היסטוריית פיתוח של ריתוך לייזר

שיטות ריתוך לחלקים זעירים וקטנים ריתוך בלייזר הוא שיטת ריתוך יעילה ומדויקת המשתמשת בקרן לייזר בצפיפות אנרגיה גבוהה כמקור חום. זהו אחד היישומים החשובים של טכנולוגיית עיבוד חומרי לייזר. בשנות ה-70, הוא שימש בעיקר לריתוך חומרים בעלי דופן דקה ולריתוך במהירות נמוכה, ותהליך הריתוך שייך לסוג הולכת חום. באופן ספציפי, קרינת הלייזר מחממת את פני השטח של חומר העבודה, והחום על פני השטח מתפזר פנימה באמצעות הולכת חום. על ידי שליטה בפרמטרים כגון רוחב, אנרגיה, עוצמת שיא ותדירות החזרה של פולסי הלייזר, חומר העבודה מותך ליצירת בריכת מותכת ספציפית. בשל יתרונותיו הייחודיים, הוא יושמה בהצלחה ב...ריתוך מדויק של חלקים זעירים וקטנים.טכנולוגיית ריתוך הלייזר של סין מדורגת בין הרמות המתקדמות בעולם. יש לה את הטכנולוגיה והיכולת ליצור רכיבים מורכבים של סגסוגת טיטניום על פני 12 מטרים רבועים באמצעות לייזר, והיא יושמה בייצור אבות טיפוס ומוצרים של פרויקטים רבים של מחקר תעופה מקומי. באוקטובר 2013, מומחה ריתוך סיני זכה בפרס ברוק, הפרס האקדמי הגבוה ביותר בתחום הריתוך, שאישר את רמת ריתוך הלייזר ברמה עולמית של סין.

## היסטוריית פיתוח קרן הלייזר הראשונה בעולם נוצרה בשנת 1960 על ידי עירור גבישי אודם באמצעות מנורת הבזק. מוגבל על ידי הקיבולת התרמית של הגביש, הוא יכל לייצר רק אלומות פולס קצרות מאוד בתדר נמוך. למרות שאנרגיית שיא הפולס הרגעית יכלה להגיע עד 10^6 וואט, היא עדיין השתייכה לתפוקה בעלת אנרגיה נמוכה. מוט גביש איטריום אלומיניום גארנט (Nd:YAG) מסומם בניאודימיום, עם ניאודימיום (Nd) כאלמנט העירור, יכול לייצר קרן לייזר רציפה באורך גל יחיד עם הספק של 1-8 קילוואט. לייזר YAG, עם אורך גל של 1.06 מיקרומטר, ניתן לחבר לראש עיבוד הלייזר באמצעות סיב אופטי גמיש, בעל סידור ציוד גמיש והתאמה לריתוך חומרי עבודה בעובי של 0.5-6 מ"מ. לייזר CO₂, המשתמש בפחמן דו-חמצני כמעורר (עם אורך גל של 10.6 מיקרומטר), יכול להשיג אנרגיית פלט של עד 25 קילוואט ולהביא לריתוך חד-פעמי של לוחות בעובי 2 מ"מ. הוא נמצא בשימוש נרחב בעיבוד מתכות במגזר התעשייתי. באמצע שנות ה-80, ריתוך בלייזר, כטכנולוגיה חדשה, משך תשומת לב רבה באירופה, ארצות הברית ויפן. בשנת 1985, חברת ThyssenKrupp Steel AG (גרמניה) וחברת Volkswagen AG (גרמניה) שיתפו פעולה כדי לאמץ בהצלחה את החלק הריק הראשון בעולם המרותך בלייזר על מרכב אאודי 100. בשנות ה-90, יצרניות רכב גדולות באירופה, צפון אמריקה ויפן החלו להשתמש באופן נרחב בטכנולוגיית החלקים המרותכים בלייזר בייצור מרכבי רכב. ניסיון מעשי הן ממעבדות והן מיצרניות רכב הוכיח כי ניתן ליישם בהצלחה חלקים מרותכים בלייזר בייצור מרכבי רכב. ריתוך לייזר בהתאמה אישית משתמש באנרגיית לייזר כדי לחבר ולרתך באופן אוטומטי מספר פלדות, פלדות אל-חלד, סגסוגות אלומיניום וכו', מחומרים, עוביים וציפויים שונים, ללוח משולב, פרופיל או