לייזר CW ו-QCW לייזר בריתוך

מאפייני חלוקת אנרגיה

תכונה בולטת של לייזרים CW היא התפלגות האנרגיה הגאוסית שלהם, שבה התפלגות האנרגיה של חתך קרן הלייזר פוחתת מהמרכז כלפי חוץ בתבנית גאוסית (התפלגות נורמלית). מאפיין הפצה זה מאפשר ללייזרי CW להשיג דיוק מיקוד גבוה במיוחד ויעילות עיבוד, במיוחד ביישומים הדורשים פריסת אנרגיה מרוכזת.

תרשים חלוקת אנרגיה בלייזר CW

היתרונות של ריתוך לייזר בגל מתמשך (CW).

פרספקטיבה מיקרו-סטרוקטורלית

בחינת המבנה המיקרו של מתכות מגלה יתרונות ברורים של ריתוך לייזר בגל מתמשך (Continuous Wave) על פני ריתוך דופק Quasi-Continuous Wave (QCW). ריתוך דופק QCW, מוגבל על ידי מגבלת התדר שלו, בדרך כלל בסביבות 500 הרץ, עומד בפני פשרות בין קצב חפיפה לעומק החדירה. קצב חפיפה נמוך מביא לחוסר עומק, בעוד שקצב חפיפה גבוה מגביל את מהירות הריתוך ומפחית את היעילות. לעומת זאת, ריתוך לייזר CW, באמצעות בחירת קוטרי ליבות לייזר וראשי ריתוך מתאימים, משיג ריתוך יעיל ורציף. שיטה זו מתגלה כאמינה במיוחד ביישומים הדורשים שלמות איטום גבוהה.

שיקול של השפעה תרמית

מנקודת המבט של השפעה תרמית, ריתוך לייזר דופק QCW סובל מבעיית החפיפה, מה שמוביל לחימום חוזר של תפר הריתוך. זה יכול להכניס חוסר עקביות בין מבנה המיקרו של המתכת לחומר האב, כולל שינויים בגדלים של נקע וקצבי קירור, ובכך להגביר את הסיכון להיסדק. ריתוך לייזר CW, לעומת זאת, מונע בעיה זו על ידי מתן תהליך חימום אחיד ורציף יותר.

קלות התאמה

מבחינת תפעול והתאמה, ריתוך לייזר QCW דורש כוונון קפדני של מספר פרמטרים, לרבות תדירות חזרת הפולסים, הספק שיא, רוחב הפולסים, מחזור העבודה ועוד. ריתוך לייזר CW מפשט את תהליך ההתאמה, תוך התמקדות בעיקר בצורת הגל, המהירות, ההספק וכמות דה-פוקוס, ומקלה משמעותית על הקושי התפעולי.

התקדמות טכנולוגית בריתוך לייזר CW

בעוד ריתוך לייזר QCW ידוע בעוצמת השיא הגבוהה שלו ובכניסה תרמית נמוכה, מועיל לריתוך רכיבים רגישים לחום וחומרים בעלי דופן דק במיוחד, התקדמות בטכנולוגיית ריתוך לייזר CW, במיוחד עבור יישומים בעלי הספק גבוה (בדרך כלל מעל 500 וואט) ו ריתוך חדירה עמוק המבוסס על אפקט חור המנעול, הרחיב משמעותית את טווח היישום והיעילות שלו. סוג זה של לייזר מתאים במיוחד לחומרים העבים מ-1 מ"מ, ומשיג יחסי רוחב-גובה (מעל 8:1) למרות קלט חום גבוה יחסית.

ריתוך לייזר מסוג Quasi-Continuous Wave (QCW).

הפצת אנרגיה ממוקדת

QCW, ראשי תיבות של "Quasi-Continuous Wave", מייצגת טכנולוגיית לייזר שבה הלייזר פולט אור באופן לא רציף, כפי שמתואר באיור א. בניגוד לחלוקת האנרגיה האחידה של לייזרים מתמשכים במצב יחיד, לייזרים QCW מרכזים את האנרגיה שלהם בצפיפות רבה יותר. מאפיין זה מעניק ללייזרי QCW צפיפות אנרגיה מעולה, המתורגמת ליכולות חדירה חזקות יותר. האפקט המתכתי שנוצר דומה לצורת "מסמר" עם יחס עומק לרוחב משמעותי, המאפשר ללייזרי QCW להצטיין ביישומים הכוללים סגסוגות בעלות השתקפות גבוהה, חומרים רגישים לחום וריתוך מיקרו מדויק.

יציבות משופרת והפחתת הפרעות פלומה

אחד היתרונות הבולטים של ריתוך בלייזר QCW הוא יכולתו למתן את ההשפעות של פלומת מתכת על קצב הספיגה של החומר, מה שמוביל לתהליך יציב יותר. במהלך אינטראקציה בין חומר לייזר, אידוי אינטנסיבי יכול ליצור תערובת של אדי מתכת ופלזמה מעל בריכת ההיתוך, המכונה בדרך כלל פלומת מתכת. פלומה זו יכולה להגן על פני החומר מהלייזר, ולגרום לאספקת חשמל לא יציבה ולפגמים כמו ניתזים, נקודות פיצוץ ובורות. עם זאת, הפליטה לסירוגין של לייזרים QCW (למשל, פרץ של 5ms ואחריו הפסקה של 10ms) מבטיחה שכל פעימת לייזר מגיעה לפני השטח של החומר לא מושפעת מנוצת מתכת, וכתוצאה מכך תהליך ריתוך יציב במיוחד, יתרון במיוחד עבור ריתוך יריעות דק.

דינמיקת בריכת נמס יציבה

הדינמיקה של בריכת ההיתוך, במיוחד מבחינת הכוחות הפועלים על חור המנעול, היא מכרעת בקביעת איכות הריתוך. לייזרים רציפים, בשל החשיפה הממושכת שלהם ואזורים גדולים יותר מושפעי חום, נוטים ליצור בריכות נמס גדולות יותר מלאות במתכת נוזלית. זה יכול להוביל לליקויים הקשורים לבריכות נמס גדולות, כגון קריסת חור המנעול. לעומת זאת, האנרגיה הממוקדת וזמן האינטראקציה הקצר יותר של ריתוך לייזר QCW מרכזים את בריכת ההיתוך סביב חור המנעול, וכתוצאה מכך חלוקת כוח אחידה יותר ושכיחות נמוכה יותר של נקבוביות, סדקים ונתזים.