מהן טכנולוגיות ריתוך מתקדמות?

מהן טכנולוגיות ריתוך מתקדמות?

(1) ריתוך היברידי בקשת לייזר

טכנולוגיית עיבוד אלומה באנרגיה גבוהה נחשבת לטכנולוגיית העיבוד המבטיחה ביותר במאה ה-21, נחשבת כ"מביאה שינויים מהפכניים בטכנולוגיית עיבוד וייצור חומרים", והיא כיום התחום הטכני הצומח והנחקר ביותר.

הפיתוח שלציוד ריתוךלריתוך בקנה מידה גדול יש שתי משמעויות: האחת היא הגדלת עוצמת הציוד, והשנייה היא הגדלת החלקים המרותכים על ידי הציוד. עקב ההשקעה החד-פעמית הגבוהה בציוד ריתוך מתקדם, במיוחד ציוד ריתוך בלייזר וריתוך בקרן אלקטרונים, הגדלת העוצמה, שיפור עומק החדירה ויציבות תהליך הריתוך יכולים להפחית באופן יחסי את עלויות הריתוך, מה שהופך אותה למקובלת על התעשייה. לכן, טכנולוגיית ריתוך היברידית המתמקדת בלייזרים משכה תשומת לב. למעשה, ריתוך היברידי בלייזר-קשת הוצע כבר בשנות ה-70, אך יישומים תעשייתיים יציבים צצו רק בשנים האחרונות, שנהנו בעיקר מפיתוח טכנולוגיית הלייזר וציוד ריתוך קשת, ובמיוחד משיפור עוצמת הלייזר וטכנולוגיית בקרת קשת. ריתוך היברידי בלייזר-קשת כולל בעיקר שילוב של לייזר עם קשת גז אינרטי טונגסטן (TIG), קשת פלזמה וקשת אקטיבית. באמצעות האינטראקציה בין הלייזר לקשת, ניתן להתגבר על החסרונות של כל שיטת ריתוך, וכתוצאה מכך נוצר אפקט היברידי טוב.

ריתוך היברידי בקשת לייזר משפר משמעותית את יעילות הריתוך, בעיקר בהתבסס על שתי השפעות: ראשית, צפיפות האנרגיה הגבוהה מובילה למהירות ריתוך גבוהה יותר ולהפחתת אובדן החום של חומר העבודה; שנית, אפקט הסופרפוזיציה של האינטראקציה בין שני מקורות החום. בעת ריתוך פלדה, פלזמת הלייזר מייצבת את הקשת; במקביל, הקשת נכנסת לחור המנעול של בריכת ההיתוך, מה שמפחית את אובדן האנרגיה. השילוב של לייזר ו-TIG יכול להגדיל משמעותית את מהירות הריתוך, בערך פי שניים ממהירות ריתוך TIG. גם שחיקת אלקטרודת הטונגסטן מצטמצמת מאוד, מה שמגדיל את חיי השירות שלה; ניתן גם להפחית משמעותית את זווית החריץ, ושטח חתך הריתוך דומה לזה של ריתוך לייזר. בהשוואה לריתוך היברידי בקשת יחידה בלייזר, ריתוך היברידי בקשת כפולה בלייזר יכול להפחית את קלט חום הריתוך ב-25% ולהגדיל את מהירות הריתוך בכ-30%.

היתרונות העיקריים של ריתוך היברידי בקשת לייזר (או קשת פלזמה) הם שיפורים במהירות הריתוך ועומק החדירה. עקב חימום הקשת, טמפרטורת המתכת עולה, מה שמפחית את החזרת המתכת ללייזר ומגביר את ספיגת אנרגיית האור. שיטה זו נבדקה בריתוך לייזר CO₂ בהספק נמוך, כמו גם בריתוך לייזר CO₂ בהספק של 12 קילוואט ולייזרי YAG של 2 קילוואט עם העברת סיבים אופטיים, והניחה את היסודות לריתוך היברידי רובוטי בקשת לייזר (או קשת פלזמה). בשנים האחרונות, טכנולוגיית ריתוך היברידי שנולדה מריתוך היברידי בקשת לייזר זכתה להתפתחות משמעותית, ויישומה ברכיבים מורכבים בתחום התעופה והחלל, הצבא ומגזרים אחרים זכה לתשומת לב גוברת. כיום, טכנולוגיית ריתוך היברידית המשלבת קרניים בעלות אנרגיה גבוהה עם קשתות שונות הפכה לאחד המוקדים החמים בתחום ריתוך קרניים בעלות אנרגיה גבוהה.

