בהשוואה לטכנולוגיית ריתוך מסורתית,ריתוך לייזרבעל יתרונות שאין שני להם ברמת דיוק ריתוך, יעילות, אמינות, אוטומציה והיבטים נוספים. בשנים האחרונות היא התפתחה במהירות בתחומי הרכב, האנרגיה, האלקטרוניקה ועוד, ונחשבת לאחת מטכנולוגיות הייצור המבטיחות במאה ה-21.
1. סקירה של קרן כפולהריתוך לייזר
קרן כפולהריתוך לייזרהוא להשתמש בשיטות אופטיות כדי להפריד את אותו לייזר לשתי אלומות אור נפרדות לריתוך, או להשתמש בשני סוגים שונים של לייזרים לשילוב, כגון לייזר CO2, Nd: לייזר YAG ולייזר מוליכים למחצה בעל הספק גבוה. ניתן לשלב את כולם. הוצע בעיקר כדי לפתור את יכולת ההתאמה של ריתוך לייזר לדיוק ההרכבה, לשפר את יציבות תהליך הריתוך ולשפר את איכות הריתוך. קרן כפולהריתוך לייזריכול להתאים בצורה נוחה וגמישה את שדה טמפרטורת הריתוך על ידי שינוי יחס אנרגיית האלומה, מרווח אלומה ואפילו דפוס חלוקת האנרגיה של שתי קרני הלייזר, שינוי דפוס הקיום של חור המנעול ודפוס הזרימה של מתכת נוזלית בבריכה המותכת. מספק מבחר רחב יותר של תהליכי ריתוך. יש לו לא רק את היתרונות של גדולריתוך לייזרחדירה, מהירות מהירה ודיוק גבוה, אך מתאים גם לחומרים ומפרקים שקשה לרתך עם קונבנציונאליריתוך לייזר.
לקורה כפולהריתוך לייזר, נדון תחילה בשיטות היישום של לייזר כפול קרן. ספרות מקיפה מראה שיש שתי דרכים עיקריות להשיג ריתוך קרן כפולה: מיקוד שידור ומיקוד השתקפות. באופן ספציפי, אחת מהן מושגת על ידי התאמת הזווית והמרווח של שני לייזרים באמצעות מראות מיקוד ומראות קולימציה. השני מושג על ידי שימוש במקור לייזר ולאחר מכן מיקוד באמצעות מראות מחזירות, מראות טרנסמיססיביות ומראות בצורת טריז כדי להשיג קרניים כפולות. עבור השיטה הראשונה, יש בעיקר שלוש צורות. הצורה הראשונה היא לחבר שני לייזרים דרך סיבים אופטיים ולפצל אותם לשתי אלומות שונות מתחת לאותה מראה קולימציה ומראת מיקוד. השני הוא ששני לייזרים מוציאים קרני לייזר דרך ראשי הריתוך שלהם, וקרן כפולה נוצרת על ידי התאמת המיקום המרחבי של ראשי הריתוך. השיטה השלישית היא שקרן הלייזר מפוצלת תחילה דרך שתי מראות 1 ו-2, ולאחר מכן ממוקדת על ידי שתי מראות מיקוד 3 ו-4 בהתאמה. ניתן לכוונן את המיקום והמרחק בין שני נקודות המוקד על ידי התאמת הזוויות של שתי מראות המיקוד 3 ו-4. השיטה השנייה היא להשתמש בלייזר מוצק כדי לפצל את האור כדי להשיג קרניים כפולות, ולהתאים את הזווית וה מרווח דרך מראה פרספקטיבה ומראה מיקוד. שתי התמונות האחרונות בשורה הראשונה למטה מציגות את המערכת הספקטרוסקופית של לייזר CO2. המראה השטוחה מוחלפת במראה בצורת טריז וממוקמת מול המראה המיקוד כדי לפצל את האור להשגת אור מקבילי אלומה כפולה.
