סופת לייזר – שינויים טכנולוגיים עתידיים בטכנולוגיית לייזר בעלת קרן כפולה 1

בהשוואה לטכנולוגיית ריתוך מסורתית,ריתוך לייזריש לה יתרונות חסרי תקדים בדיוק ריתוך, יעילות, אמינות, אוטומציה והיבטים אחרים. בשנים האחרונות היא התפתחה במהירות בתחומי הרכב, האנרגיה, האלקטרוניקה ותחומים אחרים, ונחשבת לאחת מטכנולוגיות הייצור המבטיחות ביותר במאה ה-21.

1. סקירה כללית של קורות כפולותריתוך לייזר

קורת כפולהריתוך לייזרהיא להשתמש בשיטות אופטיות כדי להפריד את אותו לייזר לשתי אלומות אור נפרדות לצורך ריתוך, או להשתמש בשני סוגים שונים של לייזרים לשילוב, כגון לייזר CO2, לייזר Nd:YAG ולייזר מוליך למחצה בעל הספק גבוה. ניתן לשלב את כולם. הוצע בעיקר כדי לפתור את יכולת ההסתגלות של ריתוך לייזר לדיוק ההרכבה, לשפר את יציבות תהליך הריתוך ולשפר את איכות הריתוך. אלומה כפולהריתוך לייזריכול להתאים בנוחות ובגמישות את שדה טמפרטורת הריתוך על ידי שינוי יחס אנרגיית הקרן, מרווח הקרן ואפילו דפוס פיזור האנרגיה של שתי קרני הלייזר, ובכך לשנות את דפוס הקיום של חור המנעול ואת דפוס הזרימה של מתכת נוזלית בבריכה המותכת. מספק מבחר רחב יותר של תהליכי ריתוך. יש לו לא רק יתרונות של נפח גדולריתוך לייזרחדירה, מהירות גבוהה ודיוק גבוה, אך מתאים גם לחומרים ומפרקים שקשה לרתך אותם עם ריתוך קונבנציונליריתוך לייזר.

עבור קורת כפולהריתוך לייזרראשית, נדון בשיטות היישום של לייזר בעל קרן כפולה. ספרות מקיפה מראה שישנן שתי דרכים עיקריות להשגת ריתוך בעל קרן כפולה: מיקוד באמצעות העברה ומיקוד באמצעות החזרה. באופן ספציפי, האחת מושגת על ידי התאמת הזווית והמרווח בין שני לייזרים באמצעות מראות מיקוד ומראות קולימציה. השנייה מושגת על ידי שימוש במקור לייזר ולאחר מכן מיקוד באמצעות מראות מחזירות אור, מראות מעבר ומראות בצורת טריז כדי להשיג אלומות כפולות. לשיטה הראשונה, ישנן בעיקר שלוש צורות. הצורה הראשונה היא לחבר שני לייזרים באמצעות סיבים אופטיים ולפצלם לשתי אלומות שונות תחת אותה מראה קולימציה ומראה מיקוד. השנייה היא ששני לייזרים פולטים אלומות לייזר דרך ראשי הריתוך שלהם, ואלומה 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 שתי נקודות המוקד על ידי כוונון הזוויות של שתי מראות המיקוד 3 ו-4. השיטה השנייה היא להשתמש בלייזר מצב מוצק כדי לפצל את האור כדי להשיג אלומות כפולות, ולכוונן את הזווית והמרווח באמצעות מראה פרספקטיבית ומראה מיקוד. שתי התמונות האחרונות בשורה הראשונה למטה מציגות את המערכת הספקטרוסקופית של לייזר CO2. המראה השטוחה מוחלפת במראה בצורת טריז ומוצבת מול מראת המיקוד כדי לפצל את האור כדי להשיג אור מקביל בעל אלומה כפולה.

