พารามิเตอร์กระบวนการหลักของการเชื่อมด้วยเลเซอร์

1) พลังเลเซอร์ มีเกณฑ์ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ซึ่งความลึกของการหลอมเหลวจะอยู่ต่ำกว่าระดับตื้น และเมื่อถึงหรือเกินค่านี้ ความลึกของการหลอมจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เฉพาะเมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์บนชิ้นงานเกินขีดจำกัด (ขึ้นอยู่กับวัสดุ) เท่านั้น จึงจะสร้างพลาสมา ซึ่งถือเป็นการรักษาเสถียรภาพของการเชื่อมฟิวชันแบบลึก หากกำลังเลเซอร์ต่ำกว่าเกณฑ์นี้ ชิ้นงานจะต้องผ่านการหลอมที่พื้นผิวเท่านั้น กล่าวคือ การเชื่อมจะดำเนินไปในรูปแบบการถ่ายเทความร้อนที่เสถียร เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์อยู่ใกล้สภาวะวิกฤตของการเกิดรูขนาดเล็ก การเชื่อมฟิวชันลึกและการเชื่อมแบบนำจะสลับกันและกลายเป็นกระบวนการเชื่อมที่ไม่เสถียร ส่งผลให้เกิดความผันผวนอย่างมากในความลึกของหลอม ในการเชื่อมฟิวชั่นด้วยเลเซอร์ระดับลึก พลังงานเลเซอร์จะควบคุมทั้งความลึกของการเจาะทะลุและความเร็วในการเชื่อม ดังแสดงในรูปที่ 1 ความลึกในการเชื่อมของการหลอมจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับความหนาแน่นของพลังงานลำแสง และเป็นหน้าที่ของพลังงานลำแสงตกกระทบและจุดโฟกัสของลำแสง โดยทั่วไป สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งของลำแสงเลเซอร์ ความลึกของการหลอมจะเพิ่มขึ้นเมื่อกำลังลำแสงเพิ่มขึ้น

2) จุดโฟกัสของลำแสง ขนาดลำแสงเป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เนื่องจากเป็นตัวกำหนดความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตาม การวัดถือเป็นความท้าทายสำหรับเลเซอร์กำลังสูง แม้ว่าจะมีเทคนิคการวัดทางอ้อมอยู่มากมายก็ตาม

ขนาดจุดจำกัดการเลี้ยวเบนโฟกัสของลำแสงสามารถคำนวณได้จากทฤษฎีการเลี้ยวเบนของแสง แต่จุดจริงนั้นใหญ่กว่าค่าที่คำนวณได้ เนื่องจากมีความคลาดเคลื่อนของเลนส์โฟกัส วิธีการวัดจริงที่ง่ายที่สุดคือวิธีการโปรไฟล์อุณหภูมิคงที่ ซึ่งก็คือการวัดจุดโฟกัสและเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจาะหลังจากการเผาและทะลุแผ่นโพลีโพรพีลีนด้วยกระดาษหนา วิธีการนี้ควรวัดโดยการฝึกฝน โดยควบคุมขนาดของกำลังเลเซอร์และเวลาของการทำงานของลำแสง

3) ค่าการดูดซึมวัสดุ การดูดซับของเลเซอร์โดยวัสดุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่สำคัญบางประการของวัสดุ เช่น อัตราการดูดซับ การสะท้อนกลับ การนำความร้อน อุณหภูมิหลอมเหลว อุณหภูมิการระเหย เป็นต้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคืออัตราการดูดซับ

ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการดูดซับของวัสดุไปยังลำแสงเลเซอร์มีสองด้าน: ประการแรก ความต้านทานของวัสดุ หลังจากวัดอัตราการดูดซับของพื้นผิวขัดเงาของวัสดุแล้ว พบว่าอัตราการดูดซับของวัสดุเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทาน ซึ่งจะแปรผันตามอุณหภูมิ ประการที่สอง สภาพพื้นผิว (หรือผิวสำเร็จ) ของวัสดุมีผลกระทบที่สำคัญมากกว่าต่ออัตราการดูดซับของลำแสง ดังนั้นจึงมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลการเชื่อม

โดยทั่วไปแล้วความยาวคลื่นเอาต์พุตเลเซอร์ CO2 จะอยู่ที่ 10.6μm เซรามิก แก้ว ยาง พลาสติก และอโลหะอื่นๆ มีอัตราการดูดซับที่อุณหภูมิห้องสูงมาก ในขณะที่วัสดุโลหะที่อุณหภูมิห้องมีการดูดซึมได้แย่มาก จนกระทั่งวัสดุละลายหรือระเหยกลายเป็นไอ การดูดซึมก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การใช้การเคลือบพื้นผิวหรือการสร้างพื้นผิวของวิธีฟิล์มออกไซด์เพื่อปรับปรุงการดูดซับของวัสดุไปยังลำแสงนั้นมีประสิทธิภาพมาก

