ידע בריתוך בלייזר נושא שני: ריתוך בלייזר עם סיבובים - בקרת פגמים

ככלי עיבוד מתקדם, לייזר ממלא תפקיד חשוב יותר ויותר בתחום הריתוך התעשייתי. למרות שטכנולוגיית ריתוך לייזר מסורתית יכולה לשלוט בפגמים אלה במידה מסוימת, השפעתה מוגבלת לעתים קרובות על ידי פרמטרי ריתוך ותהליכים קבועים. בשנים האחרונות, הופעתה של טכנולוגיית ריתוך לייזר בתנופה מספקת פתרון חדש לשליטה בפגמי ריתוך. על ידי הכנסת תנופת קרן הלייזר במהלך תהליך הריתוך, הטכנולוגיה יכולה לשפר משמעותית את המאפיינים הדינמיים של בריכת הריתוך, ובכך לייעל את איכות הריתוך. טכנולוגיית ריתוך לייזר בתנופה מבוססת בעיקר על שליטה מדויקת בקרן הלייזר ובטכנולוגיית התנופה כדי להשיג ריתוך יעיל ואיכותי.

שיפור המראה:

במהלך התהליך ריתוך, קרן הלייזר מסובבת במהירות ובדייקנות כדי לכסות את כל אזור הריתוך. כאשר הקרן נעה לאורך כיוון הריתוך, היא מתנדנדת בצורות שונות, כגון עיגול, צורה 8 וסליל. צ'ן ועמיתיו השתמשו בלייזר סווינג כדי לרתך סגסוגות אלומיניום שונות, ובהשוואה לריתוך ללא סווינג, מורפולוגיית הריתוך הקדמית והאחורית של ריתוך לייזר סווינג שופרה משמעותית. בנוסף, ריתוך לייזר סווינג רוחבי משמש כדי להגדיל את יכולת הסתגלות המרווח של החריץ. בחלק מחלקי העבודה המוליכים, יש צורך להרחיב את אזור זרם היתר, יש צורך גם להרחיב את משטח החיבור המתכתי, ויש צורך גם לסובב את ריתוך הלייזר כדי להפוך את משטח החיבור המתכתי ל"U".

1. (א) ו-(ב) סטטיסטיקות של מורפולוגיה של חתך רוחב הריתוך וגודל הריתוך תחת מצבי תנופה שונים; (ג) עיצוב המשטח העליון של הריתוך תחת מצבי תנופה שונים.

שיפור איחוי קירות צדדיים ירוד:

פגם של אי-היתוך דופן צדדית קל להתרחש בריתוך לייזר מסורתי עם מרווח צר של פלטות בעובי בינוני, והוא נגרם עקב פיזור לא אחיד של אנרגיית הלייזר בפתח, כניסת החום במרכז החריץ גדולה וכניסת החום לדופן הצדדית של החריץ קטנה, מה שאינו יכול ליצור שילוב טוב. האמצעי המרכזי לפתרון פגם דופן צדדית לא-היתוך הוא הגדלת כניסת החום לדופן הצדדית. בתהליך ריתוך הלייזר, ניתן להשיג פיזור אנרגיה סביר יותר של קרן הלייזר על פני חומר העבודה באמצעות תנועת הקרן. כאשר רוחב החריץ משתנה, משרעת תנועת הקרן מותאמת לרוחב החריץ, כך שייווצר כניסת חום יעילה לדופן הצדדית.

2. תמונה מקרוסקופית של הריתוך מהשכבה הראשונה (L1) ועד לשכבה השביעית (L7) עבור ריתוך לייזר עם או בלי תנודה.

הפחתת פגמי נקבוביות:

ניתן לייחס את מנגנון העיכוב של תנועת הלייזר על נקבוביות הריתוך לשיפור היציבות של חורים קטנים ולשיפור הנזילות של מתכת נוזלית. איור 3 מציג את התנהגות הזרימה של הבריכה המותכת כפי שמוצגת על ידי חלקיקי המעקב במהלך תהליך הריתוך. תנועת אלומת האור גורמת לחור הקטן ליצור תנועת ערבוב סיבובית בתדר גבוה ובמהירות גבוהה, אשר מקדמת את הצפת הבועות ויש לה אפקט "לכידה" על הנקבוביות שהתמצקו. במקביל, תנועת אלומת האור מגדילה את שטח החור הקטן ומקטינה את הסבירות לקריסה של חוסר יציבות ויצירת בועות.

