נושא מיוחד על טכנולוגיית ריתוך לייזר מודרנית - ריתוך לייזר כפול קרן

שיטת ריתוך כפולת קרן מוצעת, בעיקר כדי לפתור את יכולת ההסתגלות שלריתוך לייזרלדיוק ההרכבה, לשיפור יציבות תהליך הריתוך ולשיפור איכות הריתוך, במיוחד עבור ריתוך פלטות דקות וריתוך סגסוגות אלומיניום. ריתוך לייזר כפול-קרן יכול להשתמש בשיטות אופטיות כדי להפריד את אותו לייזר לשתי אלומות אור נפרדות לריתוך. ניתן גם לשלב שני סוגים שונים של לייזרים: לייזר CO2, לייזר Nd:YAG ולייזר מוליך למחצה בעל הספק גבוה. על ידי שינוי אנרגיית הקרן, מרווח האלומה ואפילו דפוס פיזור האנרגיה של שתי האלומות, ניתן לכוונן את שדה טמפרטורת הריתוך בצורה נוחה וגמישה, ולשנות את דפוס הקיום של החורים ואת דפוס הזרימה של המתכת הנוזלית בבריכה המותכת, ובכך לספק פתרון טוב יותר לתהליך הריתוך. מרחב הבחירה העצום אינו משתווה לריתוך לייזר יחיד-קרן. יש לו לא רק יתרונות של חדירה גדולה לריתוך לייזר, מהירות גבוהה ודיוק גבוה, אלא גם יכולת הסתגלות מצוינת לחומרים ולחיבורים שקשה לרתך בריתוך לייזר קונבנציונלי.

עקרון שלריתוך לייזר כפול-קרן

ריתוך בקרן כפולה פירושו שימוש בשתי קרני לייזר בו זמנית במהלך תהליך הריתוך. סידור הקרניים, מרווח הקרניים, הזווית בין שתי הקרניים, מיקום המיקוד ויחס האנרגיה של שתי הקרניים הן הגדרות רלוונטיות בריתוך לייזר בקרן כפולה. בדרך כלל, במהלך תהליך הריתוך, ישנן שתי דרכים לסידור הקרניים הכפולות. כפי שמוצג באיור, אחת מהן מסודרת בטור לאורך כיוון הריתוך. סידור זה יכול להפחית את קצב הקירור של בריכת המותך. מפחית את נטיית הריתוך להתקשות ואת יצירת הנקבוביות. השנייה היא לסדר אותן זו לצד זו או לרוחב משני צידי הריתוך כדי לשפר את יכולת ההסתגלות לפער הריתוך.

עקרון ריתוך לייזר כפול קרן

ריתוך בקרן כפולה פירושו שימוש בשתי קרני לייזר בו זמנית במהלך תהליך הריתוך. סידור הקרניים, מרווח הקרניים, הזווית בין שתי הקרניים, מיקום המיקוד ויחס האנרגיה של שתי הקרניים הן הגדרות רלוונטיות בריתוך לייזר בקרן כפולה. בדרך כלל, במהלך תהליך הריתוך, ישנן שתי דרכים לסידור הקרניים הכפולות. כפי שמוצג באיור, אחת מהן מסודרת בטור לאורך כיוון הריתוך. סידור זה יכול להפחית את קצב הקירור של בריכת המותך. מפחית את נטיית הריתוך להתקשות ואת יצירת הנקבוביות. השנייה היא לסדר אותן זו לצד זו או לרוחב משני צידי הריתוך כדי לשפר את יכולת ההסתגלות לפער הריתוך.

עבור מערכת ריתוך לייזר בעלת שתי קרן מסודרת בטנדם, ישנם שלושה מנגנוני ריתוך שונים בהתאם למרחק בין הקרניים הקדמיות והאחוריות, כפי שמוצג באיור למטה.