פאנל סנדוויץ'. זה עומד בדרישות ביצועי החומרים השונות של הרכיבים, ומשיג ציוד קל משקל עם המשקל הקל ביותר, מבנה אופטימלי וביצועים מיטביים. במדינות מפותחות כמו אירופה וארצות הברית,ריתוך לייזרמשמש לא רק בתעשיית ייצור ציוד תחבורה אלא גם מיושם באופן נרחב בתחומים כמו בנייה, גשרים, ייצור ריתוך פלטות של מכשירי חשמל ביתיים וריתוך פלטות פלדה בקווי גלגול (חיבור פלטות בגלגול רציף). מפעלי ריתוך לייזר בעלי שם עולמי כוללים את Soudonic (שוויץ), ArcelorMittal Group (צרפת), ThyssenKrupp TWB (גרמניה), Servo-Robot (קנדה) ו-Precitec (גרמניה). יישום טכנולוגיית ריתוך לייזר בסין רק החל. ב-25 באוקטובר 2002, קו הייצור המסחרי המקצועי הראשון של סין לריקים מרותכים בלייזר הוכנס רשמית לפעילות. הוא הוצג על ידי Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding מ-ThyssenKrupp TWB (גרמניה). מאוחר יותר, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd., ומפעלים אחרים הוכנסו לייצור באופן רציף. בשנת 2003, מדינות זרות מימשו את ריתוך חוטי המילוי בלייזר CO₂ כפול-קרן ו...ריתוך חוטי מילוי בלייזר YAGעבור מבנה פאנל הקיר התחתון מסגסוגת אלומיניום A318. טכנולוגיה זו החליפה את המבנה המסמרר המסורתי, והפחיתה את משקל גוף המטוס ב-20% וחסכה 20% מהעלות. גונג שוילי האמין שטכנולוגיית ריתוך לייזר תמלא תפקיד משמעותי בשינוי ובשדרוג תעשיית ייצור התעופה המסורתית של סין. הוא הגיש מיד מועמדות למספר פרויקטים מקדים של מחקר קשור, ארגן צוות מחקר, ולקח את ההובלה בהכנסת טכנולוגיית "ריתוך לייזר כפול-קרן" לפרויקטים של מחקר בסין. כבר מההתחלה, הוא תכנן ליישם טכנולוגיה זו בייצור מטוסים. צוות המומחים הסיני דיווח על הטכנולוגיה המקדימה למכון לתכנון מטוסים וקידם את היתרונות וההיתכנות של ריתוך לייזר כפול-קרן. לאחר אימותים והערכות מרובים, מכון התכנון החליט ליישם טכנולוגיה זו לייצור פאנלים של קיר מצולעים עבור מטוס מסוים, ובכך השיג את המטרה הראשונית של יישום טכנולוגיית "ריתוך לייזר כפול-קרן" בייצור מטוסים. היא פרצה טכנולוגיות מפתח כגון שליטה מדויקת בריתוך לייזר עם חוטי מילוי לסגסוגות קלות משקל, פיתחה מכשיר ריתוך היברידי חדשני ומשולב לריתוך חוטי מילוי בלייזר בעל קרן כפולה, הקימה את פלטפורמת הריתוך הראשונה בסין לחוטי מילוי בלייזר בעלת עוצמה גבוהה בעלת קרן כפולה, הבינה את הריתוך הסינכרוני הדו-צדדי והדו-צדדי של חיבורי T במבנים גדולים בעלי דופן דקה, ויישמה אותו בהצלחה בייצור ריתוך של חלקים מבניים מרכזיים של פאנלים מצולעים לתעופה בפעם הראשונה, ובכך מילאה תפקיד חשוב בפיתוח מטוסים חדשים של סין. בשנת 2003, סט הציוד השלם הראשון לריתוך רצועות מקוון בקנה מידה גדול שסופק על ידי HG Laser עבר את אישור ה-offline. ציוד זה משלב חיתוך לייזר, ריתוך וטיפול בחום, מה שהופך את HG Laser לאחד המפעלים הרביעיים בעולם המסוגלים לייצר ציוד כזה. בשנת 2004, הפרויקט "טכנולוגיית