לאחר הבנת היישום של קורות כפולות, בואו נציג בקצרה את עקרונות ושיטות הריתוך. בקורה הכפולהריתוך לייזרבתהליך, ישנם שלושה סידורי אלומה נפוצים, כלומר סידור סדרתי, סידור מקביל וסידור היברידי. בד, כלומר, יש מרחק הן בכיוון הריתוך והן בכיוון הריתוך האנכי. כפי שמוצג בשורה האחרונה של האיור, על פי הצורות השונות של חורים קטנים ובריכות מותכות המופיעות מתחת למרווחי נקודות שונים במהלך תהליך הריתוך הסדרתי, ניתן לחלק אותם עוד יותר להמסות בודדות. ישנם שלושה מצבים: בריכה, בריכה מותכת משותפת ובריכה מותכת מופרדת. המאפיינים של בריכה מותכת יחידה ובריכת מותכת מופרדת דומים לאלו של יחידריתוך לייזר, כפי שמוצג בתרשים הסימולציה המספרית. ישנן השפעות תהליכיות שונות עבור סוגים שונים.
סוג 1: מתחת למרווח נקודתי מסוים, שני חורי מפתח קרן יוצרים חור מפתח גדול משותף באותה בריכה מותכת; עבור סוג 1, מדווח כי אלומת אור אחת משמשת ליצירת חור קטן, וקרן האור השנייה משמשת לטיפול בחום ריתוך, אשר יכול לשפר ביעילות את התכונות המבניות של פלדת פחמן גבוהה ופלדת סגסוגת.
סוג 2: הגדל את מרווח הנקודה באותה בריכה מותכת, הפרידו את שתי הקורות לשני חורי מפתח עצמאיים ושנה את תבנית הזרימה של הבריכה המותכת; עבור סוג 2, תפקידו שווה ערך לריתוך שני אלומת אלקטרונים, מפחית ניתזי ריתוך וריתוכים לא סדירים באורך המוקד המתאים.
סוג 3: הגדל עוד יותר את מרווח הנקודה ושנה את יחס האנרגיה של שתי הקורות, כך שאחת משתי הקורות משמשת כמקור חום לביצוע עיבוד לפני ריתוך או לאחר ריתוך במהלך תהליך הריתוך, והקורה השנייה משמש ליצירת חורים קטנים. עבור סוג 3, המחקר מצא ששתי הקורות יוצרות חור מפתח, את החור הקטן לא קל לקרוס, ואת הריתוך לא קל לייצר נקבוביות.
2. השפעת תהליך הריתוך על איכות הריתוך
השפעת יחס קרן-אנרגיה טורית על היווצרות תפר ריתוך
כאשר הספק הלייזר הוא 2kW, מהירות הריתוך היא 45 מ"מ/שנייה, כמות דה-הפוקוס היא 0 מ"מ, ומרווח הקרן הוא 3 מ"מ, צורת משטח הריתוך בעת שינוי RS (RS= 0.50, 0.67, 1.50, 2.00) היא כמו מוצג באיור. כאשר RS=0.50 ו-2.00, הריתוך נבקע במידה רבה יותר, ויש יותר ניתזים על קצה הריתוך, מבלי ליצור דפוסי קשקשת דגים קבועים. הסיבה לכך היא שכאשר יחס אנרגיית האלומה קטן מדי או גדול מדי, אנרגיית הלייזר מרוכזת מדי, מה שגורם לחור הלייזר להתנודד בצורה רצינית יותר במהלך תהליך הריתוך, ולחץ הרתיעה של הקיטור גורם לפליטה ולהתזה של המותך. מתכת בריכה בבריכה המותכת; הכנסת חום מוגזמת גורמת לעומק החדירה של הבריכה המותכת בצד סגסוגת האלומיניום להיות גדול מדי, מה שגורם לשקע תחת פעולת כוח הכבידה. כאשר RS=0.67 ו- 1.50, דפוס אבנית הדגים על משטח הריתוך אחיד, צורת הריתוך יפה יותר, ואין סדקים חמים ריתוך גלויים, נקבוביות ופגמי ריתוך אחרים על פני הריתוך. צורות החתך של הריתוכים עם יחסי אנרגיית אלומה שונים RS הם כפי שמוצג באיור. החתך של הריתוכים הוא בצורת "כוס יין" טיפוסית, מה שמצביע על כך שתהליך הריתוך מתבצע במצב ריתוך חדירה עמוקה בלייזר. ל-RS יש השפעה חשובה על עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום. כאשר יחס אנרגיית האלומה RS=0.5, P2 הוא 1203.2 מיקרון. כאשר יחס אנרגיית האלומה הוא RS=0.67 ו-1.5, P2 מופחת משמעותית, שהם 403.3 מיקרון ו-93.6 מיקרון בהתאמה. כאשר יחס אנרגיית האלומה הוא RS=2, עומק חדירת הריתוך של חתך המפרק הוא 1151.6 מיקרון.
