ריתוך בקרן לייזר וריתוך קשת משמשים זה מכבר לייצור תעשייתי, ומאפשרים מגוון רחב של שימושים בתחום טכנולוגיית חיבור החומרים. לכל אחד מתהליכים אלה תחומי יישום ספציפיים, כפי שמתואר על ידי התהליכים הפיזיקליים של הובלת אנרגיה לחומר העבודה ועל ידי זרימת האנרגיה שניתן להשיג. האנרגיה מועברת ממקור קרן הלייזר לחומר לעיבוד באמצעות קרינה קוהרנטית אינפרא אדום בעלת אנרגיה גבוהה, באמצעות כבל סיב אופטי. הקשת מעבירה את החום הדרוש לריתוך באמצעות זרם חשמלי גבוה הזורם לחומר העבודה דרך עמודת קשת. קרינת הלייזר מובילה לאזור צר מאוד המושפע מחום עם יחס גדול בין עומק הריתוך לרוחב התפר (אפקט ריתוך עמוק). יכולת גישור הפערים של תהליך ריתוך הלייזר נמוכה מאוד, בשל קוטר המיקוד הקטן שלו, אך מצד שני הוא יכול להגיע למהירויות ריתוך גבוהות מאוד. לתהליך ריתוך קשת יש צפיפות אנרגיה נמוכה בהרבה, אך הוא גורם לנקודת מיקוד גדולה יותר על פני חומר העבודה והוא מאופיין במהירות עיבוד איטית יותר. על ידי מיזוג שני התהליכים הללו, ניתן להשיג סינרגיות מועילות. בסופו של דבר, הדבר מאפשר להשיג הן יתרונות איכותיים והן יתרונות הנדסיים בייצור, כמו גם יעילות עלויות משופרת. תהליך זה מציע יישומים מעניינים ואטרקטיביים מבחינה כלכלית, הן בתעשיית הרכב, בין היתר משום שמותר סבולות גבוהות יותר על הריתוכים, שיעורי חיבור גבוהים יותר אפשריים וניתן להשיג פרמטרים מכניים/טכנולוגיים טובים מאוד.
1. מבוא:
מאז שנות ה-70 ידוע כיצד לשלב אור לייזר וקשת ריתוך לתהליך ריתוך משולב, אך במשך זמן רב לאחר מכן לא נערכה עבודת פיתוח נוספת. לאחרונה, חוקרים הפנו שוב את תשומת ליבם לנושא זה וניסו לאחד את יתרונות הקשת עם אלו של הלייזר, בתהליך ריתוך היברידי. בעוד שבימים הראשונים, מקורות לייזר עדיין היו צריכים להוכיח את התאמתם לשימוש תעשייתי, כיום הם ציוד טכנולוגי סטנדרטי במפעלי ייצור רבים.
השילוב של ריתוך בלייזר עם תהליך ריתוך אחר מכונה "תהליך ריתוך היברידי". משמעות הדבר היא שקרן לייזר וקשת פועלות בו זמנית באזור ריתוך אחד, ומשפיעות ותומכות זו בזו.
2. לייזר:
ריתוך בלייזר דורש לא רק עוצמת לייזר גבוהה, אלא גם קרן באיכות גבוהה על מנת להשיג את "אפקט הריתוך העמוק" הרצוי. את איכות הקרן הגבוהה יותר המתקבלת ניתן לנצל כדי להשיג קוטר מיקוד קטן יותר או מרחק מיקוד גדול יותר.
עבור פרויקטי הפיתוח הנמצאים כעת בעיצומם, נעשה שימוש בלייזר מצב מוצק המופעל על ידי מנורה בעל עוצמת קרן לייזר של 4 קילוואט. אור הלייזר מועבר דרך סיב זכוכית בעובי 600 מיקרומטר.
אור הלייזר מועבר דרך סיב זכוכית, שבו ההתחלה והסוף מקוררים במים. קרן הלייזר מוקרנת על חומר העבודה באמצעות מודול מיקוד בעל מרחק מוקד של 200 מ"מ.