לאחר הבנת יישום הקורות הכפולות, בואו נציג בקצרה את עקרונות ושיטות הריתוך. בקורות הכפולותריתוך לייזרבתהליך הריתוך, ישנם שלושה סידורי קורות נפוצים, כלומר סידור טורי, סידור מקביל וסידור היברידי. בד, כלומר, יש מרחק הן בכיוון הריתוך והן בכיוון האנכי של הריתוך. כפי שמוצג בשורה האחרונה של האיור, בהתאם לצורות השונות של חורים קטנים ובריכות מותכות המופיעות תחת מרווחי נקודות שונים במהלך תהליך הריתוך הטורי, ניתן לחלק אותם עוד להיתכים בודדים. ישנם שלושה מצבים: בריכה, בריכה מותכת משותפת ובריכת מותכת מופרדת. המאפיינים של בריכה מותכת בודדת ובריכת מותכת מופרדת דומים לאלה של בריכה מותכת בודדתריתוך לייזר, כפי שמוצג בתרשים הסימולציה הנומרית. ישנם השפעות תהליך שונות עבור סוגים שונים.

סוג 1: תחת מרווח נקודתי מסוים, שני חורי מנעול של קרן יוצרים חור מנעול גדול משותף באותה בריכת מותכת; עבור סוג 1, דווח כי קרן אור אחת משמשת ליצירת חור קטן, וקרן האור השנייה משמשת לטיפול בחום ריתוך, מה שיכול לשפר ביעילות את התכונות המבניות של פלדת פחמן גבוהה ופלדת סגסוגת.

סוג 2: הגדלת מרווח הנקודות באותו בריכת ריתוך מותכת, הפרדת שתי הקרניים לשני חורי מנעול עצמאיים, ושינוי דפוס הזרימה של בריכת הריתוך; עבור סוג 2, תפקידו שווה ערך לריתוך בשתי קרני אלקטרונים, הפחתת התזות ריתוך וריתוכים לא סדירים באורך המוקד המתאים.

סוג 3: הגדלה נוספת של מרווח הנקודות ושינוי יחס האנרגיה של שתי הקרניים, כך שאחת משתי הקרניים תשמש כמקור חום לביצוע עיבוד טרום ריתוך או לאחר ריתוך במהלך תהליך הריתוך, והקרן השנייה תשמש ליצירת חורים קטנים. עבור סוג 3, המחקר מצא ששתי הקרניים יוצרות חור מנעול, החור הקטן אינו מתמוטט בקלות, והריתוך אינו מייצר נקבוביות בקלות.

2. השפעת תהליך הריתוך על איכות הריתוך

השפעת יחס קרן-אנרגיה סדרתי על היווצרות תפר ריתוך

כאשר עוצמת הלייזר היא 2 קילוואט, מהירות הריתוך היא 45 מ"מ/שנייה, כמות הדה-פוקוס 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 כפי שמוצג באיור. כאשר RS=0.50 ו-2.00, הריתוך שקע במידה רבה יותר, ויש יותר התזות על קצה הריתוך, מבלי ליצור דפוסי קשקשי דגים קבועים. הסיבה לכך היא שכאשר יחס אנרגיית הקרן קטן מדי או גדול מדי, אנרגיית הלייזר מרוכזת מדי, מה שגורם לחור הסיכה של הלייזר להתנדנד בצורה חמורה יותר במהלך תהליך הריתוך, ולחץ הרתע של הקיטור גורם לפליטה והתזה של המתכת המותכת בבריכה המותכת; קלט חום מוגזם גורם לעומק החדירה של הבריכה המותכת בצד סגסוגת האלומיניום להיות גדול מדי, מה שגורם לשקע תחת פעולת הכבידה. כאשר RS=0.67 ו-1.50, דוגמת קשקשי הדג על פני הריתוך אחידה, צורת הריתוך יפה יותר, ואין סדקים חמים, נקבוביות ופגמי ריתוך אחרים גלויים על פני הריתוך. צורות חתך הרוחב של הריתוכים עם יחסי אנרגיית הקרן RS שונים הן כפי שמוצג באיור. חתך הרוחב של הריתוכים הוא בצורת "כוס יין" טיפוסית, דבר המצביע 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 הקרן RS=0.5, P2 הוא 1203.2 מיקרון. כאשר יחס אנרגיית הקרן הוא RS=0.67 ו-1.5, P2 מצטמצם משמעותית, שהם 403.3 מיקרון ו-93.6 מיקרון בהתאמה. כאשר יחס אנרגיית הקרן הוא RS=2, עומק חדירת הריתוך של חתך הרוחב של המחבר הוא 1151.6 מיקרון.

