ריתוך לייזר יכול להתבצע על ידי מחולל הלייזר הרציף או הדופק. ניתן לחלק את העיקרון של ריתוך לייזר לריתוך הולכת חום ולריתוך היתוך עמוק בלייזר. צפיפות הספק פחות מ-104~105 W/cm2 היא ריתוך הולכת חום, בשלב זה, עומק ההיתוך ומהירות הריתוך איטית; כאשר צפיפות ההספק גדולה מ-105~107 W/cm2, משטח המתכת קעור ל"חורי מפתח" תחת פעולת החום, ויוצר ריתוך היתוך עמוק, בעל המאפיינים של מהירות ריתוך מהירה ויחס רוחב עומק גדול.
היום, נעסוק בעיקר בידע של גורמים מרכזיים המשפיעים על איכות ריתוך היתוך עמוק בלייזר
1. כוח לייזר
בריתוך היתוך עמוק בלייזר, כוח הלייזר שולט גם בעומק החדירה וגם במהירות הריתוך. עומק הריתוך קשור ישירות לצפיפות ההספק של האלומה והוא פונקציה של כוח האלומה הפוגעת ונקודת מוקד האלומה. באופן כללי, עבור קרן לייזר בקוטר מסוים, עומק החדירה גדל עם עליית כוח הקרן.
2. נקודת מוקד
גודל נקודת הקרן הוא אחד המשתנים החשובים ביותר בריתוך בלייזר מכיוון שהוא קובע את צפיפות ההספק. אבל מדידת זה היא אתגר עבור לייזרים בעלי הספק גבוה, אם כי קיימות טכניקות מדידה עקיפות רבות זמינות.
ניתן לחשב את גודל נקודת העקיפה של מוקד הקרן על פי תיאוריית העקיפה, אך גודל הנקודה בפועל גדול מהערך המחושב בשל קיומה של השתקפות מוקד לקויה. שיטת המדידה הפשוטה ביותר היא שיטת פרופיל איזו-טמפרטורה, המודדת את קוטר הנקודה המוקדית והניקוב לאחר שריפת הנייר העבה וחודרת דרך לוחית הפוליפרופילן. שיטה זו באמצעות תרגול המדידה, שולטת בגודל כוח הלייזר ובזמן פעולת האלומה.
3. גז מגן
תהליך ריתוך הלייזר משתמש לעתים קרובות בגזי הגנה (הליום, ארגון, חנקן) כדי להגן על הבריכה המותכת, ולמנוע מחמצון היצירה בתהליך הריתוך. הסיבה השנייה לשימוש בגז מגן היא להגן על עדשת המיקוד מפני זיהום על ידי אדי מתכת והתזת על ידי טיפות נוזלים. במיוחד בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה, הפליטה הופכת לעוצמתית מאוד, יש צורך להגן על העדשה. ההשפעה השלישית של גז המגן היא שהוא יעיל מאוד בפיזור מיגון הפלזמה המיוצר בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה. אדי המתכת סופגים את קרן הלייזר ומתייננים לענן פלזמה. גז המגן סביב אדי המתכת מיינן גם הוא עקב חום. אם יש יותר מדי פלזמה, קרן הלייזר נצרכת איכשהו על ידי הפלזמה. כאנרגיה השנייה, פלזמה קיימת על משטח העבודה, מה שהופך את עומק הריתוך לרדוד יותר ואת משטח בריכת הריתוך רחב יותר.
איך בוחרים גז מגן מתאים?
4. שיעור ספיגה
ספיגת הלייזר של החומר תלויה בכמה תכונות חשובות של החומר, כגון קצב ספיגה, רפלקטיביות, מוליכות תרמית, טמפרטורת התכה וטמפרטורת אידוי. בין כל הגורמים, החשוב ביותר הוא קצב הספיגה.
שני גורמים משפיעים על קצב הספיגה של החומר לקרן הלייזר. הראשון הוא מקדם ההתנגדות של החומר. נמצא שקצב הספיגה של החומר הוא 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 הקורה, אשר משפיעה משמעותית על אפקט הריתוך.
5. מהירות ריתוך
למהירות הריתוך יש השפעה רבה על עומק החדירה. הגדלת המהירות תהפוך את עומק החדירה לרדוד יותר, אך נמוך מדי יוביל להתכה מוגזמת של חומרים ולריתוך של חלקי העבודה. לכן, קיים טווח מהירות ריתוך מתאים לחומר מסוים בעל עוצמת לייזר מסוימת ובעובי מסוים, וניתן לקבל את עומק החדירה המרבי בערך המהירות המתאים.
6. אורך מוקד של עדשת הפוקוס
עדשת פוקוס מותקנת בדרך כלל בראש אקדח הריתוך, בדרך כלל, נבחר אורך מוקד של 63~254 מ"מ (קוטר 2.5 "~10"). גודל נקודת המיקוד הוא פרופורציונלי לאורך המוקד, ככל שאורך המוקד קצר יותר, הנקודה קטנה יותר. עם זאת, אורך אורך המוקד משפיע גם על עומק המיקוד, כלומר, עומק המיקוד גדל באופן סינכרוני עם אורך המוקד, כך שאורך המוקד הקצר יכול לשפר את צפיפות הכוח, אך מכיוון שעומק הפוקוס קטן, המרחק בין העדשה לחומר העבודה יש לשמור במדויק, ועומק החדירה אינו גדול. בשל השפעת השפריצים ומצב הלייזר במהלך הריתוך, עומק המוקד הקצר ביותר בשימוש בריתוך בפועל הוא לרוב 126 מ"מ (קוטר 5 אינץ'). ניתן לבחור עדשה באורך מוקד של 254 מ"מ (קוטר 10 אינץ') כאשר התפר גדול. או שיש להגדיל את הריתוך על ידי הגדלת גודל הנקודה. במקרה זה, נדרש כוח פלט לייזר גבוה יותר (צפיפות הספק) כדי להשיג את אפקט חור החדירה העמוק.
שאלות נוספות על מחיר ותצורה של מכונת ריתוך לייזר כף יד
זמן פרסום: 27 בספטמבר 2022