ლაზერული შედუღების განვითარების ისტორია

მიკრო და პატარა ნაწილების შედუღების მეთოდები ლაზერული შედუღება არის ეფექტური და ზუსტი შედუღების მეთოდი, რომელიც იყენებს მაღალი ენერგიის სიმკვრივის ლაზერულ სხივს, როგორც სითბოს წყაროს. ეს არის ლაზერული მასალების დამუშავების ტექნოლოგიის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი გამოყენება. 1970-იან წლებში ის ძირითადად გამოიყენებოდა თხელკედლიანი მასალების შედუღებისა და დაბალი სიჩქარის შედუღებისთვის და შედუღების პროცესი მიეკუთვნებოდა თბოგამტარობის ტიპს. კერძოდ, ლაზერული გამოსხივება ათბობს სამუშაო ნაწილის ზედაპირს და ზედაპირზე არსებული სითბო თბოგამტარობის გზით ვრცელდება შიგნით. ისეთი პარამეტრების კონტროლით, როგორიცაა სიგანე, ენერგია, პიკური სიმძლავრე და ლაზერული იმპულსების გამეორების სიხშირე, სამუშაო ნაწილი დნება სპეციფიკური გამდნარი აუზის შესაქმნელად. მისი უნიკალური უპირატესობების გამო, ის წარმატებით გამოიყენება...მიკრო და მცირე ნაწილების ზუსტი შედუღება.ჩინეთის ლაზერული შედუღების ტექნოლოგია მსოფლიოში მოწინავე დონეებს შორისაა. მას აქვს ტექნოლოგია და შესაძლებლობა, ლაზერის გამოყენებით 12 კვადრატულ მეტრზე მეტი ფართობის ტიტანის შენადნობის რთული კომპონენტები ჩამოაყალიბოს და გამოყენებულია მრავალი შიდა ავიაციის კვლევითი პროექტის პროტოტიპებისა და პროდუქტების წარმოებაში. 2013 წლის ოქტომბერში ჩინელმა შედუღების ექსპერტმა მოიპოვა ბრუკის ჯილდო, შედუღების სფეროში უმაღლესი აკადემიური ჯილდო, რამაც დაადასტურა ჩინეთის მსოფლიო დონის ლაზერული შედუღების დონე.

## განვითარების ისტორია მსოფლიოში პირველი ლაზერული სხივი 1960 წელს შეიქმნა ლალის კრისტალების ფლეშ ნათურით აგზნების გზით. კრისტალის თერმული ტევადობით შეზღუდული, მას შეეძლო მხოლოდ ძალიან მოკლე იმპულსური სხივების წარმოქმნა დაბალი სიხშირით. მიუხედავად იმისა, რომ მყისიერი იმპულსის პიკური ენერგია შეიძლება აღწევდეს 10^6 ვატამდე, ის მაინც დაბალი ენერგიის გამომუშავებას მიეკუთვნებოდა. ნეოდიმის დოპირებული იტრიუმის ალუმინის გარნეტის (Nd:YAG) კრისტალური ღერო, ნეოდიმის (Nd) აგზნების ელემენტით, შეუძლია წარმოქმნას უწყვეტი ერთტალღოვანი ლაზერული სხივი 1-8 კვტ სიმძლავრით. 1.06μm ტალღის სიგრძით YAG ლაზერი შეიძლება დაუკავშირდეს ლაზერულ დამუშავების თავს მოქნილი ოპტიკური ბოჭკოს საშუალებით, რომელიც გამოირჩევა მოქნილი აღჭურვილობის განლაგებით და შესაფერისია 0.5-6 მმ სისქის სამუშაო ნაწილების შესადუღებლად. CO₂ ლაზერი, რომელიც იყენებს ნახშირორჟანგს, როგორც აგზნებადს (10.6 მკმ ტალღის სიგრძით), შეუძლია მიაღწიოს 25 კვტ-მდე გამომავალი ენერგიას და განახორციელოს 2 მმ სისქის ფირფიტების ერთჯერადი გავლის სრული შეღწევადობის შედუღება. ის ფართოდ გამოიყენება ლითონის დამუშავებაში სამრეწველო სექტორში. 