ლაზერული შედუღების ძირითადი პროცესის პარამეტრები

1) ლაზერული სიმძლავრე. ლაზერული შედუღებისას არსებობს ლაზერული ენერგიის სიმკვრივის ზღვარი, რომლის ქვემოთ დნობის სიღრმე არაღრმაა და ამ მნიშვნელობის მიღწევის ან გადაჭარბების შემდეგ, დნობის სიღრმე არსებითად იზრდება. მხოლოდ მაშინ, როდესაც სამუშაო ნაწილზე ლაზერული სიმძლავრის სიმკვრივე აღემატება ზღურბლს (მასალაზეა დამოკიდებული), წარმოიქმნება პლაზმა, რომელიც აღნიშნავს ღრმა შედუღების შედუღების სტაბილიზაციას. თუ ლაზერის სიმძლავრე ამ ზღურბლზე დაბალია, სამუშაო ნაწილი განიცდის მხოლოდ ზედაპირულ დნობას, ანუ შედუღება მიმდინარეობს სითბოს გადაცემის სტაბილური ტიპით. როდესაც ლაზერული სიმძლავრის სიმკვრივე ახლოს არის მცირე ხვრელების წარმოქმნის კრიტიკულ მდგომარეობასთან, ღრმა შერწყმა და გამტარი შედუღება ალტერნატიულია და ხდება შედუღების არასტაბილური პროცესები, რაც იწვევს დნობის სიღრმეში დიდ რყევებს. ლაზერული ღრმა შედუღებისას, ლაზერის სიმძლავრე აკონტროლებს შეღწევის სიღრმეს და შედუღების სიჩქარეს, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1. დნობის შედუღების სიღრმე პირდაპირ კავშირშია სხივის სიმძლავრის სიმჭიდროვესთან და არის სხივის ინციდენტის სიმძლავრის და სხივის ფოკუსური ადგილის ფუნქცია. ზოგადად, ლაზერის სხივის გარკვეული დიამეტრისთვის, დნობის სიღრმე იზრდება სხივის სიმძლავრის მატებასთან ერთად.

2) სხივის ფოკუსური ადგილი. სხივის წერტილის ზომა არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ცვლადი ლაზერული შედუღებისას, რადგან ის განსაზღვრავს სიმძლავრის სიმკვრივეს. თუმცა, მისი გაზომვა არის გამოწვევა მაღალი სიმძლავრის ლაზერებისთვის, თუმცა მრავალი არაპირდაპირი გაზომვის ტექნიკა უკვე ხელმისაწვდომია.

სხივის ფოკუსური დიფრაქციის ლიმიტის ლაქის ზომა შეიძლება გამოითვალოს სინათლის დიფრაქციის თეორიიდან, მაგრამ რეალური ლაქა აღემატება გამოთვლილ მნიშვნელობას ფოკუსირების ლინზების აბერაციის არსებობის გამო. უმარტივესი რეალური გაზომვის მეთოდია იზოთერმული პროფილის მეთოდი, რომელიც გულისხმობს ფოკუსური წერტილის და პერფორაციის დიამეტრის გაზომვას პოლიპროპილენის ფირფიტაში სქელი ქაღალდის დაწვისა და შეღწევის შემდეგ. ეს მეთოდი უნდა გაიზომოს პრაქტიკით, დაეუფლოს ლაზერის სიმძლავრის ზომას და სხივის მოქმედების დროს.

3) მასალის შთანთქმის ღირებულება. მასალის მიერ ლაზერის შთანთქმა დამოკიდებულია მასალის ზოგიერთ მნიშვნელოვან თვისებაზე, როგორიცაა შთანთქმის სიჩქარე, არეკვლა, თბოგამტარობა, დნობის ტემპერატურა, აორთქლების ტემპერატურა და ა.შ. ყველაზე მნიშვნელოვანი არის შთანთქმის სიჩქარე.

ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ მასალის შთანთქმის სიჩქარეზე ლაზერის სხივზე, მოიცავს ორ ასპექტს: პირველ რიგში, მასალის წინაღობა. მასალის გაპრიალებული ზედაპირის შთანთქმის სიჩქარის გაზომვის შემდეგ აღმოჩნდა, რომ მასალის შთანთქმის სიჩქარე პროპორციულია წინაღობის კოეფიციენტის კვადრატული ფესვისა, რომელიც თავის მხრივ იცვლება ტემპერატურის მიხედვით; მეორეც, მასალის ზედაპირის მდგომარეობა (ან დასრულება) უფრო მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს სხივის შთანთქმის სიჩქარეზე, რითაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს შედუღების ეფექტზე.

CO2 ლაზერის გამომავალი ტალღის სიგრძე ჩვეულებრივ არის 10.6μm, კერამიკა, მინა, რეზინი, პლასტმასი და სხვა არალითონები მისი შთანთქმის სიჩქარით ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან მაღალია, ხოლო ლითონის მასალები ოთახის ტემპერატურაზე მისი შთანთქმის ძალიან ცუდია, სანამ მასალა არ გადნება ან აორთქლდება, მისი შთანთქმა მკვეთრად გაიზარდა. ზედაპირის საფარის გამოყენება ან ოქსიდის ფირის ზედაპირის წარმოქმნის მეთოდის გამოყენება სხივზე მასალის შთანთქმის გასაუმჯობესებლად ძალიან ეფექტურია.

4) შედუღების სიჩქარე. შედუღების სიჩქარე დიდ გავლენას ახდენს დნობის სიღრმეზე, სიჩქარის გაზრდა გახდის დნობის სიღრმეს არაღრმა, მაგრამ სიჩქარე ძალიან დაბალია და გამოიწვევს მასალის გადაჭარბებულ დნობას, სამუშაო ნაწილის შედუღებამდე. ამრიგად, ლაზერის გარკვეულ სიმძლავრეს და კონკრეტული მასალის გარკვეულ სისქეს აქვს შედუღების სიჩქარის შესაბამისი დიაპაზონი და რომელშიც შესაბამისი სიჩქარის მნიშვნელობა შეიძლება მიღებულ იქნას დნობის მაქსიმალური სიღრმეზე. სურათი 2 გვიჩვენებს კავშირი შედუღების სიჩქარესა და 1018 ფოლადის დნობის სიღრმეს შორის.

5) დამცავი გაზი. ლაზერული შედუღების პროცესში ხშირად იყენებენ ინერტულ გაზს დნობის აუზის დასაცავად, როდესაც ზოგიერთი მასალა შედუღებულია ზედაპირის დაჟანგვის მიუხედავად, მაშინ ასევე არ განიხილება დაცვა, მაგრამ უმეტესობისთვის ხშირად გამოიყენება ჰელიუმი, არგონი, აზოტი და სხვა აირები დასაცავად, ისე, რომ სამუშაო ნაწილი დაჟანგვისგან შედუღების პროცესში.

ჰელიუმი ადვილად იონიზირებული არ არის (იონიზაციის ენერგია მაღალია), რაც ლაზერს საშუალებას აძლევს გაიაროს და სხივის ენერგია შეუფერხებლად მიაღწიოს სამუშაო ნაწილის ზედაპირს. ეს არის ყველაზე ეფექტური დამცავი გაზი, რომელიც გამოიყენება ლაზერულ შედუღებაში, მაგრამ უფრო ძვირია.

არგონი უფრო იაფი და მკვრივია, ამიტომ უკეთ იცავს. თუმცა, ის მგრძნობიარეა მაღალი ტემპერატურის ლითონის პლაზმური იონიზაციის მიმართ, რაც იწვევს სხივის ნაწილის დაცვას სამუშაო ნაწილის მიმართ, ამცირებს შედუღების ეფექტურ ლაზერულ სიმძლავრეს და ასევე არღვევს შედუღების სიჩქარეს და დნობის სიღრმეს. შედუღებული ნაწილის ზედაპირი უფრო გლუვია არგონის დაცვით, ვიდრე ჰელიუმისგან.