4) ความเร็วในการเชื่อม ความเร็วในการเชื่อมมีผลกระทบอย่างมากต่อความลึกของการหลอม เพิ่มความเร็วจะทำให้ความลึกของการหลอมตื้น แต่ความเร็วต่ำเกินไป และจะทำให้วัสดุหลอมละลายมากเกินไป ชิ้นงานจะเชื่อมผ่าน ดังนั้นกำลังเลเซอร์และความหนาที่แน่นอนของวัสดุเฉพาะจึงมีช่วงความเร็วในการเชื่อมที่เหมาะสม และสามารถรับค่าความเร็วที่สอดคล้องกันได้เมื่อความลึกสูงสุดของการหลอมละลาย รูปที่ 2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการเชื่อมและความลึกหลอมของเหล็ก 1018

5) ก๊าซป้องกัน กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์มักใช้ก๊าซเฉื่อยเพื่อปกป้องบ่อหลอม เมื่อวัสดุบางชนิดเชื่อมโดยไม่คำนึงถึงการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิว จึงไม่คำนึงถึงการป้องกัน แต่สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่มักจะใช้ฮีเลียม อาร์กอน ไนโตรเจน และก๊าซอื่น ๆ ในการป้องกัน เพื่อให้ชิ้นงานจากการเกิดออกซิเดชันในระหว่างกระบวนการเชื่อม

ฮีเลียมไม่แตกตัวเป็นไอออนได้ง่าย (พลังงานไอออไนเซชันมีสูง) ทำให้เลเซอร์ทะลุผ่านได้ และพลังงานลำแสงเข้าถึงพื้นผิวของชิ้นงานได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง เป็นก๊าซป้องกันที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แต่มีราคาแพงกว่า

อาร์กอนมีราคาถูกกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่า จึงปกป้องได้ดีกว่า อย่างไรก็ตาม มีความไวต่อการไอออไนเซชันของพลาสมาโลหะที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งส่งผลให้ส่วนหนึ่งของลำแสงป้องกันชิ้นงาน ลดพลังงานเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพในการเชื่อม และยังทำให้ความเร็วในการเชื่อมและความลึกของการหลอมเหลวลดลงอีกด้วย พื้นผิวของส่วนที่เชื่อมจะเรียบเนียนกว่าด้วยการป้องกันอาร์กอนมากกว่าการป้องกันด้วยฮีเลียม

ไนโตรเจนเป็นก๊าซป้องกันที่ถูกที่สุด แต่ไม่เหมาะกับงานเชื่อมสแตนเลสบางประเภท สาเหตุหลักมาจากปัญหาด้านโลหะวิทยา เช่น การดูดซับ ซึ่งบางครั้งทำให้เกิดความพรุนในบริเวณตัก

บทบาทที่สองของการใช้แก๊สป้องกันคือการปกป้องเลนส์โฟกัสจากการปนเปื้อนของไอโลหะและการสปัตเตอร์ของหยดของเหลวที่หลอมละลาย นี่จำเป็นอย่างยิ่งในการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ซึ่งการดีดตัวออกมาจะมีพลังมาก

ฟังก์ชั่นที่สามของแก๊สป้องกันคือมีประสิทธิภาพในการกระจายตัวป้องกันพลาสมาที่เกิดจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ไอของโลหะดูดซับลำแสงเลเซอร์และแตกตัวเป็นไอออนในพลาสมาคลาวด์ และก๊าซป้องกันรอบๆ ไอของโลหะก็ถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อนเช่นกัน หากมีพลาสมามากเกินไป ลำแสงเลเซอร์จะถูกใช้โดยพลาสมาในระดับหนึ่ง การมีอยู่ของพลาสมาเป็นพลังงานที่สองบนพื้นผิวการทำงานทำให้ความลึกของการหลอมเหลวตื้นขึ้นและพื้นผิวสระเชื่อมกว้างขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเชิงซ้อนของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มจำนวนการชนกันของอิเล็กตรอน-ไอออนและอะตอมที่เป็นกลางของอะตอมที่เป็นกลาง เพื่อลดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพลาสมา ยิ่งอะตอมเป็นกลางมีน้ำหนักเบา ความถี่ในการชนก็จะยิ่งสูง อัตราสารประกอบก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ในทางกลับกันมีเพียงพลังงานไอออไนเซชันสูงของก๊าซป้องกันเท่านั้นเพื่อไม่ให้เพิ่มความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเนื่องจากการไอออไนซ์ของก๊าซนั้นเอง