3. תהליך לייזר היברידי:
לריתוך חלקי עבודה מתכתיים, קרן הלייזר Nd:YAG ממוקדת בעוצמות של מעל 106W/cm2. כאשר קרן הלייזר פוגעת בפני החומר, היא מחממת נקודה זו לטמפרטורת אידוי, ונוצר חלל אדים במתכת הריתוך עקב אדי המתכת הבורחים. המאפיין המובהק של תפר הריתוך הוא יחס עומק-רוחב גבוה שלו. צפיפות האנרגיה-זרימה של הקשת הבוערת בחופשיות היא מעט מעל 104W/cm2. איור 1 ממחיש את העיקרון הבסיסי של ריתוך היברידי. קרן הלייזר
המתואר כאן מזין חום למתכת הריתוך בחלק העליון של התפר, בנוסף לחום מהקשת. בניגוד לתצורה סדרתית שבה שני תהליכי ריתוך נפרדים פועלים ברצף, ניתן לראות ריתוך היברידי כשילוב של שני תהליכי הריתוך הפועלים בו זמנית באותו אזור תהליך. בהתאם לקשת או לתהליך הלייזר בו נעשה שימוש, ולפרמטרי התהליך, התהליכים ישפיעו זה על זה במידה שונה ובדרכים שונות [1, 2].
הודות לשילוב של תהליך הלייזר ותהליך הקשת, ישנה גם עלייה הן בעומק חדירת הריתוך והן במהירות הריתוך (בהשוואה לכל אחד מהתהליכים המשמשים בפני עצמו). אדי המתכת הבורחים מחלל האדים פועלים רטרואקטיבית על פלזמת הקשת. ספיגת קרינת הלייזר Nd:YAG בפלזמת העיבוד נותרת זניחה. בהתאם ליחס שנבחר בין שתי כניסות ההספק, אופי התהליך הכולל עשוי להיקבע במידה רבה יותר או קטנה יותר על ידי הלייזר או על ידי הקשת [3,4].
איור 1: ייצוג סכמטי: ריתוך לייזר-היברידי
בליעת קרינת הלייזר מושפעת באופן משמעותי מטמפרטורת פני השטח של חומר העבודה. לפני שניתן להתחיל בתהליך ריתוך הלייזר, יש להתגבר תחילה על ההחזרה הראשונית, במיוחד על משטחי אלומיניום. ניתן להשיג זאת על ידי התחלת ריתוך עם תוכנית התחלה מיוחדת. לאחר שהגיעה לטמפרטורת האידוי, נוצר חלל האדים, וכתוצאה מכך כמעט כל אנרגיית הקרינה ניתנת להזנה לחומר העבודה. האנרגיה הנדרשת לכך נקבעת אפוא על ידי הספיגה התלויה בטמפרטורה ועל ידי כמות האנרגיה שאבדה.
על ידי הולכה לשאר חומר העבודה. בריתוך לייזר-היברידי, אידוי מתרחש לא רק מפני השטח של חומר העבודה אלא גם מחוט המילוי, כלומר יש יותר אדי מתכת זמינים, מה שבתורו מקל על כניסת קרינת הלייזר. זה גם מונע נשירה בתהליך [5, 6, 7, 8, 9].
4. יישום רכב:
באמצעות טכנולוגיית שלדת החלל (Space Frame), ניתן להפחית משקל של 43% בהשוואה לגוף רכב מפלדה.
איור 2: קונספט A2 של אאודי ספייס פריים
שלדת אאודי A2 ספייס מורכבת מריתוך לייזר באורך 30 מטר (פסים צהובים באיור 2) ואורך ריתוך MIG באורך 20 מטר. בנוסף, נעשה שימוש גם ב-1700 מסמרות.
איור 3: השוואה בין פרופילים וטכניקות חיבור באאודי A2
איור 4 מציג חיבור מרותך LaserHybrid של חומר יצוק ALMg3 עם חומר יריעת AlMgSi. חוט המילוי הוא AlSi5 וגז המגן בו נעשה שימוש הוא ארגון. עם הגדלת עוצמת הלייזר, ניתן לחדור עמוק יותר. שילוב קרן הלייזר עם הקשת בדרך זו משיג בריכת ריתוך גדולה יותר מאשר בתהליך ריתוך בקרן לייזר בפני עצמו. זה מאפשר לרתך רכיבים עם מרווחים רחבים יותר.
