השוואה של השפעות ריתוך של לייזרים עם קוטרי ליבה שונים
עיבוד חומרי מתכת בלייזר הוא בעיקר עיבוד תרמי המבוסס על האפקט הפוטותרמי. כאשר הלייזר מקרין את פני החומר, שטח הפנים של החומר יעבור שינויים שונים תחת צפיפויות כוח שונות. שינויים אלה כוללים טמפרטורת פני השטח מוגברת, התכה, אידוי, היווצרות חור מפתח ויצירת פוטופלזמה. יתרה מכך, השינוי במצב הפיזי של אזור פני החומר משפיע מאוד על קליטת אור הלייזר של החומר. באופן כללי, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך קצב הספיגה של אור הלייזר של החומר גבוה יותר. עם הגדלת צפיפות ההספק וזמן הפעולה, חומר המתכת יעבור את שינויי המצב הפיזי הבאים, כפי שמוצג באיור 1 [1].
קיימות שתי ליבות של ריתוך לייזר: העברת חום והולכת חום. העברת חום קשורה למקור חום, צפיפות הספק ואנרגיית קו; זרימת אוויר לכוונון עדין. בתהליך הריתוך, מקור החום, צפיפות ההספק ואנרגיית הקו מותאמים בעיקר. פרמטרי התהליך המעורבים כוללים: בחירת קוטר ליבת הלייזר, הספק, מהירות וכמות דה-פוקוס. בהתחשב בכך שמאמר זה מתמקד בעיקר בלייזרים בעלי קוטרי ליבה שונים וכולל בעיקר צפיפות הספק שונים, איור 2 מציג את נוסחת החישוב הפשוטה של צפיפות הספק:
ישנם שני סוגים עיקריים של ריתוך בלייזר לפי קצב הספיגה של תהליך הריתוך, האחד הוא ריתוך הולכת חום (יחס עומק-רוחב<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
ריתוך הולכת חום בלייזר:
קרינת לייזר שונה תגרום לשינויים שונים במצב החומר, אשר באים לידי ביטוי בתהליך הריתוך כשני מצבי ריתוך אופייניים: ריתוך הולכת חום בלייזר וריתוך חדירה עמוקה בלייזר. תהליך העברת החום, מנגנון יצירת הריתוך, מאפייני התהליך וטווח היישום של השניים שונים מאוד.
מצב ריתוך הולכת חום בלייזר:
במהלך ריתוך הולכת חום, קרינת הלייזר המוקרנת על פני השטח של חומר העבודה היא בטווח של 10E4~10E6W/cm, ואנרגיית הלייזר נספגת בשכבה הדקה של 10~100m על פני השטח. אנרגיית הלייזר על פני השטח מועברת אל פנים החומר על ידי הולכת חום, ולא ניתן לגעת ישירות בלייזר. לאחר תקופה מסוימת של קרינת לייזר, פני השטח מגיעים להמסה, והאיזותרם ההיתוך הזה מתפשט עמוק לתוך החומר, וטמפרטורת פני השטח ממשיכה לעלות. אבל הגבוה ביותר יכול להגיע רק לנקודת הרתיחה של החומר, לא משנה כמה גבוהה הטמפרטורה, החומר יתאדה ויוצר בורות, תהליך ריתוך הולכת החום היציב ייהרס, הבריכה המותכת תתנדנד, והחומר יהיה נשרף. בדרך כלל, ריתוך הולכת חום משמש בעיקר בצלחות דקות. במקרה הזה צריך לשים לזה סוף. עם התנועה היחסית של קרן הלייזר וחומר העבודה, נוצר תפר ריתוך רדוד ורחב, כפי שמוצג באיור 3. יחס העומק לרוחב של תפר הריתוך קטן, ורוחב תפר הריתוך הוא בדרך כלל. יותר מפי שניים מעומק החדירה. האיור שלהלן מציג את מראה החתך של תפר ריתוך אופייני להולכת חום בלייזר, וצורתו של תפר הריתוך היא חצי כדורית בקירוב.