1. בסוג הראשון של מנגנון ריתוך, המרחק בין שתי אלומות האור גדול יחסית. קרן אור אחת בעלת צפיפות אנרגיה גדולה יותר והיא ממוקדת על פני חומר העבודה כדי לייצר חורים בריתוך; קרן האור השנייה בעלת צפיפות אנרגיה קטנה יותר. משמשת רק כמקור חום לטיפול בחום לפני או אחרי הריתוך. באמצעות מנגנון ריתוך זה, ניתן לשלוט בקצב הקירור של בריכת הריתוך בטווח מסוים, דבר המועיל לריתוך חומרים מסוימים בעלי רגישות גבוהה לסדקים, כגון פלדת פחמן גבוהה, פלדת סגסוגת וכו', ויכול גם לשפר את קשיחות הריתוך.

2. בסוג השני של מנגנון ריתוך, מרחק המיקוד בין שתי אלומות האור קטן יחסית. שתי אלומות האור יוצרות שני חורי מנעול עצמאיים בבריכת ריתוך, מה שמשנה את דפוס הזרימה של המתכת הנוזלית ועוזר למנוע היתקעות. זה יכול למנוע את התרחשותם של פגמים כגון קצוות ובליטות של חרוזי הריתוך ולשפר את יצירת הריתוך.

3. בסוג השלישי של מנגנון ריתוך, המרחק בין שתי אלומות האור קטן מאוד. בשלב זה, שתי אלומות האור מייצרות את אותו חור המנעול בבריכת הריתוך. בהשוואה לריתוך לייזר בקרן אחת, מכיוון שגודל חור המנעול גדול יותר ואינו קל לסגירה, תהליך הריתוך יציב יותר והגז קל יותר לפליטה, דבר המועיל להפחתת נקבוביות וניתזות, ולהשגת ריתוכים רציפים, אחידים ויפים.

במהלך תהליך הריתוך, ניתן גם ליצור את שתי קרני הלייזר בזווית מסוימת זו ביחס לזו. מנגנון הריתוך דומה למנגנון ריתוך של קרן כפולה מקבילה. תוצאות הבדיקה מראות שבאמצעות שני ציר לייזר בעלי עוצמה גבוהה בזווית של 30° זה ביחס לזו ובמרחק של 1~2 מ"מ, קרן הלייזר יכולה להשיג חור מנעול בצורת משפך. גודל חור המנעול גדול ויציב יותר, מה שיכול לשפר ביעילות את איכות הריתוך. ביישומים מעשיים, ניתן לשנות את השילוב ההדדי של שתי קרני האור בהתאם לתנאי ריתוך שונים כדי להשיג תהליכי ריתוך שונים.

6. שיטת יישום של ריתוך לייזר כפול-קרן

ניתן להשיג אלומות כפולות על ידי שילוב של שתי אלומות לייזר שונות, או שניתן לחלק אלומת לייזר אחת לשתי אלומות לייזר לצורך ריתוך באמצעות מערכת ספקטרומטריה אופטית. כדי לפצל אלומת אור לשתי אלומות לייזר מקבילות בעלות עוצמות שונות, ניתן להשתמש בספקטרוסקופ או במערכת אופטית מיוחדת כלשהי. התמונה מציגה שתי דיאגרמות סכמטיות של עקרונות פיצול אור באמצעות מראות מיקוד כמפצלות אלומות.

בנוסף, ניתן להשתמש במחזיר אור גם כמפצל קרן, והחזיר האחרון בנתיב האופטי יכול לשמש כמפצל קרן. סוג זה של מחזיר אור נקרא גם מחזיר אור מסוג גג. המשטח המחזיר אור שלו אינו משטח ישר, אלא מורכב משני מישורים. קו החיתוך של שני המשטחים המחזירים אור ממוקם באמצע משטח המראה, בדומה לרכס גג, כפי שמוצג באיור. קרן אור מקבילה מאירה על הספקטרוסקופ, מוחזרת על ידי שני מישורים בזוויות שונות ליצירת שתי קרני אור, ומאירה על מיקומים שונים של מראה המתמקדת. לאחר המיקוד, מתקבלות שתי קרני אור במרחק מסוים על פני השטח של חומר העבודה. על ידי שינוי הזווית בין שני המשטחים המחזירים אור למיקום הגג, ניתן להשיג קרני אור מפוצלות עם מרחקי מיקוד וסידורים שונים.