איור 4: חיבור חפיפה עם מרווח של 0.5 מ"מ
בתעשיית הרכב ישנם יישומים רבים של ריתוך חפיפה ללא הכנת חיבורים. נכון לעכשיו, התהליך המתקדם ביותר לעבודת ריתוך זו הוא תהליך ריתוך בלייזר עם חוט מילוי קר, עקב סדקים חמים של סגסוגת AA 6xxx. כאשר החיבור מרותך עם חוט מילוי, הרבה מאנרגיית הלייזר תאבד על מנת להמיס את חוט המילוי.
האיור הבא מייצג את ההבדלים בין ריתוך לייזר-היברידי לריתוך לייזר במחבר חפיפה עם מהירות ריתוך של 2.4 מטר/דקה. במקרה של ריתוך לייזר, אין אפשרות למלא את חרוז הריתוך, ונוצרת חתך תחתון. כמו כן, יש חדירה קטנה מאוד לחומר הבסיס. רוחב חרוז הריתוך קטן מאוד, ולכן צפוי חוזק מתיחה נמוך. במקרה של ריתוך לייזר-היברידי,
חומר נוסף מועבר לבריכת הריתוך. החתך התחתון מתמלא בחוט מתהליך ה-MIG, וכעת נשמר חלק מאנרגיית הלייזר. אנרגיית הלייזר השמורה הזו יכולה להשתמש בה כדי להגדיל את החדירה לחומר הבסיס ורוחב חרוז הריתוך גדול יותר מעובי החומר, כפי שנדרש מהסימולציה הנומרית.
איור 5 השוואה בין ריתוך LaserHybrid לריתוך לייזר ללא חוט מילוי
בעזרת הליך הריתוך LaserHybrid ניתן לרתך חומרים מאלומיניום, פלדות ופלדות אל חלד מעובי חומר עד 4 מ"מ. אם העובי גבוה מדי, חדירה מלאה אינה אפשרית. לחיבור חומרים מצופים אבץ, עדיף גם להשתמש בתהליך הלחמת לייזר.
יישומים נוספים בתעשיית הרכב הם יחידות הנעה, סרנים וגוף מכוניות, שבהן תהליך ריתוך לייזר היברידי יכול להתאים.
ראש ריתוך:
ראש הריתוך צריך להיות בעל ממדים גיאומטריים קטנים, על מנת להבטיח נגישות טובה לרכיבים המיועדים לריתוך, במיוחד בתחום מרכבי רכב. יתר על כן, עליו להיות מתוכנן כך שיאפשר גם חיבור ניתן להסרה לראש הרובוט וגם יכולת כוונון של משתני תהליך כגון מרחק מוקד ומרחקי מבער בכל הקואורדינטות הקרטזיות. איור 5 מציג את ראש הריתוך, בזמן שהתהליך בפעולה. ההתזות המתרחשות במהלך תהליך הריתוך מובילות ללכלוך מוגבר של הזכוכית המגינה. זכוכית הקוורץ מצופה משני צידיה בחומר מונע השתקפות ונועדה להגן על מערכת הלייזר האופטית מפני נזק.
בהתאם למידת הלכלוך, הניתזים המצטברים על הזכוכית עלולים לגרום לירידה של עד 90% בעוצמת הלייזר הפוגע בפועל בחומר העבודה. לכלוך חזק יותר מוביל בדרך כלל להרס הזכוכית המגינה, מכיוון שחלק גדול כל כך מאנרגיית הקרינה נספג על ידי הזכוכית עצמה, וגורם למאמצים תרמיים בזכוכית. בעזרת ראש ריתוך וציוד ריתוך אלה, ניתן להשתמש בו לריתוך LaserHybrid, ריתוך בלייזר, ריתוך MSG ו...הלחמת חוט חם בלייזר.