ดังที่เห็นได้จากตาราง ขนาดของเมฆพลาสมาจะแตกต่างกันไปตามก๊าซป้องกันที่ใช้ โดยฮีเลียมจะมีขนาดเล็กที่สุด รองลงมาคือไนโตรเจน และใหญ่ที่สุดเมื่อใช้อาร์กอน ยิ่งพลาสมามีขนาดใหญ่เท่าใด ความลึกของการหลอมก็จะยิ่งตื้นขึ้นเท่านั้น สาเหตุของความแตกต่างนี้เนื่องมาจากระดับไอออไนซ์ของโมเลกุลก๊าซที่แตกต่างกัน และยังเนื่องมาจากความแตกต่างในการแพร่กระจายของไอโลหะที่เกิดจากความหนาแน่นที่แตกต่างกันของก๊าซป้องกัน

ฮีเลียมเป็นไอออนไนซ์น้อยที่สุดและมีความหนาแน่นน้อยที่สุด และช่วยขจัดไอโลหะที่ลอยขึ้นมาออกจากแอ่งโลหะหลอมเหลวได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นการใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซป้องกันจึงสามารถปราบปรามพลาสมาได้สูงสุด ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความลึกของการหลอมละลายและเพิ่มความเร็วในการเชื่อม ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดรูพรุนเนื่องจากมีน้ำหนักเบาและสามารถหลบหนีได้ แน่นอนว่าจากผลการเชื่อมจริงของเรา ผลของการป้องกันด้วยก๊าซอาร์กอนก็ไม่เลวเลย

เมฆพลาสมาบนความลึกของการหลอมละลายในโซนความเร็วการเชื่อมต่ำจะเห็นได้ชัดที่สุด เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้น อิทธิพลของมันจะลดลง

ก๊าซป้องกันจะถูกขับออกผ่านช่องหัวฉีดที่ความดันระดับหนึ่งเพื่อไปถึงพื้นผิวชิ้นงาน รูปร่างอุทกพลศาสตร์ของหัวฉีดและขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของทางออกมีความสำคัญมาก จะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะขับเคลื่อนก๊าซป้องกันที่ฉีดพ่นให้ครอบคลุมพื้นผิวการเชื่อม แต่เพื่อที่จะปกป้องเลนส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันการปนเปื้อนของไอโลหะหรือความเสียหายของโลหะกระเด็นไปที่เลนส์ ควรจำกัดขนาดหัวฉีดด้วย อัตราการไหลควรได้รับการควบคุมด้วย มิฉะนั้นการไหลแบบราบเรียบของก๊าซป้องกันจะปั่นป่วนและบรรยากาศจะเข้าไปเกี่ยวข้องกับแอ่งหลอมเหลว และทำให้เกิดรูพรุนในที่สุด

เพื่อปรับปรุงผลการป้องกัน มีวิธีเป่าด้านข้างเพิ่มเติม นั่นคือ ผ่านหัวฉีดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า ก๊าซป้องกันจะเข้าสู่รูเชื่อมหลอมเหลวลึกในมุมหนึ่งโดยตรง ก๊าซป้องกันไม่เพียงแต่ยับยั้งพลาสมาคลาวด์บนพื้นผิวของชิ้นงานเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อพลาสมาในรูและการก่อตัวของรูเล็ก ๆ อีกด้วย เพิ่มความลึกของฟิวชันเพิ่มเติม และได้รอยเชื่อมที่ลึกและกว้างกว่าที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมขนาดและทิศทางการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำ มิฉะนั้นจะทำให้เกิดความปั่นป่วนและสร้างความเสียหายให้กับบ่อหลอม ส่งผลให้กระบวนการเชื่อมรักษาเสถียรภาพได้ยาก

6) ทางยาวโฟกัสของเลนส์ การเชื่อมมักจะใช้ในการเน้นวิธีการบรรจบกันของเลเซอร์ ตัวเลือกทั่วไปของความยาวโฟกัส 63 ~ 254 มม. (2.5 '~ 10') ของเลนส์ ขนาดจุดที่โฟกัสจะแปรผันตามทางยาวโฟกัส ยิ่งทางยาวโฟกัสสั้น จุดก็ยิ่งเล็กลง แต่ทางยาวโฟกัสยังส่งผลต่อความลึกโฟกัสด้วย กล่าวคือ ความลึกโฟกัสจะเพิ่มขึ้นพร้อมกันกับทางยาวโฟกัส ดังนั้นทางยาวโฟกัสสั้นจึงสามารถปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานได้ แต่เนื่องจากความลึกโฟกัสน้อย ระยะห่างระหว่างเลนส์และชิ้นงานจึงต้องได้รับการดูแลอย่างถูกต้อง และความลึกของการหลอมเหลวไม่มาก เนื่องจากอิทธิพลของการกระเด็นที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อมและโหมดเลเซอร์ การเชื่อมจริงโดยใช้ระยะโฟกัสที่สั้นที่สุดจะมีทางยาวโฟกัสมากขึ้น 126 มม. (5') เมื่อรอยต่อมีขนาดใหญ่หรือจำเป็นต้องเพิ่มรอยเชื่อมโดยการเพิ่มขนาดจุด สามารถเลือกเลนส์ที่มีความยาวโฟกัส 254 มม. (10') ได้ ซึ่งในกรณีนี้จำเป็นต้องใช้กำลังขับเลเซอร์ที่สูงขึ้น (ความหนาแน่นของพลังงาน) เพื่อให้ได้เอฟเฟกต์รูเล็ก ๆ ที่ละลายลึก