כאשר משתמשים בשני סוגים שונים שלקרני לייזר tכדי ליצור קרן כפולה, ישנם שילובים רבים. לייזר CO2 איכותי עם פיזור אנרגיה גאוסיאני יכול לשמש לעבודות הריתוך העיקריות, ולייזר מוליך למחצה עם פיזור אנרגיה מלבני יכול לשמש לסיוע בעבודת הטיפול בחום. מצד אחד, שילוב זה חסכוני יותר. מצד שני, ניתן לכוונן את עוצמת שתי קרני האור באופן עצמאי. עבור צורות חיבור שונות, ניתן להשיג שדה טמפרטורה מתכוונן על ידי כוונון מיקום החפיפה של הלייזר ולייזר המוליך למחצה, המתאים מאוד לריתוך. בקרת תהליכים. בנוסף, ניתן לשלב גם לייזר YAG ולייזר CO2 לקרן כפולה לריתוך, ניתן לשלב לייזר רציף ולייזר פולסים לריתוך, וניתן לשלב גם קרן ממוקדת וקרן לא ממוקדת לריתוך.

7. עקרון ריתוך לייזר כפול-קרן

3.1 ריתוך לייזר כפול של יריעות מגולוונות

יריעת פלדה מגולוונת היא החומר הנפוץ ביותר בתעשיית הרכב. נקודת ההיתוך של פלדה היא כ-1500 מעלות צלזיוס, בעוד שנקודת הרתיחה של אבץ היא רק 906 מעלות צלזיוס. לכן, בעת שימוש בשיטת ריתוך היתוך, נוצרת בדרך כלל כמות גדולה של אדי אבץ, מה שגורם לתהליך הריתוך להיות לא יציב, ויוצר נקבוביות בריתוך. עבור חיבורי חפיפה, התנדפות השכבה המגולוונת מתרחשת לא רק על המשטחים העליונים והתחתונים, אלא גם על פני החיבור. במהלך תהליך הריתוך, אדי אבץ נפלטים במהירות מפני השטח של בריכת המותכת באזורים מסוימים, בעוד שבאזורים אחרים קשה לאדי אבץ להיפלט מהבריכת המותכת. על פני השטח של הבריכה, איכות הריתוך אינה יציבה מאוד.

ריתוך לייזר בקרן כפולה יכול לפתור את בעיות איכות הריתוך הנגרמות על ידי אדי אבץ. שיטה אחת היא לשלוט בזמן הקיום ובקצב הקירור של הבריכה המותכת על ידי התאמה סבירה של האנרגיה של שתי הקרניים כדי להקל על בריחת אדי האבץ; השיטה השנייה היא שחרור אדי אבץ על ידי ניקוב מקדים או חריצים. כפי שמוצג באיור 6-31, לייזר CO2 משמש לריתוך. לייזר YAG נמצא לפני לייזר CO2 ומשמש לקידוח חורים או חיתוך חריצים. החורים או החריצים המעובדים מראש מספקים נתיב מילוט לאדי אבץ הנוצרים במהלך הריתוך שלאחר מכן, ומונעים מהם להישאר בבריכה המותכת וליצור פגמים.

3.2 ריתוך לייזר כפול של סגסוגת אלומיניום

בשל מאפייני הביצועים המיוחדים של חומרי סגסוגת אלומיניום, קיימות הקשיים הבאים בשימוש בריתוך לייזר [39]: לסגסוגת אלומיניום קצב ספיגה נמוך של לייזר, וההחזרה הראשונית של פני שטח קרן לייזר CO2 עולה על 90%; תפרי ריתוך לייזר בסגסוגת אלומיניום נוצרים בקלות, נקבוביות, סדקים; שריפת יסודות סגסוגת במהלך הריתוך וכו'. בעת שימוש בריתוך לייזר יחיד, קשה ליצור את חור המנעול ולשמור על יציבות. ריתוך לייזר בקרן כפולה יכול להגדיל את גודל חור המנעול, מה שמקשה על סגירת חור המנעול, דבר המועיל לפליטת גז. הוא יכול גם להפחית את קצב הקירור ולהפחית את הופעת הנקבוביות וסדקי הריתוך. מכיוון שתהליך הריתוך יציב יותר וכמות ההתזות מופחתת, צורת פני השטח של הריתוך המתקבלת בריתוך בקרן כפולה של סגסוגות אלומיניום טובה משמעותית מזו של ריתוך בקרן יחידה. איור 6-32 מציג את מראה תפר הריתוך של ריתוך קת סגסוגת אלומיניום בעובי 3 מ"מ באמצעות לייזר בקרן יחידה CO2 וריתוך לייזר בקרן כפולה.