וציוד עיבוד חיתוך-ריתוך בלייזר בעל עוצמה גבוהה" של HG Laser Farley Laserlab זכה בפרס השני בפרס הלאומי להתקדמות המדע והטכנולוגיה, מה שהופך אותו למפעל הלייזר היחיד בסין עם יכולת המחקר והפיתוח של טכנולוגיה וציוד זה. עם ההתפתחות המהירה של תעשיית הלייזר התעשייתית, השוק העלה דרישות גבוהות יותר לטכנולוגיית עיבוד לייזר. טכנולוגיית הלייזר עברה בהדרגה מיישום יחיד ליישומים מגוונים. מבחינת עיבוד לייזר, הוא כבר אינו מוגבל לחיתוך או ריתוך יחידים. הביקוש בשוק לציוד עיבוד לייזר משולב המשלב חיתוך וריתוך הולך וגובר, וכך צץ ציוד חיתוך וריתוך לייזר משולב. HG Laser Farley Laserlab פיתחה את מכונת החיתוך והריתוך המשולבת Walc9030, בפורמט גדול במיוחד של 9×3 מטרים, שהיא כיום ציוד חיתוך וריתוך לייזר משולב בפורמט הגדול בעולם. ה-Walc9030 הוא ציוד חיתוך וריתוך בפורמט גדול המשלב...פונקציות חיתוך לייזר וריתוך לייזרהוא מצויד בראש חיתוך מקצועי ובראש ריתוך, ושני ראשי העיבוד חולקים קרן אחת. טכנולוגיית בקרה נומרית מבטיחה שהם לא מפריעים זה לזה. הציוד יכול להשלים שני תהליכים הדורשים חיתוך וריתוך בו זמנית. הוא יכול לעבור בחופשיות בין חיתוך תחילה ואז ריתוך, או ריתוך תחילה ואז חיתוך, ומימוש פונקציות חיתוך לייזר וריתוך עם ציוד אחד ללא צורך בציוד נוסף. זה חוסך בעלויות ציוד עבור יצרני היישומים, משפר את יעילות העיבוד ואת טווח העיבוד. יתר על כן, הודות לשילוב החיתוך והריתוך, דיוק העיבוד מובטח במלואו, וביצועי הציוד יעילים ויציבים. בנוסף, הוא התגבר על הקשיים של עיוות תרמי של לוחות במהלך ריתוך מותאם אישית של לוחות גדולים במיוחד ומימוש יציב של נתיבים אופטיים מעופפים ארוכים במיוחד. הוא יכול לרתך שתי לוחות שטוחים באורך 6 מטרים ורוחב 1.5 מטרים בו זמנית, והמשטח המרותך חלק ושטוח ללא עיבוד נוסף לאחר מכן. במקביל, הוא יכול לחתוך לוחות ברוחב של 3 מטרים, אורך של יותר מ-6 מטרים ועובי של פחות מ-20 מ"מ בתהליך עיצוב אחד ללא מיקום משני. מכון שניאנג לאוטומציה, האקדמיה הסינית למדעים, ניהל שיתוף פעולה בינלאומי עם תאגיד IHI (יפן). בהתאם לאסטרטגיית הפיתוח המדעי והטכנולוגי הלאומית של "הכנסה, עיכול, ספיגה וחדשנות מחדש", הוא התגבר על מספר טכנולוגיות מפתח של...ריתוך לייזר, פיתחה את הסט הראשון של קווי ייצור מלאים לריתוך לייזר בהתאמה אישית בסין בספטמבר 2006, ופיתחה בהצלחה מערכת ריתוך לייזר רובוטית, המממשת ריתוך לייזר של עקומות מישוריות ומרחביות. באוקטובר 2013, מומחה ריתוך סיני זכה בפרס ברוק, הפרס האקדמי הגבוה ביותר בתחום הריתוך. מכון הריתוך (TWI, בריטניה) ממליץ וממנה מועמדים מדי שנה מיותר מ-4,000 יחידות חברות ביותר מ-120 מדינות, ולבסוף מעניק פרס זה למומחה אחד כהוקרה על תרומתו יוצאת הדופן למדע ולטכנולוגיה של ריתוך או חיבור ויישומם התעשייתי. פרס זה אינו רק הכרה בגונג שוילי וצוותו, אלא גם אישור לתפקידה של AVIC בקידום התקדמות טכנולוגיית חיבור חומרים.