1980-იანი წლების შუა პერიოდში, ლაზერულმა შედუღებამ, როგორც ახალმა ტექნოლოგიამ, ფართო ყურადღება მიიპყრო ევროპაში, შეერთებულ შტატებსა და იაპონიაში. 1985 წელს, ThyssenKrupp Steel AG-მ (გერმანია) და Volkswagen AG-მ (გერმანია) ერთობლივად წარმატებით დანერგეს მსოფლიოში პირველი ლაზერით შედუღებული ბლანკი Audi 100-ის კორპუსზე. 1990-იან წლებში ევროპის, ჩრდილოეთ ამერიკისა და იაპონიის მსხვილმა ავტომობილების მწარმოებლებმა დაიწყეს ლაზერით შედუღებული ბლანკის ტექნოლოგიის ფართოდ გამოყენება ავტომობილის კორპუსის წარმოებაში. როგორც ლაბორატორიების, ასევე ავტომობილების მწარმოებლების პრაქტიკულმა გამოცდილებამ დაამტკიცა, რომ ლაზერით შედუღებული ბლანკები წარმატებით შეიძლება გამოყენებულ იქნას ავტომობილის კორპუსის წარმოებაში. ლაზერული შედუღება იყენებს ლაზერულ ენერგიას სხვადასხვა მასალის, სისქისა და საფარის მქონე რამდენიმე ფოლადის, უჟანგავი ფოლადის, ალუმინის შენადნობის და ა.შ. ავტომატურად შესადუღებლად ინტეგრირებულ ფირფიტაში, პროფილში ან სენდვიჩ პანელში. ეს აკმაყოფილებს კომპონენტების სხვადასხვა მასალის მუშაობის მოთხოვნებს და უზრუნველყოფს აღჭურვილობის მსუბუქ წონას ყველაზე მსუბუქი წონით, ოპტიმალური სტრუქტურით და საუკეთესო შესრულებით. განვითარებულ ქვეყნებში, როგორიცაა ევროპა და შეერთებული შტატები,ლაზერული შედუღებაგამოიყენება არა მხოლოდ სატრანსპორტო აღჭურვილობის წარმოების ინდუსტრიაში, არამედ ფართოდ გამოიყენება ისეთ სფეროებში, როგორიცაა მშენებლობა, ხიდები, საყოფაცხოვრებო ტექნიკის ფირფიტების შედუღების წარმოება და ფოლადის ფირფიტების შედუღება მოძრავ ხაზებში (ფირფიტების შეერთება უწყვეტი მოძრავი ფორმით). მსოფლიოში ცნობილ ლაზერულ შედუღების საწარმოებს შორისაა Soudonic (შვეიცარია), ArcelorMittal Group (საფრანგეთი), ThyssenKrupp TWB (გერმანია), Servo-Robot (კანადა) და Precitec (გერმანია). ლაზერით შედუღებული ბლანკების ტექნოლოგიის გამოყენება ჩინეთში ახლახან დაიწყო. 2002 წლის 25 ოქტომბერს ოფიციალურად ამოქმედდა ჩინეთში ლაზერით შედუღებული ბლანკების პირველი პროფესიონალური კომერციული წარმოების ხაზი. ის დანერგა Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding-მა ThyssenKrupp TWB-დან (გერმანია). მოგვიანებით, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. და სხვა საწარმოები თანმიმდევრულად ამოქმედდნენ. 