ריתוך בלייזר הוא אחד ההיבטים החשובים ביישום טכנולוגיית עיבוד לייזר, אך גם טכנולוגיית הריתוך המושכת את העין והמבטיחה ביותר במאה ה-21. בהשוואה לשיטות ריתוך מסורתיות, לריתוך בלייזר יתרונות רבים, איכות ריתוך גבוהה יותר ויעילות מהירה יותר. כיום, טכנולוגיית ריתוך בלייזר נמצאת בשימוש נרחב בייצור, מטלורגיה אבקה, תעשיית הרכב, תעשיית האלקטרוניקה, ביו-רפואה ותחומים אחרים.
על פי מנגנון היווצרות בריכת הריתוך, לריתוך בלייזר שני מנגנוני ריתוך בסיסיים: ריתוך הולכת חום וריתוך חדירה עמוקה (חור קטן). החום הנוצר בריתוך הולכת חום מתפזר לחומר העבודה באמצעות העברת חום, כך שפני הריתוך מותכים, למעשה אין תופעת אידוי, דבר המשמש לעתים קרובות בריתוך של רכיבים בעלי דופן דקה במהירות נמוכה. ריתוך היתוך עמוק מאדה את החומר ויוצר כמות גדולה של פלזמה. עקב החום הרב, יהיו חורים בקצה הקדמי של בריכת הריתוך המותכת. ריתוך חדירה עמוקה יכול לרתך את חומר העבודה ביסודיות, והאנרגיה הקלטת גדולה ומהירות הריתוך מהירה, והוא מצב ריתוך הלייזר הנפוץ ביותר.
ישנם פרמטרים רבים בתהליך המשפיעים על איכות ריתוך בלייזר, כגון צפיפות הספק, צורת גל של פולס לייזר, דה-פוקוס, מהירות ריתוך וגז עזר לנשיפת גז.
1. צפיפות הספק בלייזר צפיפות הספק היא אחד הפרמטרים הקריטיים ביותר בעיבוד לייזר. עם צפיפות הספק גבוהה יותר, ניתן לחמם את שכבת פני השטח לנקודת רתיחה בטווח זמן של מיקרו-שניות, מה שיוצר כמות גדולה של אידוי. לכן, צפיפות הספק גבוהה יתרון מאוד לעיבוד הסרת חומרים, כגון ניקוב, חיתוך וחריטה. עבור צפיפות הספק נמוכה, לוקח מספר אלפיות שנייה עד שטמפרטורת פני השטח מגיעה לנקודת הרתיחה, ולפני ששכבת פני השטח מתאדה, השכבה התחתונה מגיעה לנקודת ההיתוך, מה שמאפשר בקלות יצירת ריתוך היתוך טוב. לכן, בריתוך לייזר הולכת חום, טווח צפיפות ההספק הוא 104-106W/cm2.
2. צורת גל של פולס לייזר
צורת גל של פולס לייזר אינה רק פרמטר חשוב להבחנה בין הסרת חומר לבין התכת חומר, אלא גם פרמטר מפתח לקביעת נפח ועלות ציוד העיבוד. כאשר קרן לייזר בעוצמה גבוהה פונה אל פני החומר, פני החומר יחוו החזרה ואובדן של 60 עד 90% מאנרגיית הלייזר, במיוחד זהב, כסף, נחושת, אלומיניום, טיטניום וחומרים אחרים בעלי החזרה חזקה והעברת חום מהירה. החזרת המתכת משתנה עם הזמן במהלך אות פולס הלייזר. כאשר טמפרטורת פני השטח של החומר עולה לנקודת ההיתוך, החזרת הלייזר יורדת במהירות, וכאשר פני השטח נמצאים במצב התכה, ההחזרה מתייצבת על ערך מסוים.
3. רוחב פולס רוחב פולס הוא פרמטר חשוב בריתוך לייזר פולס. רוחב הפולס נקבע על ידי עומק החדירה והאזור המושפע מחום. ככל שרוחב הפולס ארוך יותר, כך אזור המושפע מחום גדול יותר, ועומק החדירה גדל עם חצי הספק מרוחב הפולס. עם זאת, הגדלת רוחב הפולס תפחית את שיא הספק, ולכן הגדלת רוחב הפולס משמשת בדרך כלל לריתוך הולכת חום, וכתוצאה מכך גודל ריתוך רחב ורדוד, מתאים במיוחד לריתוך חפיפה של לוחות דקים ועבים. עם זאת, שיא הספק נמוך יותר גורם לכניסת חום עודפת, ולכל חומר יש רוחב פולס אופטימלי שממקסם את החדירה.