השפעת יחס קרן-אנרגיה מקבילית על היווצרות תפר ריתוך

כאשר עוצמת הלייזר היא 2.8 קילוואט, מהירות הריתוך היא 33 מ"מ/שנייה, כמות הדה-פוקוס היא 0 מ"מ, ומרווח הקרן הוא 1 מ"מ, משטח הריתוך מתקבל על ידי שינוי יחס אנרגיית הקרן (RS=0.25, 0.5, 0.67, 1.5, 2, 4). המראה מוצג באיור. כאשר RS=2, דוגמת קשקשי הדג על פני הריתוך אינה סדירה יחסית. פני הריתוך המתקבלים על ידי חמשת יחסי אנרגיית הקרן השונים האחרים מעוצבים היטב, ואין פגמים גלויים כגון נקבוביות וניתזים. לכן, בהשוואה לריתוך טורי כפול-קרןריתוך לייזר, משטח הריתוך באמצעות קורות כפולות מקבילות אחיד ויפה יותר. כאשר RS=0.25, יש שקע קל בריתוך; ככל שיחס אנרגיית הקרן עולה בהדרגה (RS=0.5, 0.67 ו-1.5), פני הריתוך אחידים ולא נוצר שקע; עם זאת, כאשר יחס אנרגיית הקרן עולה עוד יותר (RS=1.50, 2.00), אך ישנם שקעים על פני הריתוך. כאשר יחס אנרגיית הקרן 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 נוצרים 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, וחתך הרוחב של הריתוך מעוצב היטב ולא נוצרים פגמי ריתוך ברורים. גורמים אלה מראים כי יחס אנרגיית הקרן במהלך ריתוך לייזר כפול-קרן מקבילית משפיע משמעותית גם על חדירת הריתוך ופגמי הריתוך.

קורה מקבילה - השפעת מרווח הקורות על היווצרות תפר הריתוך

כאשר עוצמת הלייזר היא 2.8 קילוואט, מהירות הריתוך היא 33 מ"מ/שנייה, כמות הדה-פוקוס היא 0 מ"מ, ויחס אנרגיית הקרן RS=0.67, יש לשנות את מרווח הקרניים (d=0.5 מ"מ, 1 מ"מ, 1.5 מ"מ, 2 מ"מ) כדי לקבל את מורפולוגיית פני השטח של הריתוך כפי שמוצג בתמונה. כאשר d=0.5 מ"מ, 1 מ"מ, 1.5 מ"מ, 2 מ"מ, פני השטח של הריתוך חלקים ושטוחים, והצורה יפה; דוגמת קשקשי הדג של הריתוך היא סדירה ויפה, ואין נקבוביות, סדקים ופגמים אחרים גלויים. לכן, בתנאי ארבעת מרווחי הקרניים, פני השטח של הריתוך בנויים היטב. בנוסף, כאשר d=2 מ"מ, נוצרים שני ריתוכים שונים, מה שמראה ששתי קרני הלייזר המקבילות אינן פועלות עוד על בריכת מותכת, ואינן יכולות ליצור ריתוך היברידי יעיל של לייזר כפול-קרן. כאשר מרווח הקרן הוא 0.5 מ"מ, הריתוך הוא "משפך", עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום הוא 712.9 מיקרון, ואין סדקים, נקבוביות ופגמים אחרים בתוך הריתוך. ככל שמרווח הקרן ממשיך לגדול, עומק החדירה P2 של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום יורד משמעותית. כאשר מרווח הקרן הוא 1 מ"מ, עומק החדירה של הריתוך בצד סגסוגת האלומיניום הוא רק 94.2 מיקרון. ככל שמרווח הקרן גדל עוד יותר, הריתוך אינו יוצר חדירה יעילה בצד סגסוגת האלומיניום. לכן, כאשר מרווח הקרן הוא 0.5 מ"מ, אפקט הרקומבינציה של הקרן הכפולה הוא הטוב ביותר. ככל שמרווח הקרן גדל, קלט החום של הריתוך יורד בחדות, ואפקט הרקומבינציה של הלייזר של הקרן הכפולה מחמיר בהדרגה.