2003 წელს უცხოელმა ქვეყნებმა განახორციელეს ორმაგი სხივის CO₂ ლაზერული შემავსებელი მავთულის შედუღება დაYAG ლაზერული შემავსებელი მავთულის შედუღებაA318 ალუმინის შენადნობის ქვედა კედლის პანელის სტრუქტურისთვის. ამ ტექნოლოგიამ ჩაანაცვლა ტრადიციული მოქლონიანი სტრუქტურა, რითაც თვითმფრინავის ფიუზელაჟის წონა 20%-ით შეამცირა და ხარჯების 20%-ით დაზოგა. გონგ შუილი თვლიდა, რომ ლაზერული შედუღების ტექნოლოგია მნიშვნელოვან როლს შეასრულებდა ჩინეთის ტრადიციული ავიაციის წარმოების ინდუსტრიის ტრანსფორმაციასა და განახლებაში. მან დაუყოვნებლივ მიმართა არაერთ დაკავშირებულ წინასაკვლევი პროექტს, შექმნა კვლევითი ჯგუფი და ხელმძღვანელობდა „ორმაგი სხივის ლაზერული შედუღების“ ტექნოლოგიის დანერგვას ჩინეთში ჩატარებულ კვლევით პროექტებში. თავიდანვე ის გეგმავდა ამ ტექნოლოგიის გამოყენებას თვითმფრინავების წარმოებაში. ჩინელმა ექსპერტთა ჯგუფმა წინასწარი ტექნოლოგია წარუდგინა თვითმფრინავების დიზაინის ინსტიტუტს და გაავრცელა ორმაგი სხივის ლაზერული შედუღების უპირატესობები და მიზანშეწონილობა. მრავალჯერადი შემოწმებისა და შეფასების შემდეგ, დიზაინის ინსტიტუტმა გადაწყვიტა, ეს ტექნოლოგია გამოეყენებინა კონკრეტული თვითმფრინავისთვის ნეკნებიანი კედლის პანელების წარმოებაში, რითაც მიაღწია თავდაპირველ მიზანს - „ორმაგი სხივის ლაზერული შედუღების“ ტექნოლოგიის გამოყენებას თვითმფრინავების წარმოებაში. მან გაარღვია ისეთი ძირითადი ტექნოლოგიები, როგორიცაა მსუბუქი შენადნობების ლაზერული შედუღების შემავსებელი მავთულის ზუსტი კონტროლი, შეიმუშავა ინტეგრირებული და ინოვაციური ორმაგი სხივიანი ლაზერული შემავსებელი მავთულის ჰიბრიდული შედუღების მოწყობილობა, შექმნა ჩინეთში პირველი მაღალი სიმძლავრის ორმაგი სხივიანი ლაზერული შემავსებელი მავთულის შედუღების პლატფორმა, განახორციელა T-შეერთებების ორმაგი სხივური და ორმხრივი სინქრონული შედუღება დიდ თხელკედლიან სტრუქტურებში და წარმატებით გამოიყენა იგი საავიაციო ნეკნებიანი კედლის პანელების ძირითადი სტრუქტურული ნაწილების შედუღების წარმოებაში, რამაც მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ჩინეთის ახალი თვითმფრინავების შემუშავებაში. 2003 წელს, HG Laser-ის მიერ მოწოდებულმა პირველმა ადგილობრივმა მასშტაბურმა ონლაინ ზოლური შედუღების აღჭურვილობის სრულმა კომპლექტმა გაიარა ოფლაინ დამტკიცება. ეს აღჭურვილობა აერთიანებს ლაზერულ ჭრას, შედუღებას და თერმულ დამუშავებას, რაც HG Laser-ს მსოფლიოში მეოთხე საწარმოდ აქცევს, რომელსაც შეუძლია ასეთი აღჭურვილობის წარმოება. 2004 წელს, HG Laser Farley Laserlab-ის პროექტმა „მაღალი სიმძლავრის ლაზერული ჭრის, შედუღების და კომბინირებული ჭრისა და შედუღების დამუშავების ტექნოლოგია და აღჭურვილობა“ მოიპოვა ეროვნული მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების პროგრესის ჯილდოს მეორე პრიზი, რაც მას ჩინეთში ერთადერთ ლაზერულ საწარმოდ აქცევს, რომელსაც აქვს ამ ტექნოლოგიისა და აღჭურვილობის კვლევისა და განვითარების შესაძლებლობები. სამრეწველო ლაზერული ინდუსტრიის სწრაფი განვითარების შედეგად, ბაზარმა ლაზერული