4, ריתוך לייזר עם דפוקוס דורש בדרך כלל כמות מסוימת של דפוקוס, מכיוון שצפיפות ההספק של הלייזר במרכז הנקודה גבוהה מדי, וקל להתאדות לתוך חורים. פיזור צפיפות ההספק אחיד יחסית בכל מישור הרחק ממוקד הלייזר. ישנן שתי שיטות דפוקוס: דפוקוס חיובי ודפוקוס שלילי. אם מישור המוקד ממוקם מעל לחומר העבודה, מדובר בדפוקוס חיובי; אחרת, מדובר בדפוקוס שלילי. על פי תורת האופטיקה הגיאומטרית, כאשר המרחק בין מישור הדפוקוס החיובי והשלילי לבין מישור הריתוך שווה, צפיפות ההספק במישור המתאים זהה בקירוב, אך צורת בריכת הריתוך המתקבלת בפועל שונה. במקרה של דפוקוס שלילי, ניתן להשיג חדירה גדולה יותר, הקשורה לתהליך היווצרות בריכת הריתוך המותכת.
5, מהירות ריתוך מהירות הריתוך קובעת את איכות משטח הריתוך, את החדירה, את האזור המושפע מחום וכו'. מהירות הריתוך תשפיע על קלט החום ליחידת זמן. אם מהירות הריתוך איטית מדי, קלט החום גדול מדי, וכתוצאה מכך חומר העבודה נשרף. אם מהירות הריתוך מהירה מדי, קלט החום קטן מדי, וכתוצאה מכך חומר העבודה נרתך אטום. הפחתת מהירות הריתוך משמשת בדרך כלל לשיפור החדירה.
6, גז מגן עזר לנשיפת גז מגן עזר לנשיפת גז מגן הוא תהליך חיוני בריתוך לייזר בעל עוצמה גבוהה. מצד אחד, כדי למנוע התזה של חומרי מתכת ולזהם את מראה המיקוד; מצד שני, זה כדי למנוע מהפלזמה הנוצרת בתהליך הריתוך להתמקד יתר על המידה ולמנוע מהלייזר להגיע לפני השטח של החומר. בתהליך ריתוך הלייזר, הליום, ארגון, חנקן וגזים אחרים משמשים לעתים קרובות כדי להגן על המאגר המותך, כך שחומר העבודה מוגן מפני חמצון בהנדסת הריתוך. גורמים כמו סוג גז המגן, גודל זרימת האוויר וזווית הנשיפה משפיעים רבות על תוצאת הריתוך. שיטות ניפוח שונות משפיעות גם הן על איכות הריתוך.
הליום אינו מיונן בקלות (יש לו אנרגיה מייננת גבוהה), מה שמאפשר ללייזר לעבור בצורה חלקה ולאנרגיית הקרן להגיע אל פני השטח של חומר העבודה ללא הפרעה. זהו גז המגן היעיל ביותר המשמש בריתוך לייזר, אך המחיר יקר יחסית. ארגון זול וצפוף יותר, ולכן יש לו הגנה טובה יותר. עם זאת, הוא מיונן בקלות על ידי פלזמה מתכתית בטמפרטורה גבוהה, ובכך מגן על חלק מהקרן מפני חומר העבודה, מפחית את עוצמת הלייזר האפקטיבית של הריתוך, אך גם פוגע במהירות הריתוך ובחדירה. משטחי הריתוכים המוגנים על ידי ארגון חלקים יותר מאלה המוגנים על ידי הליום. חנקן הוא הזול ביותר כגז מגן, אך הוא אינו מתאים לסוגים מסוימים של ריתוך פלדות אל חלד, בעיקר עקב בעיות מתכות, כגון ספיגה, שלעיתים יוצרת נקבוביות באזור החפיפה.
כטכנולוגיית ריתוך חדשה, לריתוך בלייזר יש מאפיינים של צפיפות אנרגיה גבוהה, מהירות גבוהה, דיוק גבוה, חדירה עמוקה ויכולת הסתגלות חזקה. יישומו הולך וגובר, מה שיכול לא רק לשפר את יעילות הייצור, אלא גם לשפר את איכות הריתוך. טכנולוגיית ריתוך בלייזר בוודאי תמלא תפקיד חשוב יותר בתחום עיבוד החומרים.
זמן פרסום: 28 במרץ 2023