აზოტი არის ყველაზე იაფი დამცავი გაზი, მაგრამ ის არ არის შესაფერისი უჟანგავი ფოლადის შედუღების ზოგიერთი სახეობისთვის, ძირითადად მეტალურგიული პრობლემების გამო, როგორიცაა შთანთქმა, რომელიც ზოგჯერ ქმნის ფორიანობას ლაპ ზონაში.

დამცავი გაზის გამოყენების მეორე როლი არის ფოკუსირებული ლინზის დაცვა ლითონის ორთქლის დაბინძურებისგან და თხევადი გამდნარი წვეთების დაფრქვევისგან. ეს განსაკუთრებით აუცილებელია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული შედუღებისას, სადაც ამოფრქვევა ხდება ძალიან ძლიერი.

დამცავი გაზის მესამე ფუნქცია არის ის, რომ ის ეფექტურია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული შედუღების შედეგად წარმოქმნილი პლაზმური დამცავი ფენის დაშლაში. ლითონის ორთქლი შთანთქავს ლაზერის სხივს და იონიზებს პლაზმურ ღრუბელში, ხოლო ლითონის ორთქლის ირგვლივ დამცავი გაზი ასევე იონიზდება სითბოს მიერ. თუ პლაზმა ძალიან ბევრია, ლაზერის სხივი გარკვეულწილად მოიხმარს პლაზმას. პლაზმის, როგორც მეორე ენერგიის არსებობა სამუშაო ზედაპირზე, ხდის დნობის სიღრმეს უფრო არაღრმა და შედუღების აუზის ზედაპირს უფრო ფართო. ელექტრონების დაკომპლექსების სიჩქარე იზრდება ელექტრონ-იონის და ნეიტრალური ატომის სამი სხეულის შეჯახების რაოდენობის გაზრდით, რათა შემცირდეს ელექტრონის სიმკვრივე პლაზმაში. რაც უფრო მსუბუქია ნეიტრალური ატომი, მით უფრო მაღალია შეჯახების სიხშირე, მით უფრო მაღალია ნაერთების სიჩქარე; მეორეს მხრივ, მხოლოდ დამცავი აირის მაღალი იონიზაციის ენერგია, რათა არ გაიზარდოს ელექტრონის სიმკვრივე თავად აირის იონიზაციის გამო.

როგორც ცხრილიდან ჩანს, პლაზმური ღრუბლის ზომა განსხვავდება გამოყენებული დამცავი გაზიდან, ჰელიუმი ყველაზე პატარაა, შემდეგ მოდის აზოტი და ყველაზე დიდი არგონის გამოყენებისას. რაც უფრო დიდია პლაზმის ზომა, მით უფრო მცირეა დნობის სიღრმე. ამ განსხვავების მიზეზი, პირველ რიგში, აირის მოლეკულების იონიზაციის განსხვავებული ხარისხით არის განპირობებული და ასევე ლითონის ორთქლის დიფუზიის სხვაობით გამოწვეული დამცავი აირების განსხვავებული სიმკვრივით.

ჰელიუმი არის ყველაზე ნაკლებად იონიზირებული და ყველაზე ნაკლებად მკვრივი და ის სწრაფად აშორებს ლითონის ორთქლს გამდნარი ლითონის აუზიდან. ამრიგად, ჰელიუმის, როგორც დამცავი აირის გამოყენებამ შეიძლება მაქსიმალურად გაზარდოს პლაზმის ჩახშობა, რითაც გაზარდოს დნობის სიღრმე და გააუმჯობესოს შედუღების სიჩქარე; ფორიანობის გამოწვევა ადვილი არ არის მისი მსუბუქი წონისა და გაქცევის უნარის გამო. რა თქმა უნდა, ჩვენი შედუღების შედეგებიდან გამომდინარე, არგონის გაზით დაცვის ეფექტი ცუდი არ არის.

პლაზმური ღრუბელი დნობის სიღრმეზე შედუღების დაბალი სიჩქარის ზონაში ყველაზე აშკარაა. როდესაც შედუღების სიჩქარე იზრდება, მისი გავლენა შესუსტდება.

