การเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำงานอย่างไร?

ฟิสิกส์พื้นฐาน: แสงเลเซอร์สร้างรอยเชื่อมได้อย่างไร

การดูดซับพลังงาน อุณหภูมิหลอมเหลว และการตอบสนองทางความร้อนของวัสดุ

เมื่อเริ่มการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โฟตอนที่มีพลังงานสูงเหล่านี้จะกระทบพื้นผิวของโลหะและถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอนภายใน ตอนแรกโลหะจะดูดซับแสงใกล้อินฟราเรดได้น้อยมาก โดยสะท้อนกลับระหว่าง 50 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ แต่สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างมากเมื่อเกิดการหลอมละลายขึ้นที่ประมาณ 1500 องศาเซลเซียสในวัสดุเหล็ก ความสามารถในการดูดซับพลังงานจะเพิ่มขึ้นประมาณสิบเท่าในช่วงการเปลี่ยนเฟสนี้ สิ่งที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของกำลังไฟเป็นหลัก โลหะผสมทางวิศวกรรมส่วนใหญ่จะเริ่มหลอมละลายอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อได้รับพลังงานมากกว่าหนึ่งล้านวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ความสามารถในการนำความร้อนก็มีบทบาทสำคัญเช่นกันในการกำหนดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ ตัวอย่างเช่น ทองแดงมีค่าการนำความร้อนที่ 401 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน เมื่อเทียบกับไทเทเนียมที่มีเพียง 22 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ซึ่งหมายความว่าทองแดงต้องใช้พลังงานมากกว่าประมาณสามเท่าเพื่อให้ได้ความลึกของการหลอมละลายที่ใกล้เคียงกัน การรักษาระดับคุณภาพของการเชื่อมไว้จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างระมัดระวัง หากอุณหภูมิสูงสุดเกิน 80 เปอร์เซ็นต์ของอุณหภูมิที่ทำให้วัสดุกลายเป็นไอ จะเกิดปัญหาจากการขยายตัวของไอที่มากเกินไป จนก่อให้เกิดโพรงอากาศที่ไม่ต้องการในผลิตภัณฑ์สุดท้าย

โหมดการนำความร้อนเทียบกับโหมดการเจาะรู: เมื่อใดและเหตุใดแต่ละโหมดจึงเกิดขึ้น

การเลือกโหมดการเชื่อมสะท้อนถึงการแลกเปลี่ยนพื้นฐานระหว่างการควบคุมและความลึกของการซึมผ่าน:

ในการเชื่อมแบบนำความร้อน ความร้อนจะกระจายออกไปด้านข้างผ่านวัสดุ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปิดผนึกเปลือกแบตเตอรี่ที่ต้องการควบคุมปริมาณความร้อนต่ำ เมื่อความเข้มเพิ่มขึ้น จะเข้าสู่โหมดการเจาะรูแทน โดยแรงดันไอจะขุดรูชั่วคราวในโลหะ ทำให้ลำแสงเลเซอร์สามารถแทรกซึมลึกลงไปในชิ้นงานได้ วิธีนี้สามารถทำงานเชื่อมแบบผ่านเดียวได้แม้ในเหล็กสำหรับต่อเรือที่มีความหนาประมาณ 15 มม. อย่างไรก็ตาม ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์อย่างใกล้ชิด ตำแหน่งของลำแสงมีความสำคัญมาก เช่นเดียวกับระดับกำลังและอัตราความเร็วของการเคลื่อนย้ายหัวเชื่อม หากหลุมรูปทรงกรวยนี้ถล่มลงระหว่างการเชื่อม ซึ่งเกิดขึ้นบ่อยกว่าที่คาดไว้ในสภาพแวดล้อมโรงงาน ก็จะก่อให้เกิดรูพรุนที่น่ารำคาญใจ ทำให้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายมีความอ่อนแอและต้องทำการแก้ไขใหม่

องค์ประกอบหลักของเครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์

แหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์: การปั๊ม, สื่อกำเนิดพลังงาน, และการสร้างลำแสง