השפעת יחס קרן-אנרגיה מקבילה על היווצרות תפר ריתוך
כאשר הספק הלייזר הוא 2.8 קילוואט, מהירות הריתוך היא 33 מ"מ/שניה, כמות דה-פוקוס היא 0 מ"מ, ומרווח הקרן הוא 1 מ"מ, משטח הריתוך מתקבל על ידי שינוי יחס אנרגיית האלומה (RS=0.25, 0.5, 0.67, 1.5 , 2, 4) המראה מוצג באיור. כאשר RS=2, דפוס אבנית הדגים על פני הריתוך אינו סדיר יחסית. פני השטח של הריתוך המתקבלים על ידי חמשת יחסי אנרגיית האלומה האחרים נוצרים היטב, ואין פגמים נראים לעין כגון נקבוביות ונתזים. לכן, בהשוואה לקרן כפולה טוריתריתוך לייזר, משטח הריתוך באמצעות קורות כפולות מקבילות הוא אחיד ויפה יותר. כאשר RS=0.25, יש שקע קל בריתוך; ככל שיחס אנרגיית האלומה עולה בהדרגה (RS=0.5, 0.67 ו-1.5), פני הריתוך אחידים ולא נוצר שקע; עם זאת, כאשר יחס אנרגיית האלומה עולה עוד יותר (RS=1.50, 2.00), אך יש שקעים על פני הריתוך. כאשר יחס אנרגיית האלומה RS=0.25, 1.5 ו-2, צורת החתך של הריתוך היא "בצורת כוס יין"; כאשר RS=0.50, 0.67 ו-1, צורת החתך של הריתוך היא "בצורת משפך". כאשר RS=4, לא רק נוצרים סדקים בתחתית הריתוך, אלא גם נוצרות כמה נקבוביות בחלק האמצעי והתחתון של הריתוך. כאשר RS=2, נקבוביות תהליך גדולות מופיעות בתוך הריתוך, אך לא מופיעים סדקים. כאשר RS=0.5, 0.67 ו-1.5, עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום קטן יותר, והחתך של הריתוך נוצר היטב ולא נוצרים פגמי ריתוך ברורים. אלה מראים כי ליחס אנרגיית האלומה במהלך ריתוך לייזר דו-קרן מקביל יש גם השפעה חשובה על חדירת ריתוך וליקויי ריתוך.
קרן מקבילה - השפעת מרווח קרן על היווצרות תפר ריתוך
כאשר הספק הלייזר הוא 2.8 קילוואט, מהירות הריתוך היא 33 מ"מ/שניה, כמות דה-פוקוס היא 0 מ"מ ויחס אנרגיית האלומה RS=0.67, שנה את מרווח האלומה (d=0.5 מ"מ, 1 מ"מ, 1.5 מ"מ, 2 מ"מ) כדי לקבל מורפולוגיה של משטח הריתוך כפי שמראה התמונה. כאשר d=0.5 מ"מ, 1 מ"מ, 1.5 מ"מ, 2 מ"מ, פני הריתוך חלקים ושטוחים, והצורה יפה; דפוס אבנית הדגים של הריתוך קבוע ויפה, ואין נקבוביות גלויות, סדקים ופגמים אחרים. לכן, בתנאי ארבעת המרווחים בין הקורות, משטח הריתוך נוצר היטב. בנוסף, כאשר d=2 מ"מ נוצרות שני ריתוכים שונים, מה שמראה ששתי קרני הלייזר המקבילות אינן פועלות עוד על בריכה מותכת, ואינן יכולות ליצור ריתוך לייזר היבריד כפול קרן יעיל. כאשר מרווח הקורות הוא 0.5 מ"מ, הריתוך הוא "בצורת משפך", עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום הוא 712.9 מיקרון, ואין סדקים, נקבוביות ופגמים אחרים בתוך הריתוך. ככל שמרווח הקורות ממשיך לגדול, עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום יורד באופן משמעותי. כאשר מרווח הקורות הוא 1 מ"מ, עומק החדירה של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום הוא 94.2 מיקרון בלבד. ככל שמרווח הקורות גדל עוד יותר, הריתוך אינו יוצר חדירה יעילה בצד סגסוגת האלומיניום. לכן, כאשר מרווח הקרן הוא 0.5 מ"מ, אפקט ריקומבינציית הקרן הכפולה הוא הטוב ביותר. ככל שמרווח הקרן גדל, כניסת החום לריתוך פוחתת בחדות, ואפקט ריקומבינציית הלייזר של שתי קרן הופך בהדרגה לגרוע יותר.
