השוואה של השפעות ריתוך של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים

ריתוך בלייזרניתן להשיג באמצעות קרני לייזר רציפות או פועם. העקרונות שלריתוך לייזרניתן לחלק לריתוך הולכת חום וריתוך 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 קעור ל"חורים" עקב חום, ויוצר ריתוך חדירה עמוק, שיש לו את המאפיינים של מהירות ריתוך מהירה ויחס רוחב-גובה גדול. עקרון ההולכה התרמיתריתוך לייזרהוא: קרינת לייזר מחממת את פני השטח לעיבוד, וחום פני השטח מתפזר לפנים באמצעות הולכה תרמית. על ידי שליטה בפרמטרים של לייזר כגון רוחב דופק לייזר, אנרגיה, שיא הספק ותדירות חזרות, חומר העבודה מותך ליצירת בריכה מותכת ספציפית.

ריתוך חדירה עמוק בלייזר משתמש בדרך כלל בקרן לייזר רציפה להשלמת חיבור החומרים. התהליך הפיזי המטלורגי שלו דומה מאוד לזה של ריתוך קרן אלקטרונים, כלומר, מנגנון המרת האנרגיה הושלם באמצעות מבנה "חור מפתח".

תחת קרינת לייזר עם צפיפות הספק גבוהה מספיק, החומר מתאדה ונוצרים חורים קטנים. החור הקטן הזה המלא באדים הוא כמו גוף שחור, הסופג כמעט את כל האנרגיה של הקרן הפוגעת. טמפרטורת שיווי המשקל בחור מגיעה לכ-2500°ג.החום מועבר מהדופן החיצונית של החור בטמפרטורה גבוהה, מה שגורם להתכת המתכת המקיפה את החור. 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 (ברוב תהליכי הריתוך הקונבנציונליים ובריתוך הולכה בלייזר, האנרגיה מופקדת תחילה על פני השטח של חומר העבודה ולאחר מכן מועברת לפנים על ידי העברה ). זרימת הנוזל מחוץ לדופן החור ומתח הפנים של שכבת הקיר נמצאים בשלב עם לחץ הקיטור הנוצר ברציפות בחלל החור ושומרים על איזון דינמי. אלומת האור נכנסת ברציפות לחור הקטן, והחומר שמחוץ לחור הקטן זורם ברציפות. כאשר אלומת האור נעה, החור הקטן נמצא תמיד במצב יציב של זרימה.

כלומר, החור הקטן והמתכת המותכת המקיפה את דופן החור נעים קדימה במהירות קדימה של אלומת הטייס. המתכת המותכת ממלאת את הרווח שנותר לאחר הסרת החור הקטן ומתעבה בהתאם, והריתוך נוצר. כל זה קורה כל כך מהר שמהירויות ריתוך יכולות להגיע בקלות למספר מטרים בדקה.

לאחר הבנת המושגים הבסיסיים של צפיפות הספק, ריתוך מוליכות תרמית וריתוך חדירה עמוקה, נערוך בשלב הבא ניתוח השוואתי של צפיפות ההספק והשלבים המטאלוגרפיים של קוטרי ליבה שונים.

השוואה של ניסויי ריתוך על בסיס קוטרי ליבות לייזר נפוצים בשוק:

צפיפות הספק של מיקום נקודת מוקד של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים

מנקודת המבט של צפיפות הספק, תחת אותו הספק, ככל שקוטר הליבה קטן יותר, כך בהירות הלייזר גבוהה יותר והאנרגיה מרוכזת יותר. אם משווים את הלייזר לסכין חדה, ככל שקוטר הליבה קטן יותר, הלייזר חד יותר. צפיפות ההספק של הלייזר בקוטר ליבה 14um היא יותר מפי 50 מזו של הלייזר בקוטר ליבה 100um, ויכולת העיבוד חזקה יותר. יחד עם זאת, צפיפות ההספק המחושבת כאן היא רק צפיפות ממוצעת פשוטה. התפלגות האנרגיה בפועל היא התפלגות גאוסית משוערת, והאנרגיה המרכזית תהיה פי כמה מצפיפות ההספק הממוצעת.

תרשים סכמטי של חלוקת אנרגיית לייזר עם קוטרי ליבה שונים

הצבע של דיאגרמת חלוקת האנרגיה היא חלוקת האנרגיה. ככל שהצבע אדום יותר, האנרגיה גבוהה יותר. האנרגיה האדומה היא המקום שבו האנרגיה מתרכזת. באמצעות חלוקת אנרגיית הלייזר של קרני לייזר בעלות קוטרי ליבה שונים, ניתן לראות שחזית קרן הלייזר אינה חדה וקרן הלייזר חדה. ככל שהאנרגיה קטנה יותר, מרוכזת יותר בנקודה אחת, כך היא חדה יותר ויכולת החדירה שלה חזקה יותר.

השוואה של השפעות ריתוך של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים

השוואה של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים:

(1) הניסוי משתמש במהירות של 150 מ"מ לשנייה, ריתוך במיקום מיקוד, והחומר הוא אלומיניום מסדרה אחת, בעובי 2 מ"מ;

(2) ככל שקוטר הליבה גדול יותר, רוחב ההיתוך גדול יותר, האזור המושפע מחום גדול יותר וצפיפות ההספק של היחידה קטנה יותר. כאשר קוטר הליבה עולה על 200um, לא קל להשיג עומק חדירה על סגסוגות בעלות תגובה גבוהה כגון אלומיניום ונחושת, וניתן להשיג ריתוך חדירה עמוקה יותר רק בהספק גבוה;

(3) ללייזרים בעלי ליבה קטנה יש צפיפות הספק גבוהה והם יכולים לנקב במהירות חורי מפתח על פני השטח של חומרים בעלי אנרגיה גבוהה ואזורים קטנים מושפעי חום. עם זאת, באותו זמן, פני השטח של הריתוך מחוספסים, והסבירות להתמוטטות חור המנעול גבוהה במהלך ריתוך במהירות נמוכה, וחור המנעול נסגר במהלך מחזור הריתוך. המחזור ארוך, ופגמים כמו פגמים ונקבוביות נוטים להתרחש. זה מתאים לעיבוד מהיר או עיבוד עם מסלול נדנדה;

(4) ללייזרים בקוטר ליבה גדול יש כתמי אור גדולים יותר ואנרגיה מפוזרת יותר, מה שהופך אותם למתאימים יותר להמסה מחדש של משטחי לייזר, חיפוי, חישול ותהליכים אחרים.