พารามิเตอร์การเชื่อมด้วยเลเซอร์

1) พลังงานเลเซอร์ มีเกณฑ์ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้านล่างซึ่งความลึกของการละลายจะตื้นและเมื่อถึงค่านี้หรือเกินความลึกของการละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เฉพาะเมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์บนชิ้นงานเกินกว่าเกณฑ์ (ขึ้นอยู่กับวัสดุ) พลาสมาจะถูกสร้างขึ้นซึ่งทำเครื่องหมายความเสถียรของการเชื่อมฟิวชั่นลึก หากพลังงานเลเซอร์ต่ำกว่าเกณฑ์นี้ชิ้นงานจะผ่านการหลอมละลายพื้นผิวเท่านั้นเช่นการเชื่อมจะดำเนินการในประเภทการถ่ายเทความร้อนที่มั่นคง เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์อยู่ใกล้กับสภาพวิกฤติของการก่อตัวของรูเล็ก ๆ การเชื่อมฟิวชั่นลึกและการเชื่อมการนำทางเลือกและกลายเป็นกระบวนการเชื่อมที่ไม่แน่นอนส่งผลให้เกิดความผันผวนอย่างมากในความลึกของการละลาย ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบฟิวชั่นลึกพลังเลเซอร์ควบคุมทั้งความลึกของการเจาะและความเร็วในการเชื่อมดังแสดงในรูปที่ 1 ความลึกการเชื่อมของการละลายนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความหนาแน่นพลังงานของลำแสงและเป็นหน้าที่ของพลังลำแสงและจุดโฟกัสลำแสง โดยทั่วไปสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่แน่นอนของลำแสงเลเซอร์ความลึกของการละลายจะเพิ่มขึ้นเมื่อพลังงานลำแสงเพิ่มขึ้น

2) จุดโฟกัสลำแสง ขนาดสปอตลำแสงเป็นหนึ่งในตัวแปรที่สำคัญที่สