לייזרים מרוכבים אדום-כחול בריתוך

במהלך תהליך הייצור של סוללות המשמשות בכלי רכב חשמליים, חומרי נחושת צריכים להיות מרותכים במהירויות גבוהות וללא ניתזים. בדרך כלל משתמשים בלייזרי אינפרא אדום עם אורכי גל קרובים ל-1000 ננומטר, אולם הדבר מציג שני אתגרים עיקריים לריתוך חומרי נחושת: ספיגת אנרגיה נמוכה ואי יציבות תהליכית. הספיגה של אור לייזר אינפרא אדום על ידי חומרי נחושת עולה עם הטמפרטורה. כאשר לייזר IR בעל הספק גבוה מקרין משטח נחושת, קצב ספיגת האנרגיה של משטח הנחושת גדל לפתע לאחר היווצרות חורים קטנים; החורים אינם יציבים וניתזים נוצרים בקלות. יחד עם זאת, מכיוון שהכוח של הלייזר האינפרא אדום יהיה גדול, הוא יגרום ללייזר נזק. הספיגה של הלייזר הכחול על ידי חומר הנחושת היא כ-60%, וזה הרבה יותר יעיל מזה של לייזר IR. היתכנותם של לייזרים דיודות כחולות לעיבוד נחושת דווחה בספרות מסוימת. לייזרים כחולים יכולים לרתך רדיד נחושת או יריעות ביעילות ואיכות גבוהה. עם זאת, העלות של לייזרים כחולים היא הרבה יותר גבוהה מזו של לייזרים NIR והספק המוצא המקסימלי מוגבל ל-2000 W. בשילוב החסרונות של קליטת אנרגיית לייזר IR נמוכה, תהליך לא יציב והספק נמוך של לייזר כחול, אנו יכולים להציע תהליך ריתוך לייזר מרוכב כחול-IR. בתהליך ריתוך זה, נוכל תחילה להמיס את פני חומר הבסיס בלייזר כחול בעל ספיגה גבוהה, ולאחר מכן להגדיל את עומק הבריכה המותכת בלייזר אינפרא אדום.Yang et al. חקר את ריתוך הלייזר המרוכב כמעט כחול-אינפרא אדום של לוח נחושת בעובי 3 מ"מ בהתבסס על ניסויים וסימולציות מספריות; תחילה, לוח הנחושת חומם בלייזר כחול בעל הספק נמוך, ולאחר מכן לייזר אינפרא אדום בעל הספק גבוה הקרין את פני השטח בטמפרטורה גבוהה של הלוח כדי ליצור חור קטן עמוק. Fujio et al. פיתחה מערכת ריתוך מרוכבת לייזר כחול אינפרא אדום ומצאה שיעילות הריתוך של הלייזר ההיברידי הייתה גבוהה פי 1.45 מזו של הלייזר האינפרא אדום. Kaneko et al. השתמשו בלייזר מרוכב כחול-אינפרא אדום קואקסיאלי כדי להגדיל את הבריכה המותכת והחורים הקטנים ולייצב את ההסעה התרמית הפנימית. בריתוך לייזר מרוכב כחול-אינפרא אדום, ספיגת אנרגיית הלייזר משפיעה לא רק על יציבות תהליך הריתוך, אלא גם על חיי השירות של הציוד. אם הטמפרטורה של משטח הנחושת נמוכה לאחר החשיפה ללייזר הכחול, אנרגיית הלייזר ה-IR המוחזרת ממשטח הנחושת גבוהה, מה שעלול לפגוע בראש הלייזר.

Fujio, S et al. פיתחה מערכת לייזר מרוכבת המשתמשת בלייזר מוליך למחצה כחול כמקור החימום מראש ולייזר סיבים במצב יחיד כמקור הריתוך. בדיקות ריתוך בוצעו על חוטי נחושת בגודל 2.5 × 3.0 × 50 מ"מ באמצעות מערכת לייזר מורכבת זו. איור 1 מציג את קינטיקה של התכה והתמצקות של נחושת טהורה שנלכדה עם מצלמה במהירות גבוהה ב-0.1, 0.2 ו-0.3 s מתחת ל-(א) לייזר מרוכב ו-(ב) לייזר סיבים חד-מודד. עבור לייזר סיב עם מצב יחיד עם הספק פלט של 1 קילוואט, המסת הנחושת מתחילה בערך מ-0.3 שניות. קינטיקה ההיתוך של לייזר הסיבים במצב יחיד מוצגת באיור 2.1.2. לעומת זאת, עבור לייזר היברידי עם לייזר סיב חד-מוד עם הספק יציאה של 1 קילוואט ולייזר דיודה כחולה בהספק של 200 וואט, המסת הנחושת מתחילה מ-0.2 שניות. לכן, כפי שמוצג באיור 2, נפח ההיתוך של נחושת הופך גדול יותר בלייזר ההיברידי מאשר בלייזר סיבים עם מצב יחיד.

בגלל החימום המקדים עם לייזר הדיודה הכחולה, הטמפרטורה של הנחושת עולה לכ-800 מעלות. טמפרטורת הנחושת עולה לכ-1.5 מעלות F (0.5 מעלות F). העלייה בטמפרטורה מובילה לעלייה מקומית בספיגה האופטית של נחושת בלייזר הסיבים. במקביל, הלייזר המרוכב משיג נפח התכת נחושת גדול יותר מאשר הלייזר הסיב במצב יחיד. לכן, המסקנה היא כי על ידי חימום מוקדם של לייזר הדיודה הכחולה, קליטת האור של נחושת ללייזר הסיבים החד-מוד מוגברת ויעילות הריתוך משתפרת.

וו וחב'. פיתח מודל חדש של מקור חום לייזר כחול אור אינפרא אדום לחומרי נחושת בעובי של 0.5 מ"מ על ידי שימוש בתהליך ריתוך לייזר כחול אור אינפרא אדום מרוכב קואקסיאלי, ודימה מספרית את ההתנהגות הדינמית של הבריכה המותכת קליטת אנרגיית לייזר בשילוב עם שיטת חידוד הרשת הוירטואלית. בהשוואה לריתוך לייזר כחול, טמפרטורת ההיתוך והמהירות המקסימלית של ריתוך לייזר קואקסיאלי כחול-IR משתנים יותר, ויעילות האנרגיה הכוללת של הלייזר נמוכה יותר, אך עדיין ניתן להשיג ריתוכים טובים. בהשוואה לריתוך לייזר אינפרא אדום, בריתוך לייזר קואקסיאלי כחול-IR, הלייזר הכחול שיפר וייצב את יעילות האנרגיה של הלייזר האינפרא אדום.

סימולציה חדשה עם {{{{10}}}} W של כוח לייזר כחול, 1400 W של כוח לייזר IR ומהירות ריתוך של 1.2 מ"ר לדקה הופעלה מחדש מהמכשיר מארז ריתוך לייזר קואקסיאלי כחול-IR ב-t=0.1 שניות. הסימולציה החדשה מוצגת באיור 3(א). כפי שמוצג באיור 3(א), נוצרת רק בריכה מותכת קטנה. טמפרטורת ההיתוך המקסימלית היא 1798 K ומהירות ההיתוך המקסימלית היא 0.11 מ' לשנייה. כפי שמוצג באיור. 3(ב), הספק ויעילות הלייזר ה-IR הנספגים הם 190.4 W ו-13.60%, בהתאמה, לאחר t=0.232 שניות. כוח הלייזר ה-IR והיעילות של החומר המרותך מוצגים גם באיור 3(ג). בהשוואה לריתוך לייזר IR, יעילות האנרגיה בלייזר IR של ריתוך לייזר קואקסיאלי כחול-IR גדלה ב-16.99%, ויעילות אנרגית הלייזר הכוללת גדלה ב-165.22%. כפי שמוצג באיור 3(ג), סטיות התקן של יעילות לייזר IR בריתוך לייזר אור כחול קואקסיאלי וריתוך לייזר IR היו 0.014% ו-0.215%, בהתאמה. ניתן להסיק שהלייזר הכחול משפר ומייצב את יעילות האנרגיה של הלייזר האינפרא אדום בריתוך לייזר מרוכב כחול-IR.

לאור העלות וכן מגבלת ההספק המקסימלית של האור הכחול והחסרונות של ספיגת האנרגיה הנמוכה של הלייזר האינפרא אדום ואי יציבות התהליך, הוצע תהליך ריתוך לייזר כחול-אדום מורכב. על ידי חימום מוקדם של החומר עם קצב הספיגה הגבוה של האור הכחול, ובכך להשיג עלייה בקצב הספיגה של האור האדום, ובמקביל, עקב צפיפות ההספק הקטנה של האור הכחול בהשוואה ללייזר סיבים, ניתן לממש השילוב של ריתוך הולכת חום יציב וריתוך התכה עמוקה להשגת ריתוך יעיל של סגסוגות אנטי קורוזיביות (אלומיניום, נחושת).