(2) ריתוך בחיכוך

ריתוך בחיכוך (FSW) היא טכנולוגיית ריתוך רשומה כפטנט שפותחה על ידי מכון הריתוך (TWI) של בריטניה בתחילת שנות ה-90. היא יכולה לרתך מתכות לא ברזליות שקשה לרתך באמצעות שיטות ריתוך היתוך.

לריתוך בחיכוך יתרונות כגון תהליך חיבור פשוט, גרגירים עדינים במפרק המרותך, ביצועי עייפות טובים, ביצועי מתיחה וביצועי כיפוף, אין צורך בחוטי ריתוך או בגזי מגן, אין אור קשת, ומאמץ שיורי ועיוות נמוכים לאחר הריתוך. הוא יושם בתעשיית התעופה והחלל של מדינות מפותחות באירופה ובאמריקה, והוא שימש בהצלחה בריתוך של מכלי לחץ דקי דופן מסגסוגת אלומיניום הפועלים בטמפרטורות נמוכות, ומשלים את המפרק הישר של ריתוכים אורכיים ואת המפרק ההיקפי של ריתוכים מעגליים. טכנולוגיה זו אומצה בתכנון מבני חדש של כלי רכב חדשים ויושמה בתעופה וחלל, תחבורה, ייצור רכב ומגזרים תעשייתיים אחרים.

(3) ריתוך דיפוזיה בוואקום

הופעתם המתמשכת של חומרים מתקדמים מציבה אתגרים חדשים לטכנולוגיות חיבור. חיבור של חומרים חדשים רבים, כגון סגסוגות עמידות בחום, קרמיקה מתקדמת, תרכובות אינטר-מתכתיות וחומרים מרוכבים, ובמיוחד חיבור של חומרים שונים זה מזה, קשה להשיג באמצעות שיטות ריתוך היתוך קונבנציונליות, ולכן צצו טכנולוגיות ריתוך דיפוזיה במצב מוצק וטכנולוגיות אחרות. לדוגמה, טכנולוגיית ריתוך דיפוזיה-עיצוב סופר-פלסטי יושמה בהצלחה במבני חלת דבש מסגסוגת טיטניום של מטוסים. ניתן לחבר קרמיקה ומתכות באמצעות ריתוך דיפוזיה; יישום טכנולוגיית ריתוך דיפוזיה בפאזה נוזלית חולפת פתר בעיות חיבור קשות רבות של חומרים קשים שלא ניתן היה לפתור על ידי...ריתוך היתוךבעבר.

ניתן לחלק את חיבור המצב המוצק לשתי קטגוריות. האחת היא שיטת החיבור בטמפרטורה נמוכה, לחץ גבוה וזמן קצר, המקדמת מגע קרוב של פני השטח של חומר העבודה וקריעת שכבת התחמוצת באמצעות דפורמציה פלסטית מקומית. דפורמציה פלסטית היא הגורם הדומיננטי ביצירת החיבור. שיטות חיבור כאלה כוללותריתוך חיכוך, ריתוך פיצוץ, ריתוך בלחץ קר וריתוך בלחץ חם, המכונים בדרך כלל ריתוך בלחץ. שיטת החיבור השנייה היא שיטת דיפוזיה בטמפרטורה גבוהה, לחץ נמוך וזמן ארוך יחסית, המתבצעת בדרך כלל באטמוספרה מגוננת או בוואקום. שיטת חיבור זו מייצרת דפורמציה פלסטית מינימלית בלבד, ודיפוזיה בממשק היא הגורם הדומיננטי ביצירת החיבור. שיטות חיבור כאלה כוללות בעיקר ריתוך דיפוזיה, כגון ריתוך דיפוזיה בוואקום, ריתוך דיפוזיה בפאזה נוזלית חולפת, ריתוך דיפוזיה בלחץ איזוסטטי חם וריתוך עיצוב-דיפוזיה סופר-פלסטי.