איור 6: ראש ריתוך ותהליך
5. יתרונות ריתוך לייזר היברידי:
היתרונות הבאים נובעים משילוב של קרן קשת ואלומת לייזר: יתרונות ריתוך לייזרהיברידי על פני ריתוך לייזר:
• יציבות תהליך גבוהה יותר
• יכולת גישור גבוהה יותר
• חדירה עמוקה יותר
• עלויות השקעה הונית נמוכות יותר
• גמישות רבה יותר
יתרונות ריתוך לייזר-היברידי על פני ריתוך MIG:
• מהירויות ריתוך גבוהות יותר
• חדירה עמוקה יותר במהירויות ריתוך גבוהות יותר
• קלט תרמי נמוך יותר
• חוזק מתיחה גבוה יותר
• תפרי ריתוך צרים יותר
איור 7: יתרונות שילוב שני התהליכים
תהליך ריתוך קשת מאופיין במקור אנרגיה זול, יכולת גשר טובה וביכולת להשפיע על המבנה על ידי הוספת מתכות מילוי. המאפיינים המייחדים את תהליך קרן הלייזר, לעומת זאת, הם עומק הריתוך הגדול, מהירות הריתוך הגבוהה, עומס תרמי נמוך ותפרי ריתוך צרים שהוא משיג. מעל צפיפות קרן מסוימת, קרן הלייזר מייצרת "אפקט ריתוך עמוק" בחומרים מתכתיים המאפשר ריתוך רכיבים בעלי עובי דופן גדול יותר - בתנאי שעוצמת הלייזר גבוהה מספיק. ריתוך לייזר היברידי מאפשר, אם כן, מהירויות ריתוך גבוהות יותר, ייצוב התהליך הודות לאינטראקציה בין הקשת לקרן הלייזר, יעילות תרמית מוגברת וסבילות גדולות יותר לחומר העבודה. מכיוון שבריכת הריתוך קטנה יותר מאשר בתהליך MIG, יש פחות קלט תרמי ולכן אזור מושפע חום קטן יותר. משמעות הדבר היא פחות ריתוך.
עיוות, מה שמפחית את כמות עבודות היישור הנדרשות לאחר הריתוך.
כאשר ישנן שתי בריכות ריתוך נפרדות, הקלט התרמי שלאחר מכן מהקשת גורם לכך שקרן הלייזר - האזור המרותך - במיוחד במקרה של פלדה - עוברת טיפול הרפיה לאחר הריתוך, מה שמפזר את ערכי הקשיות בצורה שווה יותר על פני התפר. איור 6 מסכם את היתרונות של התהליך המשולב (כלומר, ההיברידי).
כעת, נעבור ליתרונות הכלכליים של ריתוך היברידי על פני ריתוך לייזר, ניתן לטעון את הדברים הבאים: תפר הריתוך מורכב בחלקו מריתוך לייזר ובחלקו מריתוך MIG. התהליך ההיברידי מאפשר להפחית את עוצמת קרן הלייזר, כלומר ניתן להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה של מקור הלייזר, שכן יעילות קרן הלייזר היא 3% בלבד. במילים אחרות: הפחתה של 1 קילוואט בהספק קרן הלייזר הפוגעת בחומר העבודה מובילה להפחתה של כ-35 קילוואט-על בהספק הנצרך מרשת החשמל.
מכשיר קרן לייזר עולה כ-0.1 מיליון אירו לכל קילוואט שלעוצמת קרן הלייזרלדוגמה, במקרה בו ניצול התהליך ההיברידי מאפשר להשתמש במכשיר לייזר בהספק של 2 קילוואט במקום במכשיר בעל הספק של 4 קילוואט, הדבר מביא לחיסכון של 0.2 מיליון אירו בהוצאות השקעה. עם זאת, יש לזכור כאן כי עבור התהליך ההיברידי, יידרש מכונת MIG בעלות של כ-20,000 אירו.
הודות למהירות הריתוך הגבוהה יותר, ניתן להפחית הן את זמני הייצור והן את עלויות הריתוך.