## פרמטרים מבניים

### ציוד עבודה מורכב מתנד אופטי ותווך הממוקם בין המראות בשני קצוות חלל המתנד. כאשר התווך מעורר למצב אנרגיה גבוה, הוא מתחיל לייצר גלי אור בפאזה, אשר מחזירים הלוך ושוב בין המראות בשני הקצוות, ויוצרים אפקט שרשור פוטואלקטרי. זה מגביר את גלי האור, וכאשר מתקבלת אנרגיה מספקת, הלייזר נפלט. לייזר יכול להיות מוגדר גם כמכשיר הממיר מקורות אנרגיה ראשוניים כגון אנרגיה חשמלית, אנרגיה כימית, אנרגיה תרמית, אנרגיית אור או אנרגיה גרעינית לקרני קרינה אלקטרומגנטית בתדרים אופטיים ספציפיים (אור אולטרה סגול, אור נראה או אור אינפרא אדום). המרה זו ניתנת לביצוע בקלות בתווכים מוצקים, נוזליים או גזיים מסוימים. כאשר תווכים אלה מעוררים בצורה של אטומים או מולקולות, הם מייצרים קרן אור כמעט באותה פאזה וכמעט באורך גל יחיד - לייזר. בשל תכונת הפאזה שלו ואורך הגל היחיד, זווית ההתבדרות קטנה מאוד, וניתן להעביר אותו למרחק רב לפני שהוא מרוכז מאוד כדי לספק פונקציות כגון ריתוך, חיתוך וטיפול בחום. ### סיווג לייזרים ישנם בעיקר שני סוגים של לייזרים המשמשים לריתוך, כלומר לייזרי CO₂ ולייזרי Nd:YAG. גם לייזרי CO₂ וגם לייזרי Nd:YAG הם אור אינפרא אדום בלתי נראה לעין בלתי מזוינת. הקרן הנוצרת על ידי לייזר Nd:YAG היא בעיקר אור קרוב-אינפרא אדום עם אורך גל של 1.06 מיקרומטר. למוליכים תרמיים יש קצב ספיגה גבוה יחסית לאור באורך גל זה, ועבור רוב המתכות, ההחזרה היא 20%-30%. ניתן למקד את קרן האינפרא אדום הקרוב לקוטר של 0.25 מ"מ באמצעות עדשות אופטיות סטנדרטיות. קרן לייזר CO₂ היא אור אינפרא אדום רחוק עם אורך גל של 10.6 מיקרומטר. לרוב המתכות יש החזרה של 80%-90% עבור סוג זה של אור, ולכן נדרשות עדשות אופטיות מיוחדות כדי למקד את הקרן לקוטר של 0.75-1.0 מ"מ. ההספק של לייזרי Nd:YAG יכול להגיע בדרך כלל לכ-4,000-6,000 וואט, וההספק המרבי הגיע כעת ל-10,000 וואט. לעומת זאת, ההספק של לייזרי CO₂ יכול להגיע בקלות ל-20,000 וואט או אפילו יותר. לייזרי CO₂ בעלי הספק גבוה פותרים את בעיית ההחזרה הגבוהה באמצעות אפקט חור המנעול. כאשר פני החומר המוקרן על ידי נקודת האור נמסים, נוצר חור מנעול. חור המנעול הזה המלא באדים הוא כמו גוף שחור, הסופג כמעט את כל האנרגיה של האור הפוגע. טמפרטורת שיווי המשקל בתוך חור המנעול מגיעה לכ-25,000 מעלות צלזיוס, וההחזרה יורדת במהירות תוך מספר מיקרו-שניות. למרות שמוקד הפיתוח של לייזרי CO₂ עדיין מתמקד בפיתוח ומחקר ציוד, זה כבר לא עוסק בהגדלת הספק הפלט המרבי, אלא כיצד לשפר את איכות הקרן ואת ביצועי המיקוד שלה. בנוסף, כאשר ארגון משמש כגז מגן לריתוך בלייזר CO₂ בהספק מעל 10 קילוואט, הוא לרוב גורם לפלזמה חזקה, מה שמפחית את עומק החדירה. לכן, הליום, שאינו מייצר פלזמה, משמש לעתים קרובות כגז מגן לריתוך בלייזר CO₂ בהספק גבוה. יישום שילובי לייזר דיודה לעירור גבישי Nd:YAG בעלי הספק גבוה הוא נושא מחקר ופיתוח חשוב, אשר ישפר מאוד את איכות קרני הלייזר וייצור עיבוד לייזר יעיל יותר. השימוש במערכי דיודות ישירים לעירור ופלט לייזרים באזור הקרוב לאינפרא אדום השיג הספק ממוצע של 1 קילוואט ויעילות המרה פוטואלקטרית של כמעט 50%. לדיודות יש גם חיי שירות ארוכים יותר (10,000 שעות), מה שעוזר להפחית את עלות התחזוקה של ציוד לייזר. גם פיתוח ציוד לייזר במצב מוצק המופעל על ידי שאיבת דיודה (DPSSL) מתקדם.