เครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบพกพาสามารถเชื่อมวัสดุที่หนาได้แค่ไหน?

ขีดจำกัดความหนาของเครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบพกพา 1000W ตามชนิดวัสดุ

ความสามารถในการเจาะจริงในรอบเดียวสำหรับสแตนเลสและเหล็กกล้าคาร์บอน

เครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบมือถือกำลัง 1000 วัตต์สามารถเจาะทะลุวัสดุได้ดีในครั้งเดียวที่ความหนาประมาณ 2 ถึง 3 มิลลิเมตร เมื่อทำงานกับเหล็กกล้าคาร์บอนหรือสแตนเลส 304 แต่เฉพาะในกรณีที่พื้นผิวสะอาดและตั้งค่ากระบวนการอย่างเหมาะสมเท่านั้น เหตุผลของขีดจำกัดเฉพาะเจาะจงนี้เกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานที่จำเป็นจริงๆ ในการเริ่มต้นและรักษาระบบการเชื่อมที่เราเรียกว่า การเชื่อมแบบคีย์โฮล (keyhole mode welding) การนำความร้อนของเหล็กอยู่ที่ประมาณ 50 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ซึ่งช่วยให้ถ่ายเทพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างกระบวนการ ผลการทดสอบในสถานที่ทำงานจริงแสดงให้เห็นว่าการเจาะลึก 3 มิลลิเมตรทำได้อย่างสม่ำเสมอสำหรับสแตนเลส 304 เมื่อเคลื่อนความเร็วประมาณ 0.8 เมตรต่อนาทีโดยใช้แก๊สอาร์กอนป้องกัน เหล็กกล้าคาร์บอนต้องมีการเตรียมพื้นผิวล่วงหน้าเพื่อลบคราบออกไซด์จากการผลิต (mill scale) มิฉะนั้นจะเกิดปัญหาฟองอากาศในแนวเชื่อมเมื่อพยายามเชื่อมที่ความหนา 2.5 มิลลิเมตร การรักษาตำแหน่งจุดโฟกัสให้อยู่ภายในระยะบวกหรือลบ 0.2 มิลลิเมตร จากความลึกที่เหมาะสมนั้นมีความสำคัญมากต่อความเสถียรของบริเวณที่หลอมละลาย หากไม่มีการปกคลุมด้วยแก๊สเฉื่อยที่เหมาะสม ปัญหาออกซิเดชันบนพื้นผิวอาจทำให้ความสามารถในการเจาะลดลงได้ถึง 15 เปอร์เซ็นต์

ทำไมอลูมิเนียม ทองแดง และทองเหลืองจึงจำกัดอยู่ที่ 1.5 มม. — แม้จะตั้งค่าให้เหมาะสมที่สุดแล้วก็ตาม

การทำงานกับโลหะที่ไม่มีธาตุเหล็กสร้างความท้าทายอย่างแท้จริงเมื่อพยายามให้เกิดการเจาะลึกด้วยอุปกรณ์แบบพกพามาตรฐานกำลัง 1000 วัตต์ เอาอลูมิเนียมเป็นตัวอย่าง มันจะสะท้อนแสงเลเซอร์ประมาณ 90% และนำความร้อนออกไปอย่างรวดเร็ว (ประมาณ 240 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน) ทำให้ผู้ปฏิบัติงานส่วนใหญ่ยากที่จะเจาะลึกเกิน 1.5 มม. ในการเดินเชื่อมเพียงครั้งเดียว แม้จะใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การสั่นของลำแสง หรือการป้องกันด้วยก๊าซฮีเลียม ก็ตาม ทองแดงยิ่งแย่กว่านั้น เพราะการนำความร้อนสูงถึงประมาณ 400 วัตต์/เมตรเคลวิน ซึ่งหมายความว่าความร้อนจะสูญเสียไปอย่างรวดเร็ว จนช่างเทคนิคมากมายจำเป็นต้องอุ่นวัสดุล่วงหน้าเพื่อให้สามารถเชื่อมลึกได้เพียง 1.2 มม. เท่านั้น ส่วนทองเหลืองก่อปัญหาอีกแบบ เพราะสังกะสีจะเริ่มกลายเป็นไอเมื่อความลึกเกิน 1.5 มม. ทำให้เกิดรูอากาศและทำให้การหลอมรวมไม่สม่ำเสมอตลอดแนวเชื่อม งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำระบุว่า แม้แต่เลเซอร์แสงสีฟ้าขั้นสูงและก๊าซป้องกันที่สูตรพิเศษก็ไม่สามารถเจาะลึกเกิน 1.3 มม. ในโลหะผสมทองแดงได้ เนื่องจากข้อจำกัดทางฟิสิกส์พื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการโต้ตอบระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟนอน ความพยายามเชื่อมหลายชั้นโดยทั่วไปมักก่อให้เกิดการบิดงอเกินไปและการยึดติดที่ไม่ดีระหว่างชั้นเว้นแต่จะใช้เครื่องจักรที่มีกำลังมากกว่า 1500 วัตต์ ซึ่งทำให้การสร้างรอยต่อที่หนาขึ้นแทบเป็นไปไม่ได้บนอุปกรณ์แบบพกพา 1000 วัตต์ทั่วไป

