אינטראקציה של חומר לייזר - אפקט חור המנעול

היווצרות והתפתחות של חורי מנעול:

הגדרת חור מנעול: כאשר עוצמת הקרינה גדולה מ-10 ^ 6W/cm ^ 2, פני השטח של החומר נמסים ומתאדים תחת פעולת הלייזר. כאשר מהירות האידוי גדולה מספיק, לחץ הרתע של האדים שנוצר מספיק כדי להתגבר על מתח הפנים וכוח המשיכה הנוזלי של המתכת הנוזלית, ובכך לדחוק חלק מהמתכת הנוזלית, ולגרום לבריכה המותכת באזור העירור לשקוע וליצור בורות קטנים; קרן האור פועלת ישירות על תחתית הבור הקטן, וגורמת למתכת להתמוסס ולהתגזז עוד יותר. קיטור בלחץ גבוה ממשיך לאלץ את המתכת הנוזלית בתחתית הבור לזרום לעבר פריפריה של הבריכה המותכת, ומעמיק עוד יותר את החור הקטן. תהליך זה נמשך, ובסופו של דבר נוצר חור דמוי חור מנעול במתכת הנוזלית. כאשר לחץ אדי המתכת שנוצר על ידי קרן הלייזר בחור הקטן מגיע לשיווי משקל עם מתח הפנים וכוח המשיכה של המתכת הנוזלית, החור הקטן כבר לא מעמיק ויוצר חור קטן יציב לעומק, המכונה "אפקט החור הקטן".

כאשר קרן הלייזר נעה יחסית לחומר העבודה, החור הקטן מציג חזית מעוקלת מעט לאחור ומשולש הפוך נוטה בבירור מאחור. הקצה הקדמי של החור הקטן הוא אזור הפעולה של הלייזר, עם טמפרטורה גבוהה ולחץ אדים גבוה, בעוד שהטמפרטורה לאורך הקצה האחורי נמוכה יחסית ולחץ האדים קטן. תחת הפרש לחץ וטמפרטורה זה, הנוזל המותך זורם סביב החור הקטן מהקצה הקדמי לקצה האחורי, ויוצר מערבולת בקצה האחורי של החור הקטן, ולבסוף מתמצק בקצה האחורי. המצב הדינמי של חור המנעול המתקבל באמצעות סימולציית לייזר וריתוך בפועל מוצג באיור לעיל, המורפולוגיה של חורים קטנים וזרימת הנוזל המותך שמסביב במהלך התנועה במהירויות שונות.

בשל נוכחותם של חורים קטנים, אנרגיית קרן הלייזר חודרת לתוך החומר, ויוצרת תפר ריתוך עמוק וצר זה. מורפולוגיית החתך האופיינית של תפר ריתוך חדירה עמוקה בלייזר מוצגת באיור לעיל. עומק החדירה של תפר הריתוך קרוב לעומק חור המנעול (ליתר דיוק, השכבה המטלוגרפית עמוקה ב-60-100 מיקרון מחור המנעול, שכבה נוזלית אחת פחות). ככל שצפיפות אנרגיית הלייזר גבוהה יותר, כך החור הקטן עמוק יותר, ועומק החדירה של תפר הריתוך גדול יותר. בריתוך לייזר בהספק גבוה, יחס העומק לרוחב המרבי של תפר הריתוך יכול להגיע ל-12:1.

ניתוח ספיגה שלאנרגיית לייזרעל ידי חור המנעול

לפני היווצרות חורים קטנים ופלזמה, אנרגיית הלייזר מועברת בעיקר לחלק הפנימי של חומר העבודה באמצעות הולכה תרמית. תהליך הריתוך שייך לריתוך מוליך (עם עומק חדירה של פחות מ-0.5 מ"מ), וקצב הספיגה של החומר של הלייזר הוא בין 25-45%. לאחר יצירת חור המנעול, אנרגיית הלייזר נספגת בעיקר על ידי חלק הפנימי של חומר העבודה באמצעות אפקט חור המנעול, ותהליך הריתוך הופך לריתוך חדירה עמוקה (עם עומק חדירה של יותר מ-0.5 מ"מ). קצב הספיגה יכול להגיע ליותר מ-60-90%.

לאפקט חור המנעול תפקיד חשוב ביותר בשיפור ספיגת הלייזר במהלך עיבוד כגון ריתוך לייזר, חיתוך וקידוח. קרן הלייזר הנכנסת לחור המנעול נספגת כמעט לחלוטין באמצעות השתקפויות מרובות מדופן החור.

מקובל לחשוב שמנגנון ספיגת האנרגיה של לייזר בתוך חור המנעול כולל שני תהליכים: ספיגה הפוכה וספיגת פרנל.