დამუშავების ტექნოლოგიაზე უფრო მაღალი მოთხოვნები წამოაყენა. ლაზერული ტექნოლოგია თანდათანობით გადავიდა ერთჯერადი გამოყენებიდან დივერსიფიცირებულ გამოყენებებზე. ლაზერული დამუშავების თვალსაზრისით, ის აღარ შემოიფარგლება მხოლოდ ერთჯერადი ჭრით ან შედუღებით. ბაზარზე მოთხოვნა ინტეგრირებული ლაზერული დამუშავების მოწყობილობაზე, რომელიც აერთიანებს ჭრას და შედუღებას, იზრდება და ამგვარად გაჩნდა ინტეგრირებული ლაზერული ჭრისა და შედუღების მოწყობილობა. HG Laser Farley Laserlab-მა შეიმუშავა Walc9030 ინტეგრირებული ჭრისა და შედუღების მანქანა, ულტრადიდი ფორმატით 9×3 მეტრი, რომელიც ამჟამად მსოფლიოში ყველაზე დიდი ფორმატის ინტეგრირებული ლაზერული ჭრისა და შედუღების მოწყობილობაა. Walc9030 არის დიდი ფორმატის ჭრისა და შედუღების მოწყობილობა, რომელიც აერთიანებს...ლაზერული ჭრისა და ლაზერული შედუღების ფუნქციებიის აღჭურვილია პროფესიონალური საჭრელი და შედუღების თავით, ხოლო ორი დამუშავების თავი ერთ სხივს იზიარებს. რიცხვითი მართვის ტექნოლოგია უზრუნველყოფს, რომ ისინი ერთმანეთს არ ერევიან. აღჭურვილობას შეუძლია ერთდროულად შეასრულოს ორი პროცესი, რომლებიც მოითხოვს ჭრას და შედუღებას. მას შეუძლია თავისუფლად გადაერთოს ჯერ ჭრას და შემდეგ შედუღებას, ან ჯერ შედუღებას და შემდეგ ჭრას შორის, რითაც ერთი აღჭურვილობით ახორციელებს როგორც ლაზერული ჭრის, ასევე შედუღების ფუნქციებს დამატებითი აღჭურვილობის საჭიროების გარეშე. ეს ზოგავს აღჭურვილობის ხარჯებს აპლიკაციის მწარმოებლებისთვის, აუმჯობესებს დამუშავების ეფექტურობას და დამუშავების დიაპაზონს. გარდა ამისა, ჭრისა და შედუღების ინტეგრაციის წყალობით, დამუშავების სიზუსტე სრულად გარანტირებულია და აღჭურვილობის მუშაობა ეფექტური და სტაბილურია. გარდა ამისა, მან გადალახა ფირფიტების თერმული დეფორმაციის სირთულეები ულტრადიციული ფირფიტების შედუღების დროს და ულტრაგრძელი მფრინავი ოპტიკური ბილიკების სტაბილური რეალიზაცია. მას შეუძლია ერთდროულად შედუღოს ორი ბრტყელი ფირფიტა 6 მეტრი სიგრძისა და 1.5 მეტრი სიგანის, ხოლო შედუღებული ზედაპირი გლუვი და ბრტყელია დამატებითი შემდგომი დამუშავების გარეშე. ამავდროულად, მას შეუძლია 3 მეტრი სიგანის, 6 მეტრზე მეტი სიგრძის და 20 მმ-ზე ნაკლები სისქის ფილების მოჭრა ერთი ფორმირების პროცესში მეორადი პოზიციონირების გარეშე. ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის შენიანგის ავტომატიზაციის ინსტიტუტმა საერთაშორისო თანამშრომლობა განახორციელა IHI კორპორაციასთან (იაპონია). „შემოღების, მონელების, შთანთქმისა და ხელახალი ინოვაციის“ ეროვნული სამეცნიერო და ტექნოლოგიური განვითარების სტრატეგიის შესაბამისად, მან გადალახა რამდენიმე ძირითადი ტექნოლოგია.