พลังงานสูงขึ้น (1500W–4000W) ขยายความสามารถในการตัดวัสดุให้หนาขึ้นได้อย่างไร—และจุดใดที่เริ่มเกิดผลตอบแทนลดลง

แนวโน้มการเพิ่มความลึกของการเจาะ: จาก 3 มม. (1000W) ถึง 6.5 มม. (4000W) ในการตัดเหล็กกล้าคาร์บอนแบบหลายรอบ

การเพิ่มกำลังเลเซอร์จากประมาณ 1000 วัตต์ สูงขึ้นไปถึง 4000 วัตต์ ทำให้สามารถสร้างรอยเชื่อมที่ลึกกว่าเดิมมากเมื่อทำงานกับเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ระดับพลังงานต่ำ เช่น 1000 วัตต์ โดยทั่วไปเราจะได้ความลึกประมาณ 3 มิลลิเมตรต่อรอบ แต่เมื่อเพิ่มขึ้นไปที่ 4000 วัตต์ เราจะได้ความลึกทั้งหมดประมาณ 6.5 มิลลิเมตรหลังจากรอบหลายรอบ สาเหตุของประสิทธิภาพที่ดีขึ้นนี้มาจากการดูดซับพลังงานลงสู่วัสดุในระดับที่ลึกขึ้น รวมถึงการควบคุมตำแหน่งที่ความร้อนกระจายไปในชั้นต่างๆ ได้ดีขึ้น เหล็กกล้าคาร์บอนอยู่แล้วไม่สะท้อนแสงมากอยู่แล้ว ดังนั้นลำแสงความเข้มสูงจึงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานหลอมละลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มีจุดหนึ่งที่การเพิ่มกำลังงานจะไม่ให้ผลตอบแทนแบบสัดส่วนอีกต่อไปหลังจากประมาณ 3000 วัตต์ เนื่องจากปัญหา เช่น การเกิดพลาสมาที่ทำหน้าที่เป็นเกราะกำบัง และความร้อนที่แผ่ออกไปในแนวข้างมากเกินไป เพื่อรักษาระดับคุณภาพโครงสร้างไว้ขณะสร้างความลึกทีละชั้น โรงงานส่วนใหญ่จึงใช้เทคนิคการเชื่อมหลายรอบอย่างมีกลยุทธ์ โดยแทรกช่วงพักเพื่อระบายความร้อนอย่างระมัดระวัง แต่ประเด็นสำคัญคือ ทุกๆ มิลลิเมตรที่เพิ่มขึ้นจะต้องเคลื่อนที่ช้าลงอย่างมีนัยสำคัญ และต้องปรับแต่งพารามิเตอร์อย่างละเอียดมากขึ้น ซึ่งจะทำให้เวลาการผลิตยาวนานขึ้น และเพิ่มภาระงานให้กับผู้ปฏิบัติงานในโรงงาน