מחקרים מראים שכאשר מרותכים סגסוגת אלומיניום מסדרה 5000 בעובי 2 מ"מ, כאשר המרחק בין שתי הקרניים הוא 0.6~1.0 מ"מ, תהליך הריתוך יציב יחסית ופתח המנעול שנוצר גדול יותר, מה שתורם לאידוי ולבריחה של מגנזיום במהלך תהליך הריתוך. אם המרחק בין שתי הקרניים קטן מדי, תהליך הריתוך של קרן בודדת לא יהיה יציב. אם המרחק גדול מדי, חדירת הריתוך תושפע, כפי שמוצג באיור 6-33. בנוסף, יחס האנרגיה של שתי הקרניים משפיע רבות גם הוא על איכות הריתוך. כאשר שתי הקרניים במרווח של 0.9 מ"מ מסודרות בטור לריתוך, יש להגדיל את האנרגיה של הקרן הקודמת בצורה מתאימה כך שיחס האנרגיה של שתי הקרניים שלפני ואחריה יהיה גדול מ-1:1. זה מועיל לשיפור איכות תפר הריתוך, להגדיל את שטח ההיתוך ועדיין להשיג תפר ריתוך חלק ויפה כאשר מהירות הריתוך גבוהה.

3.3 ריתוך כפול של קרן של לוחות בעובי לא שווה

בייצור תעשייתי, לעתים קרובות יש צורך לרתך שתי לוחות מתכת או יותר בעוביים וצורות שונים כדי ליצור לוח מחובר. במיוחד בייצור רכב, השימוש בחסר מרותך בהתאמה אישית הופך נפוץ יותר ויותר. על ידי ריתוך לוחות בעלי מפרטים, ציפויי פני שטח או תכונות שונים, ניתן להגדיל את החוזק, להפחית את כמות החומרים המתכלים ולהפחית את האיכות. ריתוך לייזר של לוחות בעוביים שונים משמש בדרך כלל בריתוך פאנלים. בעיה עיקרית היא שהלוחות המיועדים לריתוך חייבים להיות מעוצבים מראש עם קצוות מדויקים ביותר ולהבטיח הרכבה מדויקת ביותר. השימוש בריתוך כפול-קרן של לוחות בעובי לא שווה יכול להסתגל לשינויים שונים במרווחי הלוחות, חיבורי קת, עוביים יחסיים וחומרי הלוח. ניתן לרתך לוחות עם סבילות קצה ופער גדולים יותר ולשפר את מהירות הריתוך ואיכות הריתוך.

פרמטרי התהליך העיקריים של ריתוך לוחות בעובי לא שווה ב-Shuangguangdong ניתנים לחלוקה לפרמטרי ריתוך ופרמטרי לוח, כפי שמוצג באיור. פרמטרי הריתוך כוללים את עוצמת שתי קרני הלייזר, מהירות הריתוך, מיקום המיקוד, זווית ראש הריתוך, זווית סיבוב הקרן של חיבור הקטן בעל הקורה הכפולה והיסט הריתוך וכו'. פרמטרי הלוח כוללים את גודל החומר, ביצועים, תנאי חיתוך, פערים בלוח וכו'. ניתן לכוונן את עוצמת שתי קרני הלייזר בנפרד בהתאם למטרות ריתוך שונות. מיקום המיקוד ממוקם בדרך כלל על פני השטח של הלוח הדק כדי להשיג תהליך ריתוך יציב ויעיל. זווית ראש הריתוך נבחרת בדרך כלל להיות בסביבות 6. אם עובי שתי הלוחות גדול יחסית, ניתן להשתמש בזווית ראש ריתוך חיובית, כלומר, הלייזר מוטה לכיוון הלוח הדק, כפי שמוצג בתמונה; כאשר עובי הלוח קטן יחסית, ניתן להשתמש בזווית ראש ריתוך שלילית. היסט הריתוך מוגדר כמרחק בין מיקוד הלייזר לקצה הלוח העבה. על ידי כוונון היסט הריתוך, ניתן להפחית את כמות שקע הריתוך ולקבל חתך ריתוך טוב.

