מדריך ליסודות ריתוך בלייזר

יסודות ריתוך בלייזר

ריתוך בלייזר הוא תהליך ללא מגע הדורש גישה לאזור הריתוך מצד אחד של החלקים המרותכים.

• הריתוך נוצר כאשר אור הלייזר העז מחמם במהירות את החומר, בדרך כלל מחושב במילי-שניות.

• ישנם בדרך כלל 3 סוגים של ריתוכים:

- מצב הולכה.

– מצב הולכה/חדירה.

– מצב חדירה או חור מנעול.

• ריתוך מצב הולכה מבוצע בצפיפות אנרגיה נמוכה ויוצר גוש ריתוך רדוד ורחב.

• מצב הולכה/חדירה מתרחש בצפיפות אנרגיה בינונית, ומציג יותר חדירה ממצב הולכה.

• ריתוך מצב החדירה או חור המנעול מאופיין בריתוכים צרים עמוקים.

- במצב זה אור הלייזר יוצר חוט נימה של חומר אידוי המכונה "חור מפתח" הנמשך לתוך החומר ומספק צינור להעברת אור הלייזר ביעילות אל החומר.

- אספקה ​​ישירה זו של אנרגיה לחומר אינה מסתמכת על הולכה כדי להשיג חדירה, ולכן ממזערת את החום לתוך החומר ומקטינה את האזור המושפע מהחום.

ריתוך הולכה

• צירוף הולכה מתאר משפחה של תהליכים בהם ממוקדת קרן הלייזר:

– לתת צפיפות הספק בסדר גודל של 10³ Wmm⁻²

- הוא מתיך חומר ליצירת מפרק ללא אידוי משמעותי.

• לריתוך הולכה יש 2 מצבים:

- חימום ישיר

- העברת אנרגיה.

חום ישיר

• במהלך חימום ישיר,

- זרימת החום נשלטת על ידי הולכה תרמית קלאסית ממקור חום פני השטח והריתוך נעשה על ידי המסת חלקים של חומר הבסיס.

• ריתוך ההולכה הראשון יוצרו בתחילת שנות ה-1, השתמשו באודם פועם בהספק נמוך CO2 לייזרים למחברי חוטים.

• ניתן לבצע ריתוך הולכה במגוון רחב של מתכות וסגסוגות בצורת חוטים ויריעות דקות בתצורות שונות באמצעות.

- CO2 , Nd:YAG ודיודה לייזרים עם רמות הספק בסדר גודל של עשרות וואט.

– חימום ישיר על ידי א CO2 קרן לייזר יכולה לשמש גם עבור ריתוך ברכיים וקת ביריעות פולימר.

ריתוך הילוכים

• ריתוך שידור הוא אמצעי יעיל לחיבור פולימרים המעבירים את קרינת האינפרה האדומה הקרובה של לייזרים Nd:YAG ודיודות.

• האנרגיה נספגת באמצעות שיטות קליטת פנים חדשות.

• ניתן לחבר חומרים מרוכבים בתנאי שהמאפיינים התרמיים של המטריצה ​​והחיזוק דומים.

• אופן העברת האנרגיה של ריתוך הולכה משמש עם חומרים המשדרים קרינת אינפרא אדום קרובה, בעיקר פולימרים.

• דיו סופג מונח בממשק של מפרק הירכיים. הדיו סופג את אנרגיית קרן הלייזר, המוליכה לעובי מוגבל של החומר שמסביב ליצירת סרט ממשק מותך שמתמצק כחיבור המרותך.

• ניתן ליצור חיבורי חך עבים מבלי להמיס את המשטחים החיצוניים של המפרק.

• ניתן לבצע ריתוך קת על ידי הפניית האנרגיה לכיוון קו המפרק בזווית דרך חומר בצד אחד של המפרק, או מקצה אחד אם החומר הוא בעל עבירה גבוהה.