ความขัดแย้งของความไม่เป็นเชิงเส้น: เหตุใดเลเซอร์ 2000 วัตต์จึงไม่สามารถเชื่อมโลหะได้ลึกเป็นสองเท่าของ 1000 วัตต์

การเพิ่มกำลังไฟของเลเซอร์เป็นสองเท่าไม่ได้หมายความว่า ไม่ ความลึกของการแทรกซึมจะเพิ่มเป็นสองเท่า—ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย ซึ่งมาจากการสมมุติฐานพลังงานอย่างง่ายเกินไป แม้ว่ากำลัง 1000 วัตต์จะสามารถเจาะลึกได้ประมาณ 3 มม. ในเหล็กกล้าคาร์บอน แต่กำลัง 2000 วัตต์โดยทั่วไปให้ความลึกเพียง 4.5–5 มม. เท่านั้น ไม่ใช่ 6 มม. ความไม่เป็นเชิงเส้นนี้เกิดจากข้อจำกัดทางฟิสิกส์สามประการที่เกี่ยวข้องกัน:

• การกระเจิงของลำแสง : รูเจาะลึก (keyhole) ที่ลึกขึ้นจะทำให้พื้นที่ปฏิกิริยาขยายตัว ส่งผลให้พลังงานกระจายออกไปในปริมาตรที่ใหญ่ขึ้น
• การสูญเสียความร้อนแบบชี้กำลัง : อัตราการนำความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงสุดเพิ่มขึ้น
• การรบกวนจากพลาสมา : ไอระเหยของโลหะที่ถูกไอออไนซ์เหนือระดับ ~1500 วัตต์ จะเริ่มดูดซับและกระเจิงโฟตอนที่ตกกระทบ

สิ่งที่สำคัญจริงๆ สำหรับการเจาะลึกไม่ใช่แค่ว่าเราให้พลังงานมากเท่าใด แต่คือความเข้มข้นของพลังงานนั้น เมื่อใครบางคนเพิ่มกำลังไฟเป็นสองเท่า พวกเขาจะไม่ได้รับผลลัพธ์ที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เว้นแต่ว่าพวกเขาจะทำให้ลำแสงแคบลงอย่างมาก ในสถานการณ์จริง แม้กำลังไฟจะเพิ่มขึ้น 100% ขนาดจุดโฟกัสจริงๆ ก็จะเล็กลงเพียงประมาณ 30% เท่านั้น เมื่อเราถึงระดับประมาณ 3,000 วัตต์ ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็ว การเพิ่มจาก 3,000 เป็น 4,000 วัตต์ จะทำให้การเจาะลึกเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 25% ซึ่งดูเหมือนจะให้ผลน้อยเมื่อเทียบกับการเพิ่มกำลังไฟจำนวนมาก สำหรับงานที่ต้องการตัดลึกเกิน 5 มม. ควรพิจารณาค่าใช้จ่ายต่อการเพิ่มทีละมิลลิเมตร และความซับซ้อนของระบบที่ตามมา บางครั้งวิธีอื่น เช่น การรวมการเชื่อม MIG กับเลเซอร์ หรือการใช้กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ อาจให้ผลลัพธ์ที่ถูกกว่าและง่ายกว่าในระยะยาว

พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ ซึ่งกำหนดความลึกของการเชื่อมจริง

ตำแหน่งโฟกัส การสั่นสะเทือนของลำแสง และขนาดจุดโฟกัส: ตัวควบคุมความแม่นยำเพื่อการเจาะลึกที่สม่ำเสมอ

