעילות התכת חוטים גבוהה ואפקט היתוך חריצים טוב. בנוסף, משיכת הלייזר לקשת משפרת את יציבות הקשת, מה שהופך את ריתוך הלייזר-קשת ההיברידי למהיר יותר מריתוך קשת מסורתי.ריתוך חוטי מילוי בלייזר, עם יעילות ריתוך גבוהה יחסית.

03 יישום ריתוך היברידי בקשת לייזר בעל עוצמה גבוהה

טכנולוגיית ריתוך היברידי בלייזר-קשת בהספק גבוה נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית בניית הספינות. מספנת מאייר בגרמניה הקימה קו ייצור לריתוך היברידי בלייזר-קשת CO2 בהספק של 12 קילוואט לריתוך לוחות שטוחים וקשיחים של גוף הספינות כדי להשיג יצירת ריתוכים פילה באורך 20 מטר בבת אחת ולהפחית את מידת העיוות ב-2/3. GE פיתחה מערכת ריתוך היברידית בלייזר-קשת סיבים עם הספק תפוקה מרבי של 20 קילוואט לריתוך נושאת המטוסים USS Saratoga, וחסכה 800 טון של מתכת לריתוך והפחיתה את שעות האדם ב-80%, כפי שמוצג באיור 3. CSSC 725 מאמצת מערכת ריתוך היברידית בלייזר-קשת סיבים בהספק גבוה של 20 קילוואט, שיכולה להפחית את עיוות הריתוך ב-60% ולהגדיל את יעילות הריתוך ב-300%. מספנת שנגחאי וואיגאוצ'יאו משתמשת במערכת ריתוך היברידית בלייזר-קשת סיבים בהספק גבוה של 16 קילוואט. קו הייצור מאמץ טכנולוגיית תהליך חדשה של ריתוך לייזר היברידי + ריתוך MAG כדי להשיג ריתוך חד-צדדי במעבר אחד ועיצוב דו-צדדי של לוחות פלדה בעובי 4-25 מ"מ. טכנולוגיית ריתוך לייזר היברידית בעלת עוצמה גבוהה נמצאת בשימוש נרחב בכלי רכב משוריינים. מאפייני הריתוך שלה הם: ריתוך של מבני מתכת מורכבים בעובי גדול, עלות נמוכה וייצור יעיל במיוחד.

איור 3. נושאת המטוסים USS Sara Toga

טכנולוגיית ריתוך היברידי בלייזר-קשת בהספק גבוה יושמה לראשונה בכמה תחומים תעשייתיים ותהפוך לאמצעי חשוב לייצור יעיל של מבנים גדולים בעלי עובי דופן בינוני וגדול. נכון לעכשיו, קיים מחסור במחקר על מנגנון ריתוך היברידי בלייזר-קשת בהספק גבוה, שיש לחזק אותו עוד יותר, כגון האינטראקציה בין פוטופלזמה לקשת והאינטראקציה בין קשת לבריכה מותכת. עדיין נותרו בעיות רבות ולא פתורות בתהליך ריתוך היברידי בלייזר-קשת בהספק גבוה, כגון חלון תהליך צר, תכונות מכניות לא אחידות של מבנה הריתוך ובקרת איכות ריתוך מסובכת. ככל שעוצמת המוצא של לייזרים ברמה תעשייתית עולה בהדרגה, טכנולוגיית ריתוך היברידי בלייזר-קשת בהספק גבוה תתפתח במהירות, ומגוון טכנולוגיות ריתוך היברידיות חדשות בלייזר ימשיכו לצוץ. לוקליזציה, קנה מידה גדול ואינטליגנציה יהיו מגמות חשובות בפיתוח ציוד ריתוך בלייזר בהספק גבוה בעתיד.