เมื่อกำลังเลเซอร์เกิน 2kW โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับลำแสงเลเซอร์ CO2 10.6μm เนื่องจากการใช้วัสดุออพติคอลพิเศษเพื่อสร้างระบบออพติคอล เพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายทางแสงต่อเลนส์โฟกัส มักจะเลือกวิธีการโฟกัสแบบสะท้อน โดยทั่วไปจะใช้กระจกทองแดงขัดเงาสำหรับตัวสะท้อนแสง เนื่องจากการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ จึงมักแนะนำสำหรับการโฟกัสลำแสงเลเซอร์กำลังสูง

7) ตำแหน่งจุดโฟกัส การเชื่อมเพื่อรักษาความหนาแน่นของพลังงานให้เพียงพอ ตำแหน่งจุดโฟกัสจึงมีความสำคัญ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของจุดโฟกัสที่สัมพันธ์กับพื้นผิวชิ้นงานส่งผลโดยตรงต่อความกว้างและความลึกของการเชื่อม รูปที่ 3 แสดงผลของตำแหน่งจุดโฟกัสต่อความลึกของการหลอมละลายและความกว้างของตะเข็บของเหล็ก 1018 ในการใช้งานการเชื่อมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่ โดยทั่วไปจุดโฟกัสจะอยู่ที่ประมาณ 1/4 ของความลึกที่ต้องการของการหลอมใต้พื้นผิวชิ้นงาน

8) ตำแหน่งลำแสงเลเซอร์ เมื่อทำการเชื่อมด้วยเลเซอร์บนวัสดุที่แตกต่างกัน ตำแหน่งลำแสงเลเซอร์จะควบคุมคุณภาพขั้นสุดท้ายของการเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของข้อต่อชนซึ่งมีความไวต่อสิ่งนี้มากกว่าข้อต่อแบบตัก ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมเฟืองเหล็กชุบแข็งกับดรัมเหล็กอ่อน การควบคุมตำแหน่งลำแสงเลเซอร์อย่างเหมาะสมจะช่วยให้เกิดการเชื่อมที่มีส่วนประกอบคาร์บอนต่ำเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งมีความต้านทานการแตกร้าวได้ดีกว่า ในการใช้งานบางประเภท รูปทรงของชิ้นงานที่จะเชื่อมจำเป็นต้องให้ลำแสงเลเซอร์เบี่ยงเบนไปเป็นมุม เมื่อมุมโก่งระหว่างแกนลำแสงและระนาบข้อต่ออยู่ภายใน 100 องศา การดูดซับพลังงานเลเซอร์จากชิ้นงานจะไม่ได้รับผลกระทบ

9) จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเชื่อมของกำลังเลเซอร์เพิ่มขึ้นทีละน้อย การควบคุมการลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป การเชื่อมฟิวชั่นด้วยเลเซอร์ลึก ไม่ว่าความลึกของการเชื่อมจะเป็นอย่างไร ปรากฏการณ์ของรูเล็ก ๆ ก็ยังคงมีอยู่อยู่เสมอ เมื่อสิ้นสุดกระบวนการเชื่อมและปิดสวิตซ์ไฟ จะมีปล่องปรากฏขึ้นที่ปลายแนวเชื่อม นอกจากนี้ เมื่อชั้นการเชื่อมด้วยเลเซอร์ครอบคลุมการเชื่อมเดิม จะมีการดูดซับลำแสงเลเซอร์มากเกินไป ส่งผลให้แนวเชื่อมร้อนเกินไปหรือมีรูพรุน

เพื่อป้องกันปรากฏการณ์ข้างต้น สามารถตั้งโปรแกรมจุดสตาร์ทและหยุดกำลังเพื่อให้เวลาเริ่มต้นและหยุดของกำลังสามารถปรับได้ กล่าวคือ กำลังสตาร์ทจะเพิ่มขึ้นทางอิเล็กทรอนิกส์จากศูนย์เป็นค่ากำลังที่ตั้งไว้ในช่วงเวลาสั้น ๆ และเวลาในการเชื่อมจะถูกปรับ และสุดท้ายกำลังจะค่อยๆ ลดลงจากกำลังที่ตั้งไว้เป็นค่าศูนย์เมื่อการเชื่อมสิ้นสุดลง