השוואה בין אפקטי ריתוך של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים

ריתוך בלייזרניתן להשיג זאת באמצעות קרני לייזר רציפות או פולסות. עקרונות הריתוך לייזרניתן לחלק את הריתוך לריתוך הולכת חום וריתוך חדירה עמוקה בלייזר. כאשר צפיפות ההספק נמוכה מ-104~105 וואט/סמ"ר, מדובר בריתוך הולכת חום. בשלב זה, עומק החדירה רדוד ומהירות הריתוך איטית; כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-105~107 וואט/סמ"ר, פני המתכת קעורים ל"חורים" עקב החום, ויוצרים ריתוך חדירה עמוקה, בעל מאפיינים של מהירות ריתוך מהירה ויחס גובה-רוחב גדול. עקרון ההולכה התרמית...ריתוך לייזרהוא: קרינת לייזר מחממת את המשטח המיועד לעיבוד, וחום המשטח מתפזר פנימה באמצעות הולכה תרמית. על ידי שליטה בפרמטרים של לייזר כגון רוחב פולס הלייזר, אנרגיה, עוצמת שיא ותדירות החזרות, חומר העבודה מותך ליצירת בריכת מותכת ספציפית.

ריתוך חדירה עמוקה בלייזר משתמש בדרך כלל בקרן לייזר רציפה כדי להשלים את חיבור החומרים. התהליך הפיזיקלי המתכתי שלו דומה מאוד לזה של ריתוך קרן אלקטרונים, כלומר, מנגנון המרת האנרגיה מתבצע באמצעות מבנה "חור מפתח".

תחת קרינת לייזר בעלת צפיפות הספק גבוהה מספיק, החומר מתאדה ונוצרים חורים קטנים. חור קטן זה, המלא באדים, דומה לגוף שחור, הסופג כמעט את כל האנרגיה של הקרן הפוגעת. טמפרטורת שיווי המשקל בחור מגיעה לכ-2500 מעלות צלזיוס.°ג. החום מועבר מהדופן החיצונית של החור בטמפרטורה גבוהה, וגורם למתכת המקיפה את החור להתמוסס. החור הקטן מתמלא בקיטור בטמפרטורה גבוהה הנוצר על ידי אידוי מתמשך של חומר הדופן תחת הקרנת הקרן. דפנות החור הקטן מוקפות במתכת מותכת, והמתכת הנוזלית מוקפת בחומרים מוצקים (ברוב תהליכי הריתוך הקונבנציונליים ובריתוך הולכת לייזר, האנרגיה מופקדת תחילה על פני השטח של חומר העבודה ולאחר מכן מועברת פנימה באמצעות העברה). זרימת הנוזל מחוץ לדופן החור ומתח הפנים של שכבת הדופן נמצאים בפאזה עם לחץ הקיטור הנוצר באופן רציף בחלל החור ושומרים על איזון דינמי. קרן האור נכנסת ברציפות לחור הקטן, והחומר מחוץ לחור הקטן זורם ברציפות. כאשר קרן האור נעה, החור הקטן תמיד נמצא במצב זרימה יציב.

כלומר, החור הקטן והמתכת המותכת המקיפים את דופן החור נעים קדימה במהירות קדימה של קרן הפיילוט. המתכת המותכת ממלאת את החלל שנותר לאחר הסרת החור הקטן ומתעבה בהתאם, ונוצר הריתוך. כל זה קורה כל כך מהר שמהירות הריתוך יכולה להגיע בקלות לכמה מטרים לדקה.

לאחר הבנת המושגים הבסיסיים של ריתוך צפיפות הספק, ריתוך מוליכות תרמית וריתוך חדירה עמוקה, נבצע בהמשך ניתוח השוואתי של צפיפות ההספק והפאזות המטלוגרפיות של קוטרי ליבה שונים.

השוואה של ניסויי ריתוך המבוססים על קוטרי ליבת לייזר נפוצים בשוק:

צפיפות הספק של מיקום נקודת המוקד של לייזרים בעלי קוטרי ליבה שונים

מנקודת מבט של צפיפות הספק, תחת אותה 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 לייזר בקוטר ליבה של 14 מיקרון גדולה פי 50 מזו של לייזר בקוטר ליבה של 100 מיקרון, 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 פיזור אנרגיית לייזר עם קוטרי ליבה שונים

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

השוואה בין אפקטי ריתוך של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים

השוואה בין לייזרים בעלי קוטרי ליבה שונים:

(1) הניסוי משתמש בריתוך במהירות של 150 מ"מ/שנייה, במיקום מיקוד, והחומר הוא אלומיניום מסדרה 1, עובי 2 מ"מ;

(2) ככל שקוטר הליבה גדול יותר, כך רוחב ההיתוך גדול יותר, אזור השפעת החום גדול יותר וצפיפות ההספק של היחידה קטנה יותר. כאשר קוטר הליבה עולה על 200 מיקרון, לא קל להשיג עומק חדירה בסגסוגות בעלות ריאקציה גבוהה כמו אלומיניום ונחושת, וניתן להשיג ריתוך בעל חדירה עמוקה יותר רק בהספק גבוה;

(3) לייזרים בעלי ליבה קטנה בעלי צפיפות הספק גבוהה ויכולים לנקב במהירות חורי מנעול על פני השטח של חומרים בעלי אנרגיה גבוהה ואזורים קטנים המושפעים מחום. עם זאת, במקביל, פני השטח של הריתוך מחוספסים, וההסתברות לקריסת חור המנעול גבוהה במהלך ריתוך במהירות נמוכה, וחור המנעול סגור במהלך מחזור הריתוך. המחזור ארוך, ופגמים כגון פגמים ונקבוביות נוטים להתרחש. הם מתאימים לעיבוד במהירות גבוהה או לעיבוד עם מסלול נדנדה;

(4) לייזרים בעלי קוטר ליבה גדול הם בעלי נקודות אור גדולות יותר ואנרגיה מפוזרת יותר, מה שהופך אותם למתאימים יותר להתכה מחדש של משטחי לייזר, ציפוי, חישול ותהליכים אחרים.