ריתוך בלייזר- סוגים, יתרונות ויישומים

ריתוך בלייזר מהווה את אחת מצורות הריתוך המתקדמות ביותר מבחינה טכנית. יישומי טכניקת ריתוך זו מוצאים מקום במגוון רחב של תעשיות החל מתעשיית החלל והתעופה ועד לייצור תכשיטים משובחים.

כידוע, לצד טכניקת הריתוך בלייזר ישנן עוד טכניקות ריתוך קלאסיות רבות אחרות, חלקן ותיקות ומשמשות אותנו ביומיום הרבה לפני הריתוך בלייזר. אם כך נשאלת השאלה, מדוע אנו זקוקים לטכנולוגיית ריתוך בלייזר כשיש לנו אלטרנטיבות אחרות?

עוד בטרם נפנה לענות על שאלה זו, נסקור בקצרה את ההיסטוריה של טכנולוגיה זו. אלברט איינשטיין היה הראשון שחזה את הפליטה המומרצת, המהווה את העיקרון הבסיסי של לייזר.

יחד עם זאת, רק בשנת 1967 השתמשנו לראשונה בלייזר לצורך פעולות ריתוך וחיתוך. היה זה תוך שימוש בחמצן כגז מסייע ובקרן לייזר מרוכזת בגז CO₂.

חיתוך בלייזר היווה הבסיס אשר הוביל לריתוך בלייזר, וזאת מאחר ומדובר בהתכת המתכת בלא לפגוע בה.

תהליך הריתוך בלייזר

ריתוך בלייזר עושה שימוש בקרן אור מרוכזת מאוד המופעלת על מקום זעיר מאוד, כך, שהאזור שמתחת לקרן הלייזר סופג את האור והופך להיות אנרגטי ביותר. כאשר משתמשים בקרני לייזר חזקות, האלקטרונים באזור מתרגשים עד לנקודה בה החומר נמס כתוצאה מהאטומים המפרקים את הקשורים זה עם זה.

ריתוך בלייזר יכול לשמש גם לחיבור פלסטיקה.

ההיתוך של שני חומרי הבסיס באזור תפר ההצמדה ביניהם יוצר את המחבר המרותך. אין ספר שזה מאוד מפתיע כיצד האור יכול להיות חזק דיו כדי לחבר מתכות בתוך אלפיות השנייה. יובהר, כי כדי להשיג קרני לייזר חזקות במיוחד מכונת הריתוך כוללת מספר חלקים שתפקידם לנתב ולהגביר את עוצמת קרן הלייזר.

שלושה סוגי לייזרים נפוצים ביותר ונעשה בהם שימוש במכונות ריתוך לייזר:

לייזר גז
לייזרים במצב מוצק
לייזרי סיבים

בדרך כלל קרן הלייזר מסופקת למכונת ריתוך הלייזר באמצעות סיבים אופטיים. יש מכונות ריתוך עם סיבים בודדים וישנן מכונות ריתוך מרובות סיבים. במכונות הריתוך מרובות הסיבים יש לייזר המחובר לכל סיב, כאשר עם תוספת של כל סיב, חוזק הלייזר עולה.

כדי לרכז את קרן הלייזר עד לשלב ההינתקות מהמכונה, נעשה שימוש לעתים קרובות בעדשת "קולימטור" (Collimator Lens) בשילוב עם עדשת מיקוד.

רתכות לייזר מסוגלות לרתך ארבעה סוגים של מחברי ריתוך:

• ריתוך השקה (Batt Weld)

• ריתוך חפייה למילוי (Filler Lap Weld)

• ריתוך חפייה (Lap Weld)

• ריתוך קצה (Edge Flange Weld)

שימוש בגז תהליכי בריתוך לייזר

כאשר אנחנו מתבוננים בריתוך הלייזר, נוכל להבחין ברכיב קבוע הנלווה לדיזה/נחיר (Nozzle) הלייזר והוא עצמו מהווה נחיר המספק גז המכונה גז תהליכי או גז חיתוך.

בעיקרון, זרימת הגז, בדרך כלל גז CO₂, מנותבת אל מיקום הריתוך, וזאת במטרה למנוע גם מגע של משטח הריתוך עם האטמוספרה.

