สินค้าแห้ง! การตีความพารามิเตอร์กระบวนการทั่วไปของการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นหนึ่งในแง่มุมที่สำคัญของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ และยังเป็นเทคโนโลยีการเชื่อมที่น่าจับตามองและมีอนาคตสดใสที่สุดในศตวรรษที่ 21 เมื่อเทียบกับวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิม การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อดีหลายประการ ทั้งคุณภาพการเชื่อมที่สูงกว่าและประสิทธิภาพที่รวดเร็วกว่า ปัจจุบัน เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิต โลหะวิทยาผง อุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ชีวการแพทย์ และสาขาอื่นๆ

ตามกลไกการเกิดบ่อหลอม การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีกลไกการเชื่อมพื้นฐานสองแบบ ได้แก่ การเชื่อมแบบนำความร้อนและการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึก (รูเล็ก) ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเชื่อมแบบนำความร้อนจะกระจายไปยังชิ้นงานผ่านการถ่ายเทความร้อน ทำให้พื้นผิวของรอยเชื่อมหลอมเหลว โดยพื้นฐานแล้วไม่มีปรากฏการณ์การระเหย ซึ่งมักใช้ในการเชื่อมชิ้นส่วนผนังบางที่มีความเร็วต่ำ การเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกจะทำให้วัสดุระเหยและเกิดพลาสมาจำนวนมาก เนื่องจากความร้อนสูง จึงจะมีรูเกิดขึ้นที่ส่วนหน้าของบ่อหลอม การเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกสามารถเชื่อมชิ้นงานได้อย่างทั่วถึง พลังงานที่ป้อนเข้ามีมาก ความเร็วในการเชื่อมสูง และเป็นโหมดการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

มีพารามิเตอร์กระบวนการหลายอย่างที่ส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เช่น ความหนาแน่นของพลังงาน รูปคลื่นพัลส์เลเซอร์ การเบลอภาพ ความเร็วในการเชื่อม และก๊าซเป่าเสริม

1. ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ ความหนาแน่นของพลังงานเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ชั้นผิวสามารถถูกทำให้ร้อนจนถึงจุดเดือดได้ภายในช่วงเวลาไมโครวินาที ทำให้เกิดการระเหยเป็นจำนวนมาก ดังนั้น ความหนาแน่นของพลังงานสูงจึงมีข้อได้เปรียบอย่างมากสำหรับการประมวลผลการกำจัดวัสดุ เช่น การเจาะ การตัด และการแกะสลัก สำหรับความหนาแน่นของพลังงานต่ำ จะใช้เวลาหลายมิลลิวินาทีในการที่อุณหภูมิพื้นผิวจะถึงจุดเดือด และก่อนที่ชั้นผิวจะระเหย ชั้นล่างจะถึงจุดหลอมเหลว ซึ่งง่ายต่อการเกิดการเชื่อมหลอมเหลวที่ดี ดังนั้น ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบนำความร้อน ช่วงความหนาแน่นของพลังงานจึงอยู่ที่ 10⁴-10⁶ วัตต์/ตารางเซนติเมตร

2. รูปคลื่นพัลส์เลเซอร์

รูปคลื่นพัลส์เลเซอร์ไม่เพียงแต่เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการแยกแยะระหว่างการกำจัดวัสดุและการหลอมละลายของวัสดุเท่านั้น แต่ยังเป็นพารามิเตอร์หลักในการกำหนดปริมาณและต้นทุนของอุปกรณ์แปรรูปอีกด้วย เมื่อลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงส่องไปยังพื้นผิวของวัสดุ พื้นผิวของวัสดุจะมีการสะท้อนและสูญเสียพลังงานเลเซอร์ 60-90% โดยเฉพาะอย่างยิ่งทองคำ เงิน ทองแดง อลูมิเนียม ไทเทเนียม และวัสดุอื่นๆ ที่มีการสะท้อนสูงและถ่ายเทความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ค่าการสะท้อนของโลหะจะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาในระหว่างสัญญาณพัลส์เลเซอร์ เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุสูงขึ้นถึงจุดหลอมเหลว ค่าการสะท้อนจะลดลงอย่างรวดเร็ว และเมื่อพื้นผิวอยู่ในสภาวะหลอมเหลว ค่าการสะท้อนจะคงที่ที่ค่าหนึ่ง

3. ความกว้างของพัลส์ ความกว้างของพัลส์เป็นพารามิเตอร์สำคัญของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ ความกว้างของพัลส์ถูกกำหนดโดยความลึกของการทะลุทะลวงและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ยิ่งความกว้างของพัลส์ยาวเท่าใด บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และความลึกของการทะลุทะลวงจะเพิ่มขึ้นตามกำลังครึ่งหนึ่งของความกว้างของพัลส์ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความกว้างของพัลส์จะลดกำลังสูงสุด ดังนั้นการเพิ่มความกว้างของพัลส์จึงมักใช้สำหรับการเชื่อมแบบนำความร้อน ส่งผลให้ขนาดรอยเชื่อมกว้างและตื้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมแบบซ้อนทับของแผ่นบางและหนา แต่กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะส่งผลให้เกิดความร้อนมากเกินไป และวัสดุแต่ละชนิดจะมีค่าความกว้างของพัลส์ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งจะช่วยเพิ่มการทะลุทะลวงให้สูงสุด

4. การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเบลอภาพมักต้องใช้การเบลอภาพในระดับหนึ่ง เพราะความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ที่จุดศูนย์กลางสูงเกินไป อาจทำให้เกิดการระเหยและกลายเป็นรูได้ง่าย การกระจายความหนาแน่นของพลังงานจะค่อนข้างสม่ำเสมอในแต่ละระนาบที่อยู่ห่างจากจุดโฟกัสของเลเซอร์ วิธีการเบลอภาพมีสองวิธี คือ การเบลอภาพแบบบวกและการเบลอภาพแบบลบ หากระนาบโฟกัสอยู่เหนือชิ้นงาน จะเป็นการเบลอภาพแบบบวก มิเช่นนั้นจะเป็นการเบลอภาพแบบลบ ตามทฤษฎีทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต เมื่อระยะห่างระหว่างระนาบการเบลอภาพแบบบวกและแบบลบกับระนาบการเชื่อมเท่ากัน ความหนาแน่นของพลังงานบนระนาบที่สอดคล้องกันจะใกล้เคียงกัน แต่รูปร่างของบ่อหลอมที่ได้จริงจะแตกต่างกัน ในกรณีของการเบลอภาพแบบลบ จะได้การทะลุทะลวงที่มากขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการก่อตัวของบ่อหลอม

5. ความเร็วในการเชื่อม ความเร็วในการเชื่อมเป็นตัวกำหนดคุณภาพของพื้นผิวการเชื่อม การแทรกซึม บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ฯลฯ ความเร็วในการเชื่อมจะส่งผลต่อปริมาณความร้อนที่ป้อนต่อหน่วยเวลา หากความเร็วในการเชื่อมช้าเกินไป ปริมาณความร้อนที่ป้อนจะมากเกินไป ทำให้ชิ้นงานไหม้ทะลุ หากความเร็วในการเชื่อมเร็วเกินไป ปริมาณความร้อนที่ป้อนจะน้อยเกินไป ทำให้ชิ้นงานเชื่อมไม่โปร่งใส การลดความเร็วในการเชื่อมมักใช้เพื่อปรับปรุงการแทรกซึม

6. การเป่าก๊าสป้องกันเสริม การเป่าก๊าสป้องกันเสริมเป็นกระบวนการที่สำคัญในงานเชื่อมเลเซอร์กำลังสูง ประการแรก เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะกระเด็นและปนเปื้อนกระจกโฟกัส ประการที่สอง เพื่อป้องกันไม่ให้พลาสมาที่เกิดขึ้นในกระบวนการเชื่อมโฟกัสมากเกินไปและป้องกันไม่ให้เลเซอร์ไปถึงพื้นผิวของวัสดุ ในกระบวนการเชื่อมเลเซอร์ มักใช้ฮีเลียม อาร์กอน ไนโตรเจน และก๊าสอื่นๆ เพื่อปกป้องบ่อหลอมเหลว เพื่อป้องกันชิ้นงานจากการเกิดออกซิเดชันในงานเชื่อม ปัจจัยต่างๆ เช่น ชนิดของก๊าสป้องกัน ขนาดของกระแสลม และมุมการเป่า มีผลอย่างมากต่อผลลัพธ์ของการเชื่อม วิธีการเป่าที่แตกต่างกันก็มีผลต่อคุณภาพการเชื่อมเช่นกัน

ฮีเลียมไม่แตกตัวเป็นไอออนได้ง่าย (มีพลังงานแตกตัวเป็นไอออนสูง) ทำให้ลำแสงเลเซอร์ผ่านได้อย่างราบรื่นและพลังงานลำแสงไปถึงพื้นผิวชิ้นงานได้โดยไม่ติดขัด นี่คือแก๊สป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แต่ราคาค่อนข้างสูง อาร์กอนมีราคาถูกกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่า จึงให้การป้องกันที่ดีกว่า อย่างไรก็ตาม อาร์กอนแตกตัวเป็นไอออนได้ง่ายโดยพลาสมาโลหะที่มีอุณหภูมิสูง จึงบังส่วนหนึ่งของลำแสงจากชิ้นงาน ลดกำลังเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพในการเชื่อม และยังทำให้ความเร็วและการแทรกซึมของการเชื่อมลดลงด้วย พื้นผิวรอยเชื่อมที่ป้องกันด้วยอาร์กอนจะเรียบกว่ารอยเชื่อมที่ป้องกันด้วยฮีเลียม ไนโตรเจนเป็นแก๊สป้องกันที่ถูกที่สุด แต่ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมสแตนเลสบางชนิด ส่วนใหญ่เป็นเพราะปัญหาทางโลหะวิทยา เช่น การดูดซึม ซึ่งบางครั้งทำให้เกิดรูพรุนในบริเวณรอยเชื่อม

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่ที่มีคุณสมบัติเด่นคือ ความหนาแน่นพลังงานสูง ความเร็วสูง ความแม่นยำสูง การทะลุทะลวงลึก และความสามารถในการปรับตัวสูง การใช้งานจึงแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต แต่ยังช่วยปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมอีกด้วย เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในด้านการแปรรูปวัสดุอย่างแน่นอน