ლაზერული შედუღება, 2006 წლის სექტემბერში შეიმუშავა ჩინეთში ლაზერული შედუღების სრული წარმოების ხაზების პირველი ნაკრები და წარმატებით შეიმუშავა რობოტული ლაზერული შედუღების სისტემა, რომელიც ახორციელებდა სიბრტყოვანი და სივრცითი მრუდების ლაზერულ შედუღებას. 2013 წლის ოქტომბერში ჩინელმა შედუღების ექსპერტმა მოიგო ბრუკის ჯილდო, შედუღების სფეროში უმაღლესი აკადემიური ჯილდო. შედუღების ინსტიტუტი (TWI, დიდი ბრიტანეთი) ყოველწლიურად რეკომენდაციას უწევს და ასახელებს კანდიდატებს 120-ზე მეტი ქვეყნის 4000-ზე მეტი წევრი ერთეულიდან და საბოლოოდ ამ პრიზს ანიჭებს ერთ ექსპერტს შედუღების ან შეერთების მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში და მისი სამრეწველო გამოყენებაში შეტანილი განსაკუთრებული წვლილის აღიარების ნიშნად. ეს ჯილდო არა მხოლოდ გონგ შუილის და მისი გუნდის აღიარებაა, არამედ ასევე AVIC-ის როლის დადასტურება მასალების შეერთების ტექნოლოგიის პროგრესის ხელშეწყობაში.

## სტრუქტურული პარამეტრები

### სამუშაო აღჭურვილობა იგი შედგება ოპტიკური ოსცილატორისა და გარემოსგან, რომელიც მოთავსებულია ოსცილატორის ღრუს ორივე ბოლოში სარკეებს შორის. როდესაც გარემო აღგზნებულია მაღალი ენერგიის მდგომარეობამდე, ის იწყებს ფაზური სინათლის ტალღების გენერირებას, რომლებიც აირეკლება ორივე ბოლოში სარკეებს შორის, რაც ქმნის ფოტოელექტრული შეერთების ეფექტს. ეს აძლიერებს სინათლის ტალღებს და როდესაც მიიღება საკმარისი ენერგია, გამოიყოფა ლაზერი. ლაზერი ასევე შეიძლება განისაზღვროს, როგორც მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის პირველადი ენერგიის წყაროებს, როგორიცაა ელექტროენერგია, ქიმიური ენერგია, თერმული ენერგია, სინათლის ენერგია ან ბირთვული ენერგია, კონკრეტული ოპტიკური სიხშირის ელექტრომაგნიტურ გამოსხივების სხივებად (ულტრაიისფერი სინათლე, ხილული სინათლე ან ინფრაწითელი სინათლე). ეს გარდაქმნა ადვილად შეიძლება განხორციელდეს გარკვეულ მყარ, თხევად ან აირად გარემოში. როდესაც ეს გარემო აღგზნებულია ატომების ან მოლეკულების სახით, ისინი წარმოქმნიან სინათლის სხივს თითქმის იგივე ფაზით და თითქმის ერთი ტალღის სიგრძით - ლაზერით. მისი ფაზური თვისებისა და ერთი ტალღის სიგრძის გამო, დივერგენციის კუთხე ძალიან მცირეა და მისი გადაცემა შესაძლებელია დიდ მანძილზე, სანამ მაღალი კონცენტრაციით შედუღება, ჭრა და თერმული დამუშავების ფუნქციების შესასრულებლად მოხდება. ### ლაზერების კლასიფიკაცია შედუღებისთვის ძირითადად ორი ტიპის ლაზერი გამოიყენება, კერძოდ, CO₂ ლაზერები და Nd:YAG ლაზერები. როგორც CO₂ ლაზერები, ასევე Nd:YAG ლაზერები შეუიარაღებელი თვალით უხილავი ინფრაწითელი სინათლეა. Nd:YAG ლაზერის მიერ გენერირებული სხივი ძირითადად 1.06 მკმ ტალღის სიგრძით ახლო ინფრაწითელი სინათლეა. თბოგამტარებს ამ ტალღის სიგრძით