ללא שימוש בגז חיתוך, ישנן שתי אפשרויות בלבד ליצירת אווירת ריתוך – אווירה רגילה או ואקום. ריתוך בלייזר בוואקום בהחלט אפשרי, אך עלותו גבוהה ונדרשת התקנה מיוחדת.

באווירה רגילה, ריתוך בלייזר ללא שילוב של גז תהליכי יכול לגרור השפעות שליליות. העובדה שבאוויר מצוי חנקן בריכוז גבוה מאוד, הוא יכול להתערבב עם המתכת המותכת ולגרום ליצירת חללים או חורים בתוך הריתוך. סיטואציות אלה עלולות להוביל לכשלים בריתוך.

בנוסף, לחות באוויר יכולה לגרום לייצור מימן בעת הריתוך. דיפוזיה של המימן לתוך המתכת עלולה להוביל להחלשת מחברי הריתוך, ולכן אין לבצע ריתוך בלייזר באווירה רגילה ללא מיגון.

מכונות הריתוך מסופקת עם גז חיתוך המטיל גז על משטח הריתוך, וזאת כדי להבטיח שזיהומים לא יתערבבו עם הריתוך עצמו.

סוגי ריתוך בלייזר

במאמר נפרד עמדנו על כך, שאת הריתוך בלייזר ניתן לבצע בשתי דרכים – ריתוך הולכת חום וריתוך "חור המנעול". ניתן לפנות למאמר זה וללמוד על השיטות מקרוב.

ריתוך בלייזר באמצעות תהליכי ריתוך אחרים

ריתוך בלייזר משמש לרוב בשילוב עם ריתוך קשת כדי ליצור מה שקרוי ריתוך קשת היברידית בלייזר. בריתוכי לייזר היברדיים בקשת, כל אחד מתהליכי הריתוך בקשת כ- GTAW, GMAW
או SAW משמש עם ריתוך לייזר בחדירה עמוקה. התוצאה היא ריתוך שיש לו את היתרונות של ריתוך לייזר וגם ריתוך בקשת.

הריתוך המתקבל יכלול מחבר עם חדירה ריתוך עמוקה הודות לריתוך הלייזר ויהיה גם בעל סיבולות משופרות להתאמת חלקי המחבר. תופעות לא רצויות אחרות כגון: סדקים ונקבוביות פנימיות מופחתות, במקרה זה, אף הן.

היתרונות בשימוש בטכניקת הריתוך בלייזר

ריתוך בלייזר משלב מספר יתרונות, אשר לעתים קרובות לא נמצא אותם בשיטות ריתוך אחרות. חלק מהמאפיינים של הריתוך בלייזר הם:

• ביצוע אוטומציה של כל תהליך הריתוך בקלות יחסית, וזאת באמצעות CAD / CAM

• לא נעשה שימוש באלקטרודה בתהליך זה

• לא מתרחשת שחיקה מסוג כלשהו בכלי

• ריתוך בלייזר מאוד ממוקד

• מתקבלים ריתוכים באיכות גבוהה

מסקנות

ריתוך באמצעות קרן לייזר משמש לריתוכים בעלי דיוק גבוה. העובדה שתהליך ריתוך זה אינו מערב שימוש באלקטרודה כלשהי מבטיחה שהריתוך יהיה עדין אך חזק. אמנם ההשקעה הראשונית גבוהה יחסית לתהליכי ריתוך אחרים, אך בשקלול כולל לא ניתן להשוות את האיכות והמאפיינים של ריתוך בלייזר לעומת אלה האחרים, ודאי כאשר מדובר בתעשיות המחייבות ריתוך בעל מאפיינים ייחודיים וברמת איכות גבוהה, כפי שמקבלים בריתוך בלייזר. ככל שהלייזרים מתחזקים ונעשים חסכוניים יותר באנרגיה, עתיד הריתוך הלייזר בהחלט מבטיח.

ארגונכם מפעיל מערך של ריתוך בלייזר? מעונין להקים תשתית כזאת? אתם מוזמנים לפנות אלינו לקבלת ייעוץ ולהתוויית תהליכי הריתוך, הסמכתם והסמכת המפעילים מטעמכם.