בעת ריתוך לוחות עם פערים גדולים, ניתן להגדיל את קוטר חימום הקרן האפקטיבי על ידי סיבוב זווית הקרן הכפולה כדי להשיג יכולות מילוי פערים טובות. רוחב החלק העליון של הריתוך נקבע על ידי קוטר הקרן האפקטיבי של שתי קרני הלייזר, כלומר, זווית הסיבוב של הקרן. ככל שזווית הסיבוב גדולה יותר, כך טווח החימום של הקרן הכפולה רחב יותר, וכך רוחב החלק העליון של הריתוך גדול יותר. שתי קרני הלייזר ממלאות תפקידים שונים בתהליך הריתוך. אחת משמשת בעיקר לחדירת התפר, בעוד שהשנייה משמשת בעיקר להיתוך חומר הלוח העבה כדי למלא את הפער. כפי שמוצג באיור 6-35, תחת זווית סיבוב קרן חיובית (הקרן הקדמית פועלת על הלוח העבה, הקרן האחורית פועלת על הריתוך), הקרן הקדמית פוגעת בלוח העבה כדי לחמם ולהמיס את החומר, והקרן שלאחר מכן יוצרת חדירה. קרן הלייזר הראשונה בחזית יכולה להמיס רק חלקית את הפלטה העבה, אך היא תורמת רבות לתהליך הריתוך, מכיוון שהיא לא רק מתיכה את צד הפלטה העבה למילוי טוב יותר של הפערים, אלא גם מחברת מראש את חומר החיבור כך שהקרניים הבאות קל יותר לרתך דרך החיבורים, מה שמאפשר ריתוך מהיר יותר. בריתוך כפול-קרן עם זווית סיבוב שלילית (הקרן הקדמית פועלת על הריתוך, והקרן האחורית פועלת על הפלטה העבה), לשתי הקרניים יש השפעה הפוכה לחלוטין. הקרן הראשונה מתיכה את החיבור, והקרן השנייה מתיכה את הפלטה העבה כדי למלא את הפער. במקרה זה, הקרן הקדמית נדרשת לרתך דרך הפלטה הקרה, ומהירות הריתוך איטית יותר מאשר שימוש בזווית סיבוב קרן חיובית. ובשל אפקט החימום המוקדם של הקרן הקודמת, הקרן האחרונה תמיס חומר פלטה עבה יותר תחת אותה הספק. במקרה זה, יש להפחית את עוצמת קרן הלייזר האחרונה כראוי. לשם השוואה, שימוש בזווית סיבוב קרן חיובית יכול להגדיל כראוי את מהירות הריתוך, ושימוש בזווית סיבוב קרן שלילית יכול להשיג מילוי טוב יותר של הפערים. איור 6-36 מציג את השפעתן של זוויות סיבוב שונות של הקורה על חתך הרוחב של הריתוך.

3.4 ריתוך לייזר כפול-קרן של לוחות עבים גדולים עם השיפור ברמת עוצמת הלייזר ואיכות הקרן, ריתוך לייזר של לוחות עבים גדולים הפך למציאות. עם זאת, מכיוון שלייזרים בעלי עוצמה גבוהה יקרים וריתוך של לוחות עבים גדולים דורש בדרך כלל מתכת מילוי, ישנן מגבלות מסוימות בייצור בפועל. השימוש בטכנולוגיית ריתוך לייזר כפול-קרן יכול לא רק להגדיל את עוצמת הלייזר, אלא גם להגדיל את קוטר חימום הקרן האפקטיבי, להגדיל את היכולת להמיס חוט מילוי, לייצב את חור המנעול של הלייזר, לשפר את יציבות הריתוך ולשפר את איכות הריתוך.