הלחמה והלחמה בלייזר

• בתהליכי הלחמה והלחמה בלייזר, הקורה משמשת להמסת תוספת מילוי, אשר מרטיבה את קצוות המפרק מבלי להמיס את חומר הבסיס.

• הלחמת לייזר החלה לצבור פופולריות בתחילת שנות ה-1980 עבור חיבור הלידים של רכיבים אלקטרוניים דרך חורים במעגלים מודפסים. פרמטרי התהליך נקבעים על פי תכונות החומר.

ריתוך בלייזר חדירה

• בצפיפות הספק גבוהה כל החומרים יתנדפו אם ניתן יהיה לספוג את האנרגיה. לפיכך, כאשר ריתוכים בדרך זו נוצר בדרך כלל חור על ידי אידוי.

• "חור" זה עובר דרך החומר כשהקירות המותכים נאטמים מאחוריו.

• התוצאה היא מה שמכונה "ריתוך חור מפתח. זה מאופיין באזור היתוך המקביל שלו וברוחבו הצר.

יעילות ריתוך בלייזר

• מונח להגדרת מושג זה של יעילות מכונה "יעילות ההצטרפות".

• יעילות ההצטרפות אינה יעילות אמיתית בכך שיש לה יחידות של (mm2 joined /kJ מסופק).

– יעילות=Vt/P (ההדדיות של האנרגיה הספציפית בחיתוך) כאשר V = מהירות המעבר, מ"מ/שניות; t = עובי מרותך, מ"מ; P = כוח אירוע, KW.

הצטרפות ליעילות

• ככל שערך יעילות ההצטרפות גבוה יותר כך מושקעת פחות אנרגיה בחימום מיותר.

- אזור מושפע חום נמוך יותר (HAZ).

- עיוות נמוך יותר.

• ריתוך התנגדות הוא היעיל ביותר מבחינה זו מכיוון שאנרגיית ההיתוך ו-HAZ נוצרת רק בממשק ההתנגדות הגבוהה שיש לרתך.

• ללייזר ולאלקטרון יש גם יעילות טובה וצפיפות הספק גבוהה.

וריאציות של תהליך

• ריתוך לייזר מוגבר בקשת.

– הקשת של לפיד TIG המותקן קרוב לנקודת האינטראקציה של קרן הלייזר תינעל אוטומטית על הנקודה החמה שנוצרה בלייזר.

– הטמפרטורה הנדרשת לתופעה זו היא בסביבות 300 מעלות צלזיוס מעל הטמפרטורה שמסביב.

– ההשפעה היא לייצב קשת שאינה יציבה בגלל מהירות המעבר שלה או להפחית את ההתנגדות של קשת שהיא יציבה.

- הנעילה מתרחשת רק עבור קשתות עם זרם נמוך ולכן סילון קתודה איטי; כלומר, עבור זרמים פחות מ-80A.

– הקשת נמצאת באותו צד של חומר העבודה כמו הלייזר המאפשר הכפלת מהירות הריתוך לעלייה מתונה בעלות ההון.

• ריתוך לייזר Twin Beam

- אם נעשה שימוש ב-2 קרני לייזר בו-זמנית, ישנה אפשרות לשלוט בגיאומטריית בריכת הריתוך ובצורת חרוז הריתוך.

- באמצעות 2 קרני אלקטרונים, ניתן לייצב את חור המנעול ולגרום לפחות גלים על בריכת הריתוך ולתת חדירה וצורת חרוזים טובים יותר.

– אקסימר ו CO2 שילוב קרן לייזר הראה צימוד משופר לריתוך של חומרים בעלי רפלקטיביות גבוהה, כגון אלומיניום או נחושת.

- הצימוד המשופר נחשב בעיקר בשל:

• שינוי רפלקטיביות על ידי גלים משטח הנגרמת על ידי האקסימר.

• אפקט משני הנובע מהצימוד דרך הפלזמה שנוצרה באקסימר.