בנוסף להופעה המתמשכת של שיטות ריתוך מתקדמות ותהליכים חדשים (הנ"ל הן רק כמה דוגמאות), רמת המיכון והאוטומציה של שיטות ריתוך שונות משתפרת בהתמדה. התקדמות הטכנולוגיה האלקטרונית, טכנולוגיית החישה, המחשב וטכנולוגיית הבקרה קידמה מאוד את התפתחות תחום הריתוך, מה שהופך את אוטומציה של ריתוך לכיוון בקרה חכמה. בפרט, ההכנסה בקנה מידה גדול של רובוטי ריתוך פרצה את מצב האוטומציה הנוקשה המסורתי של ריתוך, פתחה מצב חדש של אוטומציה גמישה בריתוך, וסיפקה מרחב פיתוח רחב יותר לטכנולוגיית ריתוך. ריתוך הפך לשיטת עיבוד הכרחית בייצור המודרני. יתר על כן, עם התקדמות המדע והטכנולוגיה והפיתוח החברתי והכלכלי, תחומי היישום של ריתוך/חיבור מתקדמים ימשיכו להתרחב.

(4) ריתוך אוטומטי וחכם

מיכון ואוטומציה הם אמצעים חשובים לשיפור תפוקת הריתוך, הבטחת איכות המוצר ושיפור תנאי העבודה. אוטומציה של ייצור ריתוך היא כיוון הפיתוח העתידי של טכנולוגיית הריתוך. שיפור היעילות והאיכות של ייצור הריתוך כרוך במגבלות מסוימות רק מנקודת מבט של תהליכי ריתוך. שיטות ריתוך/חיבור כגון ריתוך קרן אלקטרונים, ריתוך לייזר וריתוך בחיכוך מחייבות דרישות מחמירות לגבי גיאומטריית החריצים ואיכות ההרכבה. לאחר ריתוך אוטומטי, כל המבנה המרותך מסודר, מדויק ויפה, ומשנה את תופעת הפעולה הידנית שהייתה בסדנאות ריתוך בעבר.

כאחד הסמלים החשובים של התפתחות טכנולוגיית הייצור המודרנית ותעשיית טכנולוגיה מתפתחת, לרובוטים הייתה השפעה חשובה על תחומים שונים של תעשיות היי-טק. מורכבות תהליכי הייצור של ריתוך והדרישות המחמירות לאיכות הריתוך, יחד עם רמת טכנולוגיית הריתוך ותנאי העבודה הנמוכים לעיתים קרובות, הופכים תהליכי ריתוך שיכולים להפוך את תהליך הריתוך לאוטומטי ולהפוך אותו לחכם למקור תשומת לב מיוחדת. כיום, 30% עד 40% מהרובוטים ברחבי העולם משמשים בטכנולוגיית ריתוך. רובוטי ריתוך יושמו בתחילה בעיקר בקווי ייצור של ריתוך נקודתי בתעשיית הרכב, ובשנים האחרונות הם התרחבו בהדרגה לתחומי ייצור אחרים.

מוקד הפיתוח הראשון שלריתוך חכםהיא מערכת הראייה. מערכות ראייה מפותחות כיום יכולות לאפשר לרובוטים לשנות באופן אוטומטי את מסלול תנועת המבער בהתאם לתנאים ספציפיים במהלך הריתוך, וחלקן יכולות להתאים בזמן את פרמטרי התהליך בהתאם לגודל החריץ.