מהם הפרמטרים העיקריים לריתוך חדירה עמוקה בלייזר (3)

גז מגן

בתהליך ריתוך הלייזר משתמשים לרוב בגז האינרטי להגנה על הבריכה המותכת. כאשר חומרים מסוימים מולחמים, לא ניתן יהיה להתחשב בחמצון פני השטח, אך ייתכן שלא ניתן יהיה להתחשב בהגנה. עם זאת, עבור רוב היישומים, הליום, ארגון, חנקן וגזים אחרים משמשים לעיתים קרובות כהגנה על מנת להפוך את חומר העבודה למניעת חמצון במהלך הריתוך.

לא קל ליינן הליום (אנרגיית יינון גבוהה יותר), המאפשרת לייזר לעבור בצורה חלקה, ואנרגיית הקורה מגיעה אל פני השטח של חומר העבודה ללא מפריע. זהו גז המיגון היעיל ביותר המשמש לריתוך לייזר, אך הוא יקר יותר.

ארגון זול וצפוף יותר ולכן אפקט ההגנה טוב יותר. עם זאת, הוא חשוף ליינון פלזמה מתכתית בטמפרטורה גבוהה, המגן על חלק מהקרן מפני הכוונה לחומר העבודה, מפחית את כוח הלייזר היעיל לריתוך, וגם פוגע במהירות הריתוך וחדירתו. פני הריתוך המוגנים על ידי ארגון הם חלקים יותר מאשר כאשר הם מוגנים על ידי הליום.

חנקן הוא גז המגן הזול ביותר, אך הוא אינו מתאים לריתוך סוגים מסוימים של נירוסטה, בעיקר בגלל בעיות מתכות, כמו לפעמים לייצר נקבוביות באזור החפיפה.

התפקיד השני של שימוש בגז מגן הוא להגן על עדשת המיקוד מפני זיהום אדי מתכת והתזה של טיפות נוזלים. במיוחד בריתוך לייזר בעוצמה גבוהה, מכיוון שהחומר שנפלט חזק מאוד, יש צורך להגן על העדשה בשלב זה.

התפקיד השלישי של גז המגן הוא להפיץ את מיגון הפלזמה המיוצר על ידי ריתוך לייזר בעל הספק גבוה. אדי המתכת סופגת את האנרגיה של קרן הלייזר ומתייעלת לענן פלזמה, וגז המסוכך סביב אדי המתכת מיונן גם הוא באמצעות חימום. אם יש יותר מדי פלזמה, אנרגיה קרן הלייזר נצרכת על ידי הפלזמה במידה מסוימת. פלזמה קיימת על פני השטח של חומר העבודה כמקור אנרגיה שני, מה שהופך את עומק החדירה לרדוד ואת פני בריכת הריתוך לרחבה יותר. הגדל את קצב שילוב האלקטרונים על ידי הגדלת התנגשות תלת-גופית של אלקטרונים עם אטומים ניטרליים כדי להפחית את צפיפות האלקטרונים בפלזמה. ככל שהאטום הנייטרלי קל יותר, כך תדירות ההתנגשות גבוהה יותר ושיעור הרקבומינציה גבוה יותר. מצד שני, רק גז המגן עם אנרגיית יינון גבוהה לא יגדיל את צפיפות האלקטרונים עקב יינון הגז עצמו.

טבלה 1. אנרגיה המונית (מולקולה) ואנרגיה מייננת של גמישות ומתכות

מהטבלה ניתן לראות כי גודל הפלזמה קשור לגז המסוכנים השונים המשמש, הליום הוא הקטן ביותר, ואחריו חנקן, והגדול ביותר כאשר משתמשים בארגון. ככל שגודל הפלזמה גדול יותר, כך עומק החדירה יהיה רדוד יותר. מידת היינון וצפיפות הגז עושים את ההבדל בגודל הפלזמה.

להליום יש הכי פחות יינון וצפיפות. זה יכול במהירות לגרש את אדי המתכת העולה שנוצרת מבריכת המתכת המותכת. לכן, השימוש בהליום כגז מגן יכול לדכא את הפלזמה במידה רבה ביותר, ובכך להגדיל את עומק החדירה ולהגדיל את מהירות הריתוך; בגלל משקלו הקל הוא יכול להימלט ולא קל לגרום לנקבוביות. כמובן שמאפקט הריתוך בפועל, ההשפעה של הגנת ארגון אינה רעה. ההשפעה של ענן הפלזמה על החדירה בולטת ביותר באזור מהירות הריתוך הנמוכה. כאשר מהירות הריתוך תגבר, השפעתה תיחלש.

גז המגן נפלט דרך פתח הזרבובית בלחץ מסוים להגיע אל פני שטח החומר. הצורה ההידרו-דינמית של הזרבובית וקוטר השקע חשובים מאוד. עליו להיות גדול מספיק בכדי להניע את גז המיגון המרוסס בכדי לכסות את משטח הריתוך, אך על מנת להגן על העדשה בצורה יעילה ולמנוע זיהום אדי מתכת או נזק להתיז מתכת בעדשה, יש להגביל גם את גודל הזרבובית. יש לשלוט גם על קצב הזרימה, אחרת הזרם הלמינרי של גז המגן יהפוך לסוער, והאווירה תימשך לבריכה המותכת ותיווצר בסופו של דבר נקבוביות.

על מנת לשפר את אפקט ההגנה, ניתן להשתמש גם בהנשמת צד נוספת, כלומר, הגז המגן מוזרק ישירות לחור ריתוך החדירה העמוק בזווית מסוימת דרך זרבובית בקוטר קטן יותר. גז המגן לא רק מדכא את ענן הפלזמה על פני חומר העבודה, אלא גם משפיע על היווצרות פלזמה וחורים קטנים בחור, ועומק החדירה גדל עוד יותר, וריתוך עם עומק ורוחב אידיאליים. מתקבל. עם זאת, שיטה זו מחייבת בקרה מדויקת על גודל וזרימת האוויר בכיוון וכיוון אחרת קל לייצר סערה ולהשמיד את הבריכה המותכת, מה שמקשה על התהליך של הריתוך.