Heiko Riedelsberger, Coherent
ציפוי בשכבת מגן (cladding) הוא סוג של “ייצור נוסף” בו שכבת חומר חדשה מתווספת אל המשטחים החיצוניים של חלק. היה בו שימוש ניכר במגוון תעשיות לשם שיפור תכונות המשטח הקרובות-למשטח (כגון שחיקה, חלודה או עמידה בחום) של חלק חדש, או כדי לצפות מחדש רכיב בעל-ערך שחוק, ולאפשר לעבד אותו מחדש אל האפיצויות המקוריות.
דוגמאות של ציפוי המשמש ביישומי ספינות וים כוללות גלילים הידראוליים וגלי משאבות, משטחי כיוון הן עבור צירי מדחפים והן עבור משאבות מושטות, וצירי מתיחות (tensioner) עבור אסדות קידוח נפט. לגבי חלקים חדשים, עשויים מחומרים זולים יותר, דוגמת פלדה בעלת תכולת פחם נמוכה או פלדות אל-חלד אחדות, הם משמשים לעתים קרובות כדי ליצור את החלק הבסיסי, אשר מצופה לאחר מכן בשכבה מותאמת של חומר עמיד בפני קורוזיה ו/או בפני שחיקה, כדי לספק תכונות ספציפיות באזורים קריטיים. הם כוללים קרביד הטונגסטן (לעתים קרובות במטריצת NiCrBSi) לשם עמידות בפני שחיקה, ו-Inconel 625 עבור משטחים החשופים לבוץ-קידוח או מי-ים. במקרה של חלקים פגומים, המשטח החיצוני החלוד ו/או הנשחק נחתך תחילה כדי לחשוף מצע מתכתי טהור. חלק זה מצופה לאחר מכן או נבנה-מחדש עם חומר המצע המקורי, או עם חומר ציפוי טוב יותר מכנית או סביבתית. ניתן לחזור על צעד זה פעמים מרובות כדי להשיג שכבות-כיסוי עבות יותר. הצעד הסופי הוא לרוב טחינה עדינה כדי להחזיר את החלק למפרטי התכנון המקוריים.
קיימות טכניקות ישנות מרובות המשמשות לציפוי, הכוללות צורות שונות של ריתוך-קשת וריסוס תרמי. לאחרונה, ציפוי בלייזר הוכר כברירה הסבירה ביותר לטכניקות אלו. בציפוי בלייזר, הלייזר פועל כמקור כוח הנתון לבקרה במדויק, והמשמש ליצור את בריכת הריתוך לתוכה מוזן חומר-גלם בצורת חוט או אבקה, ובכך יוצר את שכבת הציפוי.
ציפוי בלייזר הוכח כתחרותי ועדיף ביישומים מסוימים, מאחר שהוא מספק יתרונות-מפתח הכוללים דילול ממוזער (זיהום סגסוגת הציפוי בתוך ממשק חומר הציפוי), מבוא חום הרבה יותר נמוך ולכן עיוות חלקים ממוזער, שיקוע מדויק היוצר בקרת ממדים מצוינת, תפוקה גבוהה ושימוש יעיל באבקה או בחוט של הציפוי. יתרון נוסף וחשוב מאוד עבור יישומים ימיים הוא ששכבת הציפוי יוצרת חיבור מטלורגי אמיתי עם חומר הבסיס.
F.W. Gartner Thermal Spraying Ltd הוא קבלן מוביל המספק שרותי ציפוי בלייזר ושירותי ציפוי מסורתיים עבור יישומים ימיים ויישומים תובעניים אחרים, הכוללים ציפוי של חלקים חדשים ותיקונים של חלקים בלויים. Michael Breitsameter, מנהל שיווק ומכירות ב-FWGTS, מסביר: “ריסוס תרמי הוא שיטה זולה של החזרת הממדים המקוריים של חלק, אולם אין לבלבל אותו עם שחזור השלימות המכנית המקורית. הקשר בין הציפוי והמצע הוא קשר מכני בלבד, כך שהציפוי הוא פחות עמיד, ומסכן פוטנציאלית כל שימוש הכולל העמסה במגע או בנקודה. לעומת זאת, תהליך הלייזר משלב בין חומר הציפוי והמשטח החיצוני ביותר של המצע ויוצר על-ידי כך חיבור מתכתי אמיתי. שלימות זו מספקת תכונות פיסיקליות מצוינות, העולות במקרים מסוימים על אלה של חומר הגלם המקורי”.
מקורות לייזר מוקדמים עבור הציפוי, דוגמת הדו-תחמוצת פחמן (CO2) ולייזרים של מצב מוצק, לא היו אידיאליים עבור יישומים מסוימים מבחינת המאפיינים האופטיים שלהם. כדי לענות בצורה טובה יותר לצורכי הציפוי בלייזר, Coherent פיתחה את סדרת ה-™Highlight של מערכות לייזר בעלי דיודה ישירה. שני יתרונות עיקריים של לייזרים בעלי דיודה ישירה הם היעילות החשמלית המובנית שלהם והממדים הפיסיים הקומפקטיים. יתר על כן, המוצא הקרוב-לאינפרא-אדום שלהם נספג בצורה יעילה על-ידי כל חומרי הציפוי, והרוחב ה”יעיל” הגדול שלהם (עד 30 ממ’) מתאים גיאומטרית לרוב יישומי הציפוי עבור התעשייה בלב-ים. (לייזרים מסורתיים יוצרים אלומה צרה ולכן ממד כתם קטן על משטח העבודה). כל זה מתבטא בעלות נמוכה, והיכולת לצפות בקצבי שקיעה שהם תחרותיים ועולים במקרים רבים על טכנולוגיות ציפוי ישנות – ראה איור 1.
Breitsameter מציין ש”לייזר בעל דיודה ישירה הוא כלי בוגר תעשייתית שהוא באמת טוב עבור שימוש יום-יומי במונחים של אמינות, הדירות ופשטות תפעול. הפיתוח המהיר של טכנולוגיה זו הרחיב משמעותית את תחום היישומים של ציפויי לייזר”. כדי להבהיר אילו יישומים ימיים מתאימים ביותר לעיבוד בלייזר, Breitsameter מסביר: “ב-FWGTS אנחנו משתמשים הן בשיטות ציפוי בלייזר והן במסורתיות. שיטת הלייזר היא תמיד בחירה ראשונה עבור יישומי העמסה נקודתית, כאשר ציפויים בריסוס תרמי עשויים לסבול מכשל מוקדם. היא גם הטובה ביותר עבור יישומים בהם דרושים ציפויים או תיקונים עבים יותר (לדוגמה, מילימטרים אחדים), כאשר ציפויי ריסוס תרמי הופכים ללא-מעשיים בשל המאמצים הפנימיים”.
באדיבות חברת Coherent ונציגתה חברת אמו הנדסה א.א (1995) בע”מ
