1. מבוא
ריתוך לייזר תופס עמדה חשובה בייצור תעשייתי עם הדיוק הגבוה והיעילות הגבוהה שלה. עם זאת, במרדף אחר יעילות ריתוך גבוהה יותר וחיבור חומר עבה יותר, ריתוך לייזר כוח מסורתי גבוה {}}} נתקל בצוואר בקבוק. פלומות פלזמה חזקות, בורדות באלימות בריכות מותכות ומגבילות את התרחבותה נוספת של יישומה. בהקשר זה החוקרים הפנו את תשומת ליבם לסביבת תהליכים מיוחדת - ואקום. טכנולוגיית ריתוך לייזר ואקום משלבת לייזרי חשמל גבוהים {}}} עם סביבות לחץ נמוכות - כדי להשיג עומק חדירה גדול יותר. עם התפתחות מהירה של לייזרי כוח גבוהים- בשנים האחרונות, טכנולוגיה זו הובילה חיים חדשים, ומציגה ערך מחקר רב ופוטנציאל יישומים.
2. השוואה בין ריתוך לייזר ואקום לריתוך לייזר
בהשוואה לריתוך לייזר מסורתי בסביבה אטמוספרית, ריתוך לייזר בוואקום או בסביבת הלחץ הנמוכה {}}} יעברו שינויים מהותיים בתהליך הפיזי ובהשפעת הריתוך שלה. היתרון המשמעותי ביותר הוא העלייה החדה בעומק הריתוך. כמות גדולה של נתונים ניסויים מראה כי ככל שהלחץ הסביבתי יורד, עומק החדירה לריתוך יגדל באופן משמעותי, ובתנאים מסוימים הוא יכול להגיע פעמיים או אפילו יותר מזה בסביבה האטמוספרית. לשיפור זה יש מרווח "לחץ קריטי", בדרך כלל בין 0.1 kPa ל- 10 kPa. כאשר לחץ הסביבה נמוך מהסף זה, המגמה ההולכת וגוברת של עומק החדירה תהיה רוויה או אפילו יפחת מעט. לפיכך, ריתוך לייזר ואקום יכול להשיג עומק חדירה של כ- 50 מ"מ בעוצמת לייזר של 16 קילוואט, שהוא הרבה מעבר לריתוך בסביבה האטמוספרית ומגיע לרמה הדומה לזו של ריתוך קרן האלקטרונים, אך התואר ואקום הנדרש הוא שני מסדרים בעוצמה נמוכה מזו של ריתוך קרן האלקטרונים. יחד עם זאת, הגיאומטריה של הריתוך מותאמת מאוד גם היא, הופכת עמוקה וצרה יותר ויוצרת מורפולוגיה ריתוך עמוקה ומקבילה הדומה לזו של ריתוך קרני האלקטרונים. אפקט העמקה זה ברור במיוחד כאשר ריתוך במהירויות נמוכות עד בינוניות (בערך 3.0 מ '/דקה או פחות), וכאשר מהירות הריתוך עולה על 4 מ'/דקה, השפעת הלחץ הסביבה הופכת להיות זניחה.
סביבת הוואקום פותרת באופן בסיסי את בעיית הפלומה בפלזמה בכתובת ריתוך לייזר כוח מסורתית גבוהה-. בריתוך מסורתי, אדי המתכת שנוצרו על ידי פעולת לייזר וחומר יהוו פלומת פלזמה גבוהה- בהירות, שתפזר, ישברו ויקלטו את לייזר האירוע, ויווצרו "אפקט מיגון", ובכך יפחיתו את האנרגיה היעילה המגיעה לחומר העבודה והשפעה על עומק ההתייחסות והמעבד. בסביבת ואקום, כאשר לחץ הסביבה יורד מ- 101 kPa (לחץ אטמוספרי), גודל ובהירותו של פלומת הפלזמה יורדים בחדות. כאשר הלחץ יורד ל -10 kPa, הזוהר החזק והתופעה המפזרת נעלמים בעצם; כאשר הלחץ מופחת עוד יותר ל 0.1 kPa, פלומת הפלזמה מדוכאת כמעט לחלוטין ובלתי נראית לעין בלתי מזוינת. היעלמות הפלזמה פירושה שאנרגיית הלייזר יכולה להיות מועברת לעומק היצירה ביציבות ויעילה יותר, מה שהופך את כל תהליך הריתוך ליציב יותר.