6. הלחמת לייזר-חוט:
אפשרות נוספת לשילוב קרן הלייזר עם חוט מילוי היא תהליך LaserHotwire [10]. בהליך זה חוט המילוי מתחמם מראש עם אותו מקור כוח, שניתן להשתמש בו עבורתהליך ריתוך היברידי בלייזרלחוט המילוי יש עומס זרם מ-100 אמפר עד 220 אמפר. מהירות הזנת החוט תלויה בחתך הרוחב של חרוזי ההלחמה ובמהירות ההלחמה. הלחמה מציעה, באמצעות כמות מתכת המילוי, חומר יציקה שניתן לגמור בקלות רבה יותר מאשר תפרי ריתוך דומים. באמצעות הלחמת חלקי יריעה, ניתן לבצע עבודות תיקון בצורה קלה יותר מאשר במפרקים מרותכים. יתרון אחד של הלחמת LaserHotwire הוא עמידות טובה בפני קורוזיה של האזור המולחם.
כמתכות מילוי, משתמשים בסגסוגות זולות מבוססות נחושת כגון SG-CuSi3 וארגון משמש כגז מגן.
איור 8: ייצוג סכמטיהלחמת חוט חם בלייזר:
האיור הבא מציג את חתך הרוחב של חומר מולחם בחוט לייזר חם. החומר המצופה אבץ מולחם במהירות של 3 מטר/דקה וחוט המילוי בעל עומס זרם של 205 אמפר. קלט החום נמוך מאוד, ולכן נוצר עיוות נמוך כתוצאה מתהליך ההלחמה.
7. סיכום:
ריתוך לייזר היברידי היא טכנולוגיה חדשה לחלוטין המציעה סינרגיות עבור תחומי יישומים רחבים בתעשיות מתכת, במיוחד במקרים בהם לא ניתן או כדאי מבחינה כלכלית להשיג את סבילות הרכיבים הנדרשות עבור...ריתוך קרן לייזרטווח היישומים הרחב בהרבה והיכולת הגבוהה של התהליך המשולב מובילים לתחרותיות משופרת מבחינת הוצאות השקעה מופחתות, זמני ייצור קצרים יותר, עלויות ייצור נמוכות יותר ופריון גבוה יותר.
תהליך הלייזר-היברידי מציע גם גישה חדשה לריתוך אלומיניום. עם זאת, תהליך יציב שניתן להשתמש בו בפועל התאפשר רק לאחרונה יחסית, הודות לעוצמות הפלט הגבוהות יותר של לייזרים במצב מוצק. מחקרים רבים בחנו את יסודות תהליכי הריתוך בלייזר-קשת-היברידי. ב"תהליך ריתוך היברידי" אנו מתכוונים לשילוב של ריתוך קרן לייזר ותהליך ריתוך בקשת, עם אזור תהליך אחד בלבד (פלזמה וריתוך נמס). מחקרי מחקר בסיסיים הראו כי תהליך אפשרי שבו - על ידי שילוב שני התהליכים - ניתן להשיג סינרגיות ולפצות על החסרונות של כל תהליך נפרד, וכתוצאה מכך אפשרויות ריתוך משופרות, יכולת ריתוך ואמינות ריתוך עבור חומרים ומבנים רבים ושונים. בפרט, הדבר הודגם עבור סגסוגות אלומיניום. על ידי בחירת פרמטרי תהליך נוחים, ניתן להשפיע באופן סלקטיבי על תכונות ריתוך כגון גיאומטריה ומבנה מבני. תהליך ריתוך הקשת מגביר את יכולת הגישור על ידי הוספת מתכת מילוי; הוא גם קובע את רוחב תפר הריתוך ובכך מפחית את כמות הכנת חומר העבודה הנדרשת. יתר על כן, האינטראקציות המתרחשות בין התהליכים מובילות לעלייה משמעותית ביעילות התהליך. תהליך משולב זה דורש גם עלויות השקעה נמוכות משמעותית בהשוואה לתהליך ריתוך בלייזר.
תהליך הלחמת חוט חם בלייזר יכול לשמש במיוחד עבור חומר מצופה אבץ כדי לקבל עמידות טובה בפני קורוזיה.
זמן פרסום: 18 באפריל 2025