დამცავი გაზი გამოიდევნება საქშენის ღიობიდან გარკვეული წნევით, რათა მიაღწიოს სამუშაო ნაწილის ზედაპირს. ძალიან მნიშვნელოვანია საქშენის ჰიდროდინამიკური ფორმა და გამოსასვლელის დიამეტრის ზომა. ის საკმარისად დიდი უნდა იყოს იმისათვის, რომ გაჟღენთილი დამცავი აირი დაფაროს შედუღების ზედაპირის დასაფარად, მაგრამ იმისათვის, რომ ეფექტურად დავიცვათ ლინზა და თავიდან აიცილოთ ლითონის ორთქლის დაბინძურება ან ლინზაზე ლითონის დაფხვნილი დაზიანება, საქშენის ზომა ასევე უნდა იყოს შეზღუდული. ნაკადის სიჩქარე ასევე უნდა იყოს კონტროლირებადი, წინააღმდეგ შემთხვევაში დამცავი აირის ლამინირებული ნაკადი ხდება ტურბულენტური და ატმოსფერო ჩაერთვება გამდნარ აუზში, რაც საბოლოოდ ქმნის ფორიანობას.

დაცვის ეფექტის გასაუმჯობესებლად, ასევე ხელმისაწვდომია დამატებითი გვერდითი აფეთქება, ანუ უფრო მცირე დიამეტრის საქშენის მეშვეობით დამცავი გაზი გარკვეული კუთხით პირდაპირ ღრმად გავარვარებული შედუღების ხვრელში იქნება. დამცავი გაზი არა მხოლოდ თრგუნავს პლაზმურ ღრუბელს სამუშაო ნაწილის ზედაპირზე, არამედ ახდენს გავლენას ხვრელში არსებულ პლაზმაზე და მცირე ხვრელის ფორმირებაზე, რაც კიდევ უფრო ზრდის შერწყმის სიღრმეს და იღებს უფრო ღრმა და ფართო შედუღების ნაკერს, ვიდრე სასურველია. თუმცა, ეს მეთოდი მოითხოვს გაზის ნაკადის ზომისა და მიმართულების ზუსტ კონტროლს, წინააღმდეგ შემთხვევაში ადვილია ტურბულენტობის წარმოქმნა და დნობის აუზის დაზიანება, რის შედეგადაც შედუღების პროცესი ძნელია სტაბილიზაციას.

6) ლინზის ფოკუსური მანძილი. შედუღება ჩვეულებრივ გამოიყენება ლაზერული კონვერგენციის გზაზე ფოკუსირებისთვის, ლინზების 63 ~ 254 მმ (2,5 '~ 10') ფოკუსური მანძილის ზოგადი არჩევანი. ფოკუსირებული წერტილის ზომა ფოკუსური სიგრძის პროპორციულია, რაც უფრო მოკლეა ფოკუსური მანძილი, მით უფრო მცირეა ლაქა. მაგრამ ფოკუსური მანძილი ასევე გავლენას ახდენს ფოკუსურ სიღრმეზე, ანუ ფოკუსური სიღრმე იზრდება ფოკუსურ სიგრძესთან ერთად, ამიტომ მოკლე ფოკუსური მანძილი შეიძლება გააუმჯობესოს სიმძლავრის სიმკვრივე, მაგრამ მცირე ფოკუსური სიღრმის გამო მანძილი ობიექტივსა და სამუშაო ნაწილს შორის ზუსტად უნდა იყოს დაცული და დნობის სიღრმე არ არის დიდი. შედუღების პროცესისა და ლაზერული რეჟიმის დროს წარმოქმნილი შპრიცის გავლენის გამო, ფაქტობრივი შედუღება ფოკუსის უმოკლეს სიღრმეზე მეტი ფოკუსური მანძილით 126 მმ (5'). საჭიროა ღრმა დნობის მცირე ხვრელის ეფექტის მისაღწევად.

როდესაც ლაზერის სიმძლავრე აღემატება 2 კვტ-ს, განსაკუთრებით 10,6 μm CO2 ლაზერის სხივისთვის, ოპტიკური სისტემის ფორმირებისთვის სპეციალური ოპტიკური მასალების გამოყენების გამო, ფოკუსირების ლინზების ოპტიკური დაზიანების რისკის თავიდან ასაცილებლად, ხშირად ირჩევთ არეკვლის ფოკუსირების მეთოდს, ზოგადად რეფლექტორისთვის გაპრიალებული სპილენძის სარკის გამოყენებით. ეფექტური გაგრილების გამო, ხშირად რეკომენდირებულია მაღალი სიმძლავრის ლაზერული სხივის ფოკუსირებისთვის.

7) ფოკუსური წერტილის პოზიცია. შედუღება, საკმარისი სიმძლავრის შესანარჩუნებლად, ფოკუსური წერტილის პოზიცია კრიტიკულია. ფოკუსური წერტილის პოზიციის ცვლილებები სამუშაო ნაწილის ზედაპირთან მიმართებაში პირდაპირ გავლენას ახდენს შედუღების სიგანეზე და სიღრმეზე. სურათი 3 გვიჩვენებს ფოკუსის პოზიციის გავლენას 1018 ფოლადის დნობის სიღრმეზე და ნაკერის სიგანეზე. ლაზერული შედუღების უმეტეს აპლიკაციებში, ფოკუსური წერტილი, როგორც წესი, განლაგებულია დნობის სასურველი სიღრმის დაახლოებით 1/4-ით სამუშაო ნაწილის ზედაპირის ქვემოთ.

8) ლაზერის სხივის პოზიცია. სხვადასხვა მასალის ლაზერული შედუღებისას, ლაზერის სხივის პოზიცია აკონტროლებს შედუღების საბოლოო ხარისხს, განსაკუთრებით კონდახის სახსრების შემთხვევაში, რომლებიც უფრო მგრძნობიარეა ამის მიმართ, ვიდრე ლაპის სახსრები. მაგალითად, როდესაც გამაგრებული ფოლადის მექანიზმები შედუღებულია რბილ ფოლადის ბარაბნებზე, ლაზერის სხივის პოზიციის სათანადო კონტროლი ხელს შეუწყობს შედუღების წარმოებას უპირატესად დაბალი ნახშირბადის კომპონენტით, რომელსაც აქვს უკეთესი ბზარის წინააღმდეგობა. ზოგიერთ შემთხვევაში, შესადუღებელი სამუშაო ნაწილის გეომეტრია მოითხოვს ლაზერის სხივის გადახრის კუთხით. როდესაც გადახრის კუთხე სხივის ღერძსა და შეერთების სიბრტყეს შორის არის 100 გრადუსის ფარგლებში, სამუშაო ნაწილის მიერ ლაზერული ენერგიის შთანთქმა არ იმოქმედებს.

9) ლაზერული სიმძლავრის თანდათანობითი აწევის შედუღების საწყისი და დასასრული წერტილი, თანდათანობითი დაცემის კონტროლი. ლაზერული ღრმა შედუღების შედუღება, შედუღების სიღრმის მიუხედავად, მცირე ხვრელების ფენომენი ყოველთვის არსებობს. როდესაც შედუღების პროცესი მთავრდება და დენის ჩამრთველი გამორთულია, შედუღების ბოლოს გამოჩნდება კრატერი. გარდა ამისა, როდესაც ლაზერული შედუღების ფენა ფარავს თავდაპირველ შედუღებას, იქნება ლაზერის სხივის გადაჭარბებული შთანთქმა, რაც გამოიწვევს შედუღების გადახურებას ან ფორიანობას.

ზემოაღნიშნული ფენომენის თავიდან ასაცილებლად, დენის დაწყების და გაჩერების წერტილები შეიძლება დაპროგრამდეს ისე, რომ დენის დაწყებისა და გაჩერების დრო გახდეს რეგულირებადი, ანუ საწყისი სიმძლავრე ელექტრონულად იზრდება ნულიდან დადგენილ სიმძლავრის მნიშვნელობამდე მოკლე დროში და დარეგულირდება შედუღების დრო და საბოლოოდ სიმძლავრე თანდათან მცირდება დაყენებული სიმძლავრედან ნულოვან მნიშვნელობამდე, როდესაც შედუღება მთავრდება.