ความลึกของการเจาะที่ได้จากการใช้เครื่องเชื่อมเลเซอร์แบบพกพา 1000 วัตต์ ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสามประการที่เกี่ยวข้องกับค่าตั้งค่าของออปติกและการเคลื่อนไหว โดยตำแหน่งโฟกัสเป็นสิ่งสำคัญที่สุด หากโฟกัสคลาดเคลื่อนเพียงแค่ครึ่งมิลลิเมตรจากเป้าหมาย ความลึกของการเจาะอาจเปลี่ยนแปลงได้มากถึง 20% เมื่อทำงานกับวัสดุสแตนเลส เนื่องจากความเข้มข้นของพลังงานลดลงที่ผิวสัมผัส ซึ่งควรจะต้องมีความเข้มข้นสูงสุด ขณะเดียวกัน เมื่อผู้ปฏิบัติงานใช้การสั่นสะเทือนลำแสง หรือที่บางคนเรียกว่า wobbling จะทำให้เกิดพื้นที่หลอมเหลวที่กว้างขึ้น ส่งผลให้สามารถเชื่อมช่องว่างในข้อต่อที่หนาได้ดีขึ้น ในทางกลับกัน การลดขนาดจุดโฟกัสลงต่ำกว่า 0.2 มม. จะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานอย่างมาก ทำให้เกิดการหลอมรวมที่ลึกลงไปในวัสดุ ผู้ผลิตที่ทดสอบระบบนี้สำหรับการประยุกต์ใช้กับโลหะแผ่นในอุตสาหกรรมยานยนต์พบว่า การควบคุมโฟกัสให้อยู่ในช่วงบวกหรือลบ 0.1 มม. ตลอดกระบวนการผลิต จะช่วยให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและตรงตามข้อกำหนดด้านโครงสร้างในการผลิตซ้ำๆ

ความเร็วในการสแกนเทียบกับเวลาที่ใช้: การปรับให้เหมาะสมสำหรับ 6.5 มม. (¼ นิ้ว) ในการตั้งค่าแบบหลายรอบ

การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความเร็วในการสแกนและช่วงเวลาพักระหว่างการเชื่อมแต่ละชั้นเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำการเชื่อมชิ้นงานหนา เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนหนา 6.5 มม. หากต้องการให้เกิดการซึมผ่านเต็มที่โดยไม่เกิดปัญหาเช่น การทะลุของเหลว (burn through) หรือการเชื่อมติดไม่สนิท (cold laps) เมื่อผู้ปฏิบัติงานเพิ่มความเร็วในการสแกนเกินประมาณ 10 มม. ต่อวินาที จะทำให้ปริมาณความร้อนที่ส่งเข้าไปลดลง และทำให้เขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (Heat Affected Zone) มีขนาดเล็กลง แต่ก็มีความเสี่ยงอย่างชัดเจนต่อการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ในชั้นเชื่อมที่ลึกกว่า ส่วนใหญ่ช่างเชื่อมที่มีประสบการณ์ซึ่งทำงานกับข้อต่อหนา 6.5 มม. มักพบว่าการเว้นช่วงเวลาประมาณ 400 ถึง 600 มิลลิวินาทีระหว่างแต่ละชั้นจะให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ช่วงหยุดสั้นๆ นี้ช่วยให้โลหะเริ่มแข็งตัวบางส่วนและปลดปล่อยแรงเครียดภายในบางส่วน ซึ่งช่วยสร้างรอยเชื่อมชั้นรากที่มีความมั่นคง การเคลื่อนที่ช้าเกินไป เช่น ต่ำกว่า 3 มม. ต่อวินาที จะทำให้สะสมความร้อนมากเกินไป และก่อให้เกิดหลุมหลอมเหลวที่ไม่เสถียร และหากช่วงเวลาพักสั้นลงต่ำกว่า 300 มิลลิวินาที โดยเฉพาะในสองชั้นแรก รอยเชื่อมมักจะยึดติดกันระหว่างชั้นได้ไม่ดี อย่างไรก็ตาม ตัวเลขเหล่านี้ไม่ได้ตายตัว เพราะจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนตามปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของเหล็กที่ใช้ รูปร่างของข้อต่อ หรือแม้แต่อุณหภูมิในสภาพแวดล้อม แต่ค่าต่างๆ เหล่านี้ยังคงเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับผู้ที่กำลังพัฒนากระบวนการเชื่อมของตนเอง