ריתוך בלייזר יכול להתבצע באמצעות מחולל לייזר רציף או פולס. ניתן לחלק את עקרון ריתוך הלייזר לריתוך הולכת חום וריתוך היתוך עמוק בלייזר. צפיפות הספק נמוכה מ-104~105 וואט/סמ"ר היא ריתוך הולכת חום, בשלב זה, עומק ההיתוך ומהירות הריתוך איטית; כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-105~107 וואט/סמ"ר, פני המתכת קעורים ל"חורי מנעול" תחת פעולת החום, ויוצרים ריתוך היתוך עמוק, בעל מאפיינים של מהירות ריתוך מהירה ויחס עומק-רוחב גדול.
היום, נסקור בעיקר את הידע של הגורמים העיקריים המשפיעים על איכות ריתוך היתוך עמוק בלייזר.
1. כוח לייזר
בריתוך לייזר עמוק, עוצמת הלייזר שולטת הן בעומק החדירה והן במהירות הריתוך. עומק הריתוך קשור ישירות לצפיפות עוצמת הקרן והוא פונקציה של עוצמת הקרן הפוגעת ונקודת המוקד של הקרן. באופן כללי, עבור קרן לייזר בקוטר מסוים, עומק החדירה עולה עם הגדלת עוצמת הקרן.
2. נקודת מוקד
גודל נקודת הקרן הוא אחד המשתנים החשובים ביותר בריתוך לייזר מכיוון שהוא קובע את צפיפות ההספק. אך מדידתה היא אתגר עבור לייזרים בעלי הספק גבוה, למרות שקיימות טכניקות מדידה עקיפות רבות.
ניתן לחשב את גודל נקודת הגבול של מוקד הקרן לפי תורת העקיפה, אך גודל הנקודה בפועל גדול מהערך המחושב עקב החזרת מוקד ירודה. שיטת המדידה הפשוטה ביותר היא שיטת פרופיל הטמפרטורה האיזו, המודדת את קוטר נקודת המוקד והניקוב לאחר שהנייר העבה נשרף וחודר דרך לוח הפוליפרופילן. שיטה זו, באמצעות תרגול מדידה, שולטת בגודל עוצמת הלייזר ובזמן פעולת הקרן.
3. גז מגן
תהליך ריתוך בלייזר משתמש לעתים קרובות בגזים מגנים (הליום, ארגון, חנקן) כדי להגן על בריכת הריתוך המותכת, ולמנוע חמצון של חומר העבודה בתהליך הריתוך. הסיבה השנייה לשימוש בגז מגן היא להגן על עדשת המיקוד מפני זיהום על ידי אדי מתכת ותזות על ידי טיפות נוזל. במיוחד בריתוך לייזר בהספק גבוה, הגז הנפלט הופך חזק מאוד, ויש צורך להגן על העדשה. ההשפעה השלישית של גז המגן היא שהוא יעיל מאוד בפיזור מיגון הפלזמה המיוצר על ידי ריתוך לייזר בהספק גבוה. אדי המתכת סופגים את קרן הלייזר ומייננים לענן פלזמה. גז המגן סביב אדי המתכת גם הוא מיינן עקב חום. אם יש יותר מדי פלזמה, קרן הלייזר נצרכת איכשהו על ידי הפלזמה. כאנרגיה שנייה, פלזמה קיימת על משטח העבודה, מה שהופך את עומק הריתוך לרדוד יותר ואת משטח בריכת הריתוך לרחב יותר.
כיצד לבחור גז מגן מתאים?
4. קצב ספיגה
ספיגת הלייזר של החומר תלויה בכמה תכונות חשובות של החומר, כגון קצב ספיגה, רפלקטיביות, מוליכות תרמית, טמפרטורת התכה וטמפרטורת אידוי. מבין כל הגורמים, החשוב ביותר הוא קצב הספיגה.
שני גורמים משפיעים על קצב הספיגה של החומר בקרן הלייזר. הראשון הוא מקדם ההתנגדות של החומר. נמצא שקצב הספיגה של החומר פרופורציונלי לשורש הריבועי של מקדם ההתנגדות, ומקדם ההתנגדות משתנה עם הטמפרטורה. שנית, למצב פני השטח (או הגימור) של החומר יש השפעה חשובה על קצב הספיגה של הקרן, דבר שיש לו השפעה משמעותית על אפקט הריתוך.
5. מהירות ריתוך
למהירות הריתוך יש השפעה רבה על עומק החדירה. הגדלת המהירות תהפוך את עומק החדירה לרדוד יותר, אך מהירות נמוכה מדי תוביל להמסה מוגזמת של החומרים ולריתוך של חומר העבודה. לכן, קיים טווח מהירויות ריתוך מתאים לחומר מסוים עם עוצמת לייזר מסוימת ועובי מסוים, וניתן להשיג את עומק החדירה המרבי בערך המהירות המתאים.
6. אורך מוקד עדשת המיקוד
עדשת מיקוד מותקנת בדרך כלל בראש אקדח הריתוך, בדרך כלל נבחר אורך מוקד של 63~254 מ"מ (קוטר 2.5 אינץ'~10 אינץ'). גודל נקודת המיקוד הוא פרופורציונלי לאורך המוקד, ככל שאורך המוקד קצר יותר, כך הנקודה קטנה יותר. עם זאת, אורך אורך המוקד משפיע גם על עומק המיקוד, כלומר, עומק המיקוד גדל באופן סינכרוני עם אורך המוקד, כך שאורך מוקד קצר יכול לשפר את צפיפות ההספק, אך מכיוון שעומק המיקוד קטן, יש לשמור במדויק על המרחק בין העדשה לחומר העבודה, ועומק החדירה אינו גדול. עקב השפעת התזות ומצב הלייזר במהלך הריתוך, עומק המוקד הקצר ביותר המשמש בריתוך בפועל הוא לרוב 126 מ"מ (קוטר 5 אינץ'). ניתן לבחור עדשה עם אורך מוקד של 254 מ"מ (קוטר 10 אינץ') כאשר התפר גדול או שיש להגדיל את הריתוך על ידי הגדלת גודל הנקודה. במקרה זה, נדרשת הספק פלט לייזר גבוה יותר (צפיפות הספק) כדי להשיג את אפקט חור החדירה העמוק.
שאלות נוספות בנוגע למחיר ותצורה של מכונת ריתוך לייזר ידנית
זמן פרסום: 27 בספטמבר 2022