ההבדל במורפולוגיה של הריתוך נגרם עקב זרימה שונה והתמצקות קירור שונה של בריכת ההיתוך במהלך תהליך הריתוך. שיטת הסימולציה הנומרית יכולה לא רק להפוך את ניתוח המאמצים של בריכת ההיתוך לאינטואיטיבית יותר, אלא גם להפחית את עלות הניסוי. התמונה למטה מציגה את השינויים בבריכת ההיתוך הצדדית עם קרן אחת, סידורים שונים ומרווחי נקודות שונים. המסקנות העיקריות כוללות: (1) במהלך קרן אחתריתוך לייזרבתהליך, עומק חור בריכת המותך הוא העמוק ביותר, יש תופעה של קריסת חור, דופן החור אינה סדירה, ופיזור שדה הזרימה ליד דופן החור אינו אחיד; ליד המשטח האחורי של בריכת המותך הזרימה החוזרת חזקה, ויש זרימה חוזרת כלפי מעלה בתחתית בריכת המותך; פיזור שדה הזרימה של בריכת המותך על פני השטח הוא אחיד ואיטי יחסית, ורוחב בריכת המותך אינו אחיד לאורך כיוון העומק. יש הפרעה הנגרמת על ידי לחץ רתע של הדופן בבריכת המותך בין החורים הקטנים בקורה כפולה.ריתוך לייזר, והיא תמיד קיימת לאורך כיוון העומק של החורים הקטנים. ככל שהמרחק בין שתי הקרניים ממשיך לגדול, צפיפות האנרגיה של הקרן עוברת בהדרגה ממצב של שיא יחיד למצב של שיא כפול. יש ערך מינימלי בין שתי הקרניים, וצפיפות האנרגיה יורדת בהדרגה. (2) עבור קרן כפולהריתוך לייזר, כאשר מרווח הנקודות הוא 0-0.5 מ"מ, עומק החורים הקטנים של בריכת המותך יורד מעט, והתנהגות הזרימה הכוללת של בריכת המותך דומה לזו של קרן אחתריתוך לייזרכאשר מרווח הנקודות עולה על 1 מ"מ, החורים הקטנים מופרדים לחלוטין, ובמהלך תהליך הריתוך כמעט ואין אינטראקציה בין שני הלייזרים, דבר השקול לשתי ריתוכים רצופים/מקבילים בלייזר בעל קרן אחת בהספק של 1750W. כמעט ואין אפקט חימום מוקדם, והתנהגות הזרימה של בריכת ההיתוך דומה לזו של ריתוך בלייזר בעל קרן אחת. (3) כאשר מרווח הנקודות הוא 0.5-1 מ"מ, פני השטח של החורים הקטנים שטוחים יותר בשני הסידורים, עומק החורים הקטנים יורד בהדרגה, והתחתית נפרדת בהדרגה. ההפרעה בין החורים הקטנים לזרימת בריכת ההיתוך שעל פני השטח היא 0.8 מ"מ. החזקה ביותר. בריתוך סדרתי, אורך בריכת ההיתוך גדל בהדרגה, הרוחב הוא הגדול ביותר כאשר מרווח הנקודות הוא 0.8 מ"מ, ואפקט החימום המוקדם בולט ביותר כאשר מרווח הנקודות הוא 0.8 מ"מ. השפעת כוח המרנגוני נחלשת בהדרגה, ויותר נוזל מתכת זורם לשני צידי בריכת ההיתוך. הפוך את פיזור רוחב ההיתוך לאחיד יותר. בריתוך מקביל, רוחב בריכת המותך גדל בהדרגה, והאורך המקסימלי הוא 0.8 מ"מ, אך אין אפקט חימום מקדים; הזרימה החוזרת ליד פני השטח הנגרמת על ידי כוח המרנגוני תמיד קיימת, והזרימה החוזרת כלפי מטה בתחתית החור הקטן נעלמת בהדרגה; שדה הזרימה בחתך הרוחב אינו טוב כמו שהוא חזק בטור, ההפרעה כמעט ולא משפיעה על הזרימה משני צידי בריכת המותך, ורוחב המותך מפוזר באופן לא אחיד.