איזון לחץ בתוך חור המנעול

במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, החומר עובר אידוי חמור, ולחץ ההתפשטות שנוצר על ידי קיטור בטמפרטורה גבוהה דוחף את המתכת הנוזלית ויוצר חורים קטנים. בנוסף ללחץ האדים ולחץ האבלציה (הידועים גם ככוח תגובת אידוי או לחץ רתע) של החומר, ישנם גם מתח פנים, לחץ סטטי נוזלי הנגרם על ידי כוח הכבידה, ולחץ דינמי נוזלי הנוצר על ידי זרימת החומר המותך בתוך החור הקטן. בין לחצים אלה, רק לחץ הקיטור שומר על פתיחת החור הקטן, בעוד שלושת הכוחות האחרים שואפים לסגור את החור הקטן. כדי לשמור על יציבות חור המנעול במהלך תהליך הריתוך, לחץ האדים חייב להיות מספיק כדי להתגבר על התנגדויות אחרות ולהשיג שיווי משקל, תוך שמירה על יציבות חור המנעול לטווח ארוך. לשם פשטות, מקובל לחשוב שהכוחות הפועלים על דופן חור המנעול הם בעיקר לחץ אבלציה (לחץ רתע אדי מתכת) ומתח פנים.

חוסר יציבות של חור המנעול

רקע: לייזר פועל על פני השטח של חומרים וגורם להתאדות של כמות גדולה של מתכת. לחץ הרתע לוחץ על בריכת המותך, ויוצר חורי מנעול ופלזמה, וכתוצאה מכך גדל עומק ההיתוך. במהלך תהליך התנועה, הלייזר פוגע בדופן הקדמית של חור המנעול, והמיקום בו הלייזר נוגע בחומר יגרום לאידוי חמור של החומר. במקביל, דופן חור המנעול תחווה אובדן מסה, וההתאדות תיצור לחץ רתע שילחץ על המתכת הנוזלית, ויגרום לדופן הפנימית של חור המנעול לנוע כלפי מטה ולנוע סביב תחתית חור המנעול לכיוון החלק האחורי של בריכת המותך. עקב תנודות בריכת המותך הנוזלית מהדופן הקדמית לדופן האחורית, הנפח בתוך חור המנעול משתנה כל הזמן, הלחץ הפנימי של חור המנעול משתנה גם הוא בהתאם, מה שמוביל לשינוי בנפח הפלזמה המרוססת החוצה. השינוי בנפח הפלזמה מוביל לשינויים במיגון, שבירה וספיגת אנרגיית הלייזר, וכתוצאה מכך לשינויים באנרגיה של הלייזר המגיעה לפני השטח של החומר. התהליך כולו דינמי ומחזורי, וכתוצאה מכך נוצרת חדירת מתכת בצורת שן מסור וגלית, ואין ריתוך חלק וחדירה שווה. האיור לעיל הוא מבט חתך של מרכז הריתוך המתקבל על ידי חיתוך אורכי במקביל למרכז הריתוך, וכן מדידה בזמן אמת של שינוי עומק חור המנעול על ידי...IPG-LDD כראיה.

שפר את כיוון היציבות של חור המנעול

במהלך ריתוך חדירה עמוקה בלייזר, יציבות החור הקטן יכולה להיות מובטחת רק על ידי איזון דינמי של לחצים שונים בתוך החור. עם זאת, ספיגת אנרגיית הלייזר על ידי דופן החור והתאדות החומרים, פליטת אדי המתכת אל מחוץ לחור הקטן, והתנועה קדימה של החור הקטן והבריכה המותכת, כולם תהליכים אינטנסיביים ומהירים מאוד. בתנאי תהליך מסוימים, ברגעים מסוימים במהלך תהליך הריתוך, קיימת אפשרות שיציבות החור הקטן עלולה להיפגע באזורים מקומיים, מה שיוביל לפגמים בריתוך. האופייניים והנפוצים ביותר הם פגמי נקבוביות מסוג נקבוביות קטנות וניתזות הנגרמים מקריסת חור המנעול;

אז איך לייצב את חור המנעול?

תנודות נוזל חור המנעול הן מורכבות יחסית וכוללות גורמים רבים מדי (שדה טמפרטורה, שדה זרימה, שדה כוח, פיזיקה אופטואלקטרונית), אשר ניתן לסכם בפשטות לשתי קטגוריות: הקשר בין מתח פנים ללחץ הרתע של אדי מתכת; לחץ הרתע של אדי מתכת פועל ישירות על יצירת חורי המנעול, הקשור קשר הדוק לעומק ולנפח של חורי המנעול. יחד עם זאת, כחומר אדי המתכת היחיד הנע כלפי מעלה בתהליך הריתוך, הוא קשור קשר הדוק גם להופעת התזות; מתח פנים משפיע על זרימת הבריכה המותכת;

לכן, תהליך ריתוך לייזר יציב תלוי בשמירה על מפל מתח הפנים בבריכה המותכת, ללא תנודות גדולות מדי. מתח הפנים קשור לפיזור הטמפרטורה, ופיזור הטמפרטורה קשור למקור החום. לכן, ריתוך מקור חום מרוכב וריתוך סווינג הם כיוונים טכניים פוטנציאליים לתהליך ריתוך יציב;

יש לשים לב לאפקט הפלזמה ולגודל פתח חור המנעול באדי המתכת ובנפח חור המנעול. ככל שהפתח גדול יותר, כך חור המנעול גדול יותר, והתנודות בנקודה התחתונה של בריכת ההיתוך זניחות, אשר משפיעות באופן יחסי על נפח חור המנעול הכולל ועל שינויי הלחץ הפנימי; לכן, לייזר במצב טבעת מתכוונן (נקודה טבעתית), רקומבינציה של קשת לייזר, אפנון תדר וכו' הם כולם כיוונים שניתן להרחיב.