სინათლის შედარებით მაღალი შთანთქმის მაჩვენებელი აქვთ და ლითონების უმეტესობისთვის არეკვლის კოეფიციენტი 20%-30%-ია. ახლო ინფრაწითელი სხივის ფოკუსირება შესაძლებელია 0.25 მმ დიამეტრზე სტანდარტული ოპტიკური ლინზების გამოყენებით. CO₂ ლაზერის სხივი 10.6 მკმ ტალღის სიგრძით შორეული ინფრაწითელი სინათლეა. ამ ტიპის სინათლისთვის ლითონების უმეტესობას 80%-90%-იანი არეკვლის კოეფიციენტი აქვს, ამიტომ სხივის 0.75-1.0 მმ დიამეტრზე ფოკუსირებისთვის საჭიროა სპეციალური ოპტიკური ლინზები. Nd:YAG ლაზერების სიმძლავრე ზოგადად შეიძლება მიაღწიოს დაახლოებით 4,000-6,000 ვატს, ხოლო მაქსიმალური სიმძლავრე ამჟამად 10,000 ვატს აღწევს. ამის საპირისპიროდ, CO₂ ლაზერების სიმძლავრე ადვილად შეიძლება მიაღწიოს 20,000 ვატს ან კიდევ უფრო მეტს. მაღალი სიმძლავრის CO₂ ლაზერები მაღალი არეკვლის პრობლემას წყვეტენ „საკეტის ხვრელის“ ეფექტის მეშვეობით. როდესაც სინათლის ლაქით დასხივებული მასალის ზედაპირი დნება, წარმოიქმნება „საკეტის ხვრელი“. ორთქლით სავსე ეს „საკეტის ხვრელი“ შავი სხეულის მსგავსია, რომელიც შთანთქავს დაცემული სინათლის თითქმის მთელ ენერგიას. „საკეტის ხვრელში“ წონასწორობის ტემპერატურა დაახლოებით 25,000°C-ს აღწევს და არეკვლის უნარი სწრაფად მცირდება რამდენიმე მიკროწამში. მიუხედავად იმისა, რომ CO₂ ლაზერების განვითარების ფოკუსი კვლავ აღჭურვილობის შემუშავებასა და კვლევაზეა ორიენტირებული, საქმე აღარ არის მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრის გაზრდაზე, არამედ სხივის ხარისხისა და მისი ფოკუსირების მახასიათებლების გაუმჯობესებაზე. გარდა ამისა, როდესაც არგონი გამოიყენება როგორც დამცავი აირი CO₂ ლაზერული შედუღებისთვის 10 კვტ-ზე მეტი სიმძლავრით, ის ხშირად იწვევს ძლიერ პლაზმას, რაც ამცირებს შეღწევადობის სიღრმეს. ამიტომ, ჰელიუმი, რომელიც არ წარმოქმნის პლაზმას, ხშირად გამოიყენება დამცავი აირის სახით მაღალი სიმძლავრის CO₂ ლაზერული შედუღებისთვის. დიოდური ლაზერული კომბინაციების გამოყენება მაღალი სიმძლავრის Nd:YAG კრისტალების აგზნებისთვის მნიშვნელოვანი კვლევისა და განვითარების თემაა, რაც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესებს ლაზერული სხივების ხარისხს და შექმნის უფრო ეფექტურ ლაზერულ დამუშავებას. პირდაპირი დიოდური მასივების გამოყენებამ ლაზერების აგზნებისა და გამოყვანისთვის ახლო ინფრაწითელ რეგიონში მიღწეული საშუალო სიმძლავრე 1 კვტ და ფოტოელექტრული გარდაქმნის ეფექტურობა თითქმის 50%-ს შეადგენს. დიოდებს ასევე აქვთ უფრო ხანგრძლივი მომსახურების ვადა (10,000 საათი), რაც ხელს უწყობს ლაზერული აღჭურვილობის მოვლა-პატრონობის ხარჯების შემცირებას. ასევე წინ მიიწევს დიოდური ტუმბოს მყარი მდგომარეობის ლაზერული (DPSSL) აღჭურვილობის შემუშავება.