เลเซอร์ไฟเบอร์สร้างแสงที่สว่างและเข้มข้นเมื่อมีการสูบพลังงานไปยังเส้นใยแก้วพิเศษที่มีวัสดุหายากโดยใช้ไดโอดกึ่งตัวนำ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการปล่อยพลังงานแบบเร่งปฏิกิริยาภายในตัวกลางที่ให้กำลังขยาย ซึ่งส่งผลให้เกิดลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1,060 ถึง 1,080 นาโนเมตร ช่วงความยาวคลื่นนี้ตรงกับจุดที่โลหะส่วนใหญ่ดูดซับพลังงานได้ดีที่สุด ทำให้เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรม เป็นอย่างมาก นอกจากนี้ คุณภาพของลำแสงมีความสำคัญอย่างมาก เมื่อวัดค่า M ยกกำลังแล้วได้ค่าต่ำกว่า 1.1 แสดงว่าลำแสงมีคุณภาพดี หมายความว่าเราสามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์ให้อยู่ในจุดที่เล็กลง และเจาะทะลุวัสดุได้ลึกขึ้นในระหว่างการตัดหรือเชื่อม ส่วนการควบคุมอุณหภูมิก็เป็นสิ่งที่ผู้ผลิตไม่อาจมองข้ามได้ หากอุณหภูมิสูงเกินไป พลังงานขาออกจะลดลงอย่างมาก—ประมาณ 15% ต่อการเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส เกินค่าที่ออกแบบไว้ ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Material Processing Journal เมื่อปีที่แล้ว

ระบบส่งลำแสง เลนส์โฟกัส และการควบคุมความหนาแน่นของพลังงาน

ลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ผ่านเส้นใยแก้วนำแสงแบบยืดหยุ่น เพื่อไปยังชิ้นส่วนจัดส่งต่างๆ เช่น หน้าต่างป้องกัน เลนส์ขยายลำแสง อุปกรณ์สแกนด้วยกาลวานอมิเตอร์ และเลนส์ F-theta พิเศษที่ช่วยปรับรูปร่างและโฟกัสลำแสงให้มีขนาดเหลือเพียง 20 ไมโครเมตร เมื่อทำงานในโหมดคีย์โฮล (keyhole) เลเซอร์เหล่านี้จะสร้างความเข้มของพลังงานมากกว่า 1 ล้านวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งหมายความว่าวัสดุจะถูกทำให้กลายเป็นไอเกือบในทันที การเปลี่ยนระยะโฟกัสของเลเซอร์หรือใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนแบบวงกลม จะช่วยรักษาความเสถียรของหลุมหลอมเหลวระหว่างการเชื่อม และลดการกระเด็นที่ไม่ต้องการได้ ตัวอย่างเช่น การปรับระยะโฟกัส หากทำให้ระยะสั้นลงจะเพิ่มความเข้มของพลังงานได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ แต่จะทำให้ช่วงความลึกที่คมชัดแคบลง ซึ่งจำเป็นต้องใช้ระบบควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำมาก เพื่อรักษาระดับคุณภาพของการเชื่อมให้คงที่ในชิ้นส่วนต่างๆ