ההבדל במורפולוגיה של הריתוך נגרם כתוצאה מהתמצקות הזרימה והקירור השונה של הבריכה המותכת במהלך תהליך הריתוך. שיטת הסימולציה המספרית יכולה לא רק להפוך את ניתוח המתח של הבריכה המותכת לאינטואיטיבית יותר, אלא גם להפחית את עלות הניסוי. התמונה למטה מציגה את השינויים בבריכת ההיתוך הצדדית עם קורה בודדת, סידורים שונים ומרווחי נקודה. המסקנות העיקריות כוללות: (1) במהלך הקורה הבודדתריתוך לייזרתהליך, עומק חור הבריכה המותך הוא העמוק ביותר, קיימת תופעה של קריסת חור, קיר החור אינו סדיר, ופיזור שדה הזרימה ליד קיר החור אינו אחיד; ליד המשטח האחורי של הבריכה המותכת הזרימה החוזרת חזקה, ויש זרימה חוזרת כלפי מעלה בתחתית הבריכה המותכת; פיזור שדה הזרימה של הבריכה המותכת על פני השטח הוא אחיד ואיטי יחסית, ורוחב הבריכה המותכת אינו אחיד לאורך כיוון העומק. ישנה הפרעה הנגרמת מלחץ רתיעה של הקיר בבריכה המותכת בין החורים הקטנים בקורה כפולהריתוך לייזר, והוא תמיד קיים לאורך כיוון העומק של החורים הקטנים. ככל שהמרחק בין שתי הקורות ממשיך לגדול, צפיפות האנרגיה של האלומה עוברת בהדרגה מפסגה בודדת למצב שיא כפול. יש ערך מינימלי בין שתי הפסגות, וצפיפות האנרגיה יורדת בהדרגה. (2) לקורה כפולהריתוך לייזר, כאשר מרווח הנקודה הוא 0-0.5 מ"מ, עומק החורים הקטנים של הבריכה המותכת יורד מעט, והתנהגות זרימת הבריכה המותכת הכוללת דומה לזו של קרן אחתריתוך לייזר; כאשר מרווח הנקודה הוא מעל 1 מ"מ, החורים הקטנים מופרדים לחלוטין, ובמהלך תהליך הריתוך אין כמעט אינטראקציה בין שני הלייזרים, מה ששווה לשתי ריתוך לייזר רצוף/שני מקבילים עם קרן יחידה בהספק של 1750W. אין כמעט אפקט של חימום מוקדם, והתנהגות זרימת הבריכה המותכת דומה לזו של ריתוך לייזר בקרן אחת. (3) כאשר מרווח הנקודה הוא 0.5-1 מ"מ, פני הקיר של החורים הקטנים שטוחים יותר בשני הסידורים, עומק החורים הקטנים יורד בהדרגה והחלק התחתון נפרד בהדרגה. ההפרעה בין החורים הקטנים לזרימת הבריכה המותכת על פני השטח היא 0.8 מ"מ. הכי חזק. עבור ריתוך סדרתי, אורך הבריכה המותכת גדל בהדרגה, הרוחב הוא הגדול ביותר כאשר מרווח הנקודה הוא 0.8 מ"מ, ואפקט החימום המוקדם בולט ביותר כאשר מרווח הנקודה הוא 0.8 מ"מ. השפעת כוח המרנגוני נחלשת בהדרגה, ונוזל מתכת נוסף זורם לשני צידי הבריכה המותכת. הפוך את חלוקת רוחב ההיתוך לאחידה יותר. עבור ריתוך מקביל, רוחב הבריכה המותכת גדל בהדרגה, והאורך המרבי הוא 0.8 מ"מ, אך אין אפקט חימום מוקדם; הזרימה מחדש ליד פני השטח הנגרמת על ידי כוח Marangoni תמיד קיימת, והזרימה מטה בתחתית החור הקטן נעלמת בהדרגה; שדה זרימת החתך אינו טוב כמו שהוא חזק בסדרה, ההפרעה כמעט ואינה משפיעה על הזרימה משני צידי הבריכה המותכת, והרוחב המותך מתפזר בצורה לא אחידה.
זמן פרסום: 12 באוקטובר 2023