שיפור זה ביציבות התהליכים בא לידי ביטוי ישירות באופטימיזציה של ההתנהגות הדינאמית של הבריכה המותכת וחור המפתח, מה שמוביל בסופו של דבר לקפיצה באיכות הריתוך. תצפיות מצלמה מהירות גבוהות - מצאו כי בתנאי ואקום, הקוטר הממוצע של הכניסה לחור המפתח פחת, והבריכה המותכת פני השטח הפכה צרה ויציבה יותר. X - Ray Real - תצפיות זמן גילו עוד יותר כי עומק חור המפתח בוואקום גדל משמעותית, וזווית הנטייה של קיר קדמי חור המפתח גדלה. זרימת חור מפתח ויציבה יותר וזרימת בריכה מותכת מפחיתה מאוד פגמים לריתוך כמו נקבוביות וריסוק הנגרמים כתוצאה מהתמוטטות חור המפתח או תנודות אלימות בבריכה המותכת, ובכך משיגים ריתוכים נקבוביים באיכות גבוהה יותר, צפופה ולא {}}}.
3. יישום ריתוך לייזר ואקום
בהתבסס על היתרונות המשמעותיים שלה בתהליך יציב, אין פיצוץ ואיכות ריתוך גבוהה, אם כי טכנולוגיית ריתוך לייזר ואקום עדיין נמצאת בשלבים המוקדמים של היישום, היא הראתה פוטנציאל רב בשדות ייצור דיוק של דרישה {}} כמו תעשיית הרכב. זה מתאים מאוד לייצור רכיבי מתח הרכב. כמה מוסדות מחקר וחברות בגרמניה יישמו זאת בהצלחה על ייצור המוני של רכיבי העברה כמו מתלי הילוכים פלנטריים, כפי שמוצג באיור 4. באמצעות ריתוך לייזר ואקום, חיבור הדיוק של רכיבי הילוכים עם עומק חדירה מקסימום של 25 מ"מ יכול היה להשלים את המפרקים ללא תום, וזיהום}. להתקבל.
בנוסף, טכנולוגיה זו השיגה גם פריצות דרך משמעותיות בתחום ריתוך הצלחות העבות, ופתחה דרך חדשה לריתוך יעיל ויחיד {}}} העבר ריתוך צלחות עבות לריתוך לייזר, המשמש בעיקר למבני צלחת דקים. ריתוך לייזר ואקום מסוגל לריתוך צלחות עבות של חומרים שונים כמו פלדה מבנית, נירוסטה, ניקל {}}} סגסוגות מבוססות, סגסוגות טיטניום ואפילו סגסוגות נחושת. מחקרים מראים כי עם כוח לייזר של 16 קילוואט, צלחת פלדה S690QL בעובי של 50 מ"מ וניתן לרתך סגסוגת מבוססת 38 מ"מ -, במהירות נמוכה במהירות אחת, עם היווצרות ריתוך טובה. יכולת עוצמתית זו מאפשרת לו לאתגר ישירות את מיקום ריתוך קרני האלקטרונים בשדה ריתוך צלחות עבות, ויש לה גם יתרונות נוספים כגון דרישות ואקום נמוכות יותר ולא בעיות הגנת קרינת Ray.
טכנולוגיית ריתוך לייזר ואקום מתגברת ביעילות על צווארי בקבוק כגון הפרעות בפלזמה ובריכה מותכת לא יציבה בכתובת מסורתית גבוהה - ריתוך כוח על ידי הצבת ריתוך לייזר בסביבת לחץ נמוכה-. היתרון המשמעותי ביותר של טכנולוגיה זו הוא בכך שהיא יכולה להגדיל מאוד את חדירת הריתוך, אשר בדרך כלל יכולה להגיע ליותר מפי שניים מהסביבה האטמוספרית, וליצור ריתוכים עמוקים ומקבילים הדומים לריתוך קרני אלקטרונים, ואילו התואר ואקום הנדרש נמוך בהרבה מזו של ריתוך קרן האלקטרונים. קפיצת מדרגה זו נובעת מהדיכוי האפקטיבי של פלומת הפלזמה על ידי סביבת הוואקום, ובכך משפרת את ניצול האנרגיה ויציבות התהליכים; יחד עם זאת, התנהגות דינאמית של חור המפתח היציב יותר והבריכה המותכת גם מפחיתה מאוד פגמים כמו נקבוביות ומריס, ומשיג ריתוכים באיכות גבוהה יותר. עם היתרונות הללו, ריתוך לייזר ואקום הוחל בהצלחה על ייצור דיוק של רכיבי מתח רכב ורכיב רכב ויחיד - העבר ריתוך של צלחות עבות של חומרים שונים, ומראה את הפוטנציאל לאתגר ריתוך קרני אלקטרונים.