กระบวนการก่อตัวของรอยเชื่อม: จากการส่องสว่างจนกลายเป็นข้อต่อที่แข็งตัว

พฤติกรรมของหลุมหลอมเหลว ความเสถียรของคีย์โฮล และโครงสร้างจุลภาคระหว่างการแข็งตัว

เมื่อรังสีเลเซอร์ตกกระทบวัสดุ พื้นที่ดังกล่าวจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วเกินจุดหลอมเหลว สร้างเป็นแอ่งหลอมเหลวซึ่งมีพฤติกรรมแตกต่างกันไปตามโหมดการเชื่อม ในกรณีการเชื่อมแบบคีย์โฮล ความดันไอจะสร้างรูขนาดเล็กและลึก บางครั้งสามารถล้ำลึกได้ถึง 25 มม. ความเสถียรของโพรงนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเกิดข้อบกพร่อง เพราะเมื่อโพรงพังลงมา จะก่อให้เกิดการปั่นป่วนมากเกินไป จนอาจทำให้เกิดรูพรุนในประมาณ 12% ของการเชื่อมทั้งหมดในการผลิต ตามงานวิจัยจากวารสาร Journal of Materials Processing เมื่อปีที่แล้ว การเชื่อมแบบคอนดักชันจะให้แอ่งเชื่อมที่ตื้นกว่ามาก และมีความสงบ ไม่มีการเคลื่อนที่ของของเหลวมากนัก เมื่อเลเซอร์เคลื่อนตัวไปข้างหน้า โลหะจะเริ่มแข็งตัวเกือบจะทันที เนื่องจากอัตราการเย็นตัวสูงถึงกว่าหนึ่งล้านองศาต่อวินาที การเย็นตัวที่รวดเร็วอย่างยิ่งนี้ช่วยปรับปรุงโครงสร้างผลึก และลดการเกิดสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะ ซึ่งทำให้ข้อต่อเสียแรงลง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า ชิ้นส่วนที่เชื่อมด้วยวิธีนี้มีความเหนียวมากกว่าชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีการเชื่อมอาร์กแบบดั้งเดิมประมาณ 30% การได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับการควบคุมรูปร่างของคีย์โฮลและการควบคุมอัตราการเย็นตัวอย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ตั้งค่าอย่างเหมาะสมจึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ว่าเราจะได้โครงสร้างผลึกที่สม่ำเสมอและเรียบร้อย หรือโครงสร้างแบบกิ่งก้าน (dendritic) ที่ก่อให้เกิดการรวมตัวของแรงเค้น

ทำไมการเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงให้ความแม่นยำและประสิทธิภาพ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความแม่นยำสูงเนื่องจากสามารถรวมแสงที่มีความสม่ำเสมอนั้นลงบนจุดขนาดเล็กมาก ๆ บางครั้งกว้างไม่ถึง 0.1 มม. และรักษามุมกระจายของลำแสงให้น้อยกว่า 0.1 องศา สิ่งนี้ทำให้เกิดความหนาแน่นพลังงานมากกว่า 1 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งช่วยให้วัสดุหลอมละลายอย่างรวดเร็วเฉพาะในตำแหน่งที่ต้องการ ขณะเดียวกันก็จำกัดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนให้มีขนาดเล็กมาก เพียงประมาณครึ่งมิลลิเมตร เมื่อเทียบกับ 5 ถึง 15 มม. ในการเชื่อมแบบอาร์กแบบดั้งเดิม ผลลัพธ์คือ ชิ้นส่วนแทบไม่บิดเบี้ยว คุณสมบัติของโลหะเดิมยังคงอยู่ตามเดิม และแม้แต่โลหะผสมที่ซับซ้อน เช่น อลูมิเนียม-ลิเธียม หรือไนติโนล ก็สามารถนำมาใช้งานได้โดยไม่มีปัญหา ระบบสมัยใหม่ในปัจจุบันมีฟีเจอร์ที่น่าสนใจ เช่น การสั่นสะเทือนลำแสง (beam oscillation) และการปรับรูปแบบพัลส์ (pulse shaping) ซึ่งควบคุมการไหลและการเย็นตัวของโลหะเหลวระหว่างกระบวนการได้อย่างแม่นยำ เมื่อใช้ร่วมกับแขนหุ่นยนต์ เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถสร้างรอยต่อที่มีความแข็งแรงสม่ำเสมอในความเร็วที่น่าทึ่งมากกว่า 100 มม. ต่อวินาที ทำให้เร็วกว่าวิธีการเชื่อม TIG หรือ MIG ถึง 2 ถึง 10 เท่า ระบบเหล่านี้ยังสามารถจัดการกับตำแหน่งการเชื่อมที่หลากหลายและยากต่อการเข้าถึง รวมถึงการเชื่อมวัสดุต่างชนิดกัน เช่น การเชื่อมทองแดงกับอลูมิเนียม โดยควบคุมชั้นอินเตอร์เมทัลลิกที่เกิดขึ้นอย่างระมัดระวัง อุตสาหกรรมต่าง ๆ ตั้งแต่ชิ้นส่วนอากาศยาน อุปกรณ์ทางการแพทย์ ไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้า ต่างรายงานว่ามีจำนวนชิ้นส่วนที่ถูกทิ้งลดลง ความจำเป็นในการตกแต่งเพิ่มเติมลดลง และประสิทธิภาพการผลิตโดยรวมดีขึ้นอย่างชัดเจน