השוואה של לייזרים בקוטר ליבה שונים:
(1) מהירות הניסוי היא 150 מ"מ לשנייה, מיקום המיקוד מרותך, החומר הוא אלומיניום מסדרה אחת, והעובי הוא 2 מ"מ;
(2) ככל שקוטר הליבה גדול יותר, רוחב ההיתוך גדול יותר, האזור המושפע מחום גדול יותר וצפיפות ההספק של היחידה קטנה יותר. כאשר קוטר הליבה עולה על 200um, זה לא קל להשיג עומק חדירה על סגסוגות בעלות תגובה גבוהה כגון אלומיניום ונחושת, ודורש כוח גבוה יותר יכול להשיג ריתוך חדירה עמוק;
(3) ללייזר בקוטר הליבה הקטן יש צפיפות הספק גבוהה, יכול לנקב במהירות חורי מפתח על פני החומר באנרגיה גבוהה, ויש לו אזור קטן מושפע חום, אך בו זמנית פני השטח של הריתוך מחוספס, ההסתברות לקריסה של חור המנעול גבוהה במהלך ריתוך במהירות נמוכה, וחור המנעול נסגר במהלך מחזור הריתוך מחזור ארוך, קל לייצר פגמים, נקבוביות ופגמים אחרים, מתאים לעיבוד מהיר או עיבוד עם מסלול נדנדה;
(4) לייזרים בקוטר גדול מתאימים יותר להמסה מחדש של משטחי לייזר, חיפוי, חישול ותהליכים אחרים בשל הנקודה הגדולה שלהם והאנרגיה המפוזרת יותר.
חומרים רפלקטיביים גבוהים: אלומיניום, נחושת, נירוסטה, ניקל, מוליבדן וכו';
(1) חומרים בעלי רפלקציה גבוהים צריכים לבחור לייזר בקוטר קטן. שימוש בקרן לייזר בצפיפות הספק גבוהה לחימום מהיר של החומר למצב נוזלי או אידוי, שיפור קצב ספיגת החומר בלייזר והשגת עיבוד יעיל ומהיר. קל לבחור לייזר עם קוטר ליבה גדול. להוביל להחזרה גבוהה, להוביל לריתוך וירטואלי, ואפילו לשרוף את הלייזר;
חומרים רגישים לסדקים: ניקל, נחושת מצופה ניקל, אלומיניום, נירוסטה, סגסוגת טיטניום וכו'.
(2) סוג זה של חומר דורש בדרך כלל שליטה קפדנית על האזור המושפע מחום ודורש בריכה מותכת קטנה. יותר נכון לבחור בלייזר בקוטר קטן;
עיבוד לייזר מהיר:
(3) ריתוך חדירה עמוק דורש עיבוד לייזר במהירות גבוהה, ויש צורך לבחור בלייזר עם צפיפות אנרגיה גבוהה כדי להבטיח שאנרגיית הקו מספיקה להמיס את החומר במהירות גבוהה, במיוחד עבור ריתוך ברכיים, ריתוך חדירה, ו ליבות קטנות אחרות הדורשות עומק חדירה גבוה. לייזרים רדיאליים מתאימים יותר.
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
קוטר ליבה גדול ונקודה גדולה, שטח כיסוי חום גדול, משטח פעולה רחב, ומשיגים רק התכה מיקרו על פני החומר, מתאים מאוד ליישומים בחיפוי לייזר, התכה מחדש בלייזר, חישול לייזר, התקשות לייזר וכו'. אזורים, נקודה גדולה פירושה פרודוקטיביות גבוהה יותר ופגמים נמוכים יותר (הלחמת הולכת חום כמעט ללא פגמים).
מבחינת ריתוך, הנקודה הגדולה משמשת בעיקר לריתוך מרוכב, המשמש לשילוב עם לייזר בקוטר ליבה קטן: הנקודה הגדולה גורמת להמסה קלה של פני החומר, תוך ביצוע הפיכה ממוצק לנוזל, מה שמשפר מאוד את קצב הספיגה של החומר ללייזר, ולאחר מכן משתמש בליבה קטנה בתהליך זה, עקב חימום מוקדם של הנקודה הגדולה, לאחר העיבוד, ושיפוע הטמפרטורה הגדול שניתן לבריכה המותכת, החומר אינו נוטה לפגמי סדקים הנגרמים על ידי חימום מהיר וקירור מהיר. זה יכול להפוך את מראה הריתוך לחלק יותר, ובמקביל להשיג ניתזים נמוכים יותר מפתרון הלייזר היחיד.