3. (א) ו-(ב) מסלולים של חלקיקי נותב במהלך ריתוך; אזור פתיחת חור המנעול: (ג) לייזר ללא סיבוב (ד) לייזר מתנדנד.

צמצום פגמי סדקים:

סדק תרמי הוא סוג של פגם שנוצר בתהליך הריתוך עקב אינטראקציה בין מאמץ פנימי וגורמים מטלורגיים, אשר נמצא לעתים קרובות באזור המושפע מחום (HAZ) של הריתוך. היווצרות סדקים כאלה קשורה לפגיעות החומר בטמפרטורות גבוהות, מאמץ ריתוך והרכב הכימי של החומר. טכנולוגיית ריתוך לייזר מסורתית עשויה לייצר סדקים תרמיים בתהליך הריתוך, בעיקר מהסיבות הבאות: ראשית, עקב קלט אנרגיה גבוה של ריתוך לייזר, וכתוצאה מכך חימום וקירור מהירים של אזור הריתוך, וכתוצאה מכך גרדיאנט תרמי גדול ומאמץ תרמי; שנית, התגובה המטלורגית בתהליך הריתוך עלולה להוביל להפרדה של יסודות טומאה בעלי נקודת התכה נמוכה, ליצירת פאזה שבירה ולהגברת רגישות הסדקים. לבסוף, ההתמצקות המהירה של החומר עלולה להוביל להטרוגניות של המיקרו-מבנה, וכיוון הצמיחה של הגבישים העמודיים הוא מהבריכה המותכת למרכז, כפי שמוצג באיור 4. במקרה זה, הרגישות לסדיקה עולה משמעותית.

4. ריתוך בלייזר במצב התמצקות (א) ריתוך בלייזר קונבנציונלי (ב) ריתוך בלייזר מתנדנד.

טכנולוגיית ריתוך בלייזר מתנדנד יכולה להפחית או לבטל ביעילות את הופעת הסדקים החמים על ידי החדרת קרן לייזר מתנדנדת. במהלך תהליך ריתוך הלייזר המתנדנד, התנודה המחזורית של קרן הלייזר יכולה לקדם את זרימת המתכת בבריכה המותכת, ובכך לשפר את אחידות המיקרו-מבנה, והגרגירים גדלים קואקסיאליים במרכז הבריכה המותכת, כפי שמוצג באיור 5. גרגירים קואקסיאליים אלה משמשים כמחסום מגן למניעת התפשטות סדקים ומשמשים כשכבת בידוד תרמי למניעת התפשטות סדקים נוספת. במקביל, הלייזר המתנדנד מסייע בהפחתת היווצרות פאזות שבירות עקב הפרדת רכיבים, ובכך מפחית את הסיכון לסדיקה תרמית.

5. (א) מאפייני מיקרו-מבנה התמצקות של ריתוכים קונבנציונליים בריתוך לייזר (ב) מאפייני מיקרו-מבנה התמצקות של ריתוכים מתנדנדים בלייזר (CCW).

בהשוואה לריתוך עצמי בלייזר, טכנולוגיית ריתוך בלייזר מתנדנד הוכרה כדרך יעילה להפחית את הנטייה לנקבוביות ולשפר פגמים כגון אי-היתוך של דפנות צד. בשל אפקט הערבוב של הקרן על בריכת המותך, יש לה יתרונות משמעותיים בשיפור התאמת הפער, שיפור אחידות המיקרו-מבנה ועידון הגרעינים. יישום טכנולוגיית ריתוך בלייזר מתנדנד יכול להפוך את ריתוך הלייזר לשימוש נרחב יותר, וניתן להשיג ריתוך מדויק ויעיל בלייזר עבור חלקי עבודה גדולים יותר וריתוכים רחבים יותר, כלומר, תהליך הבסיס ודיוק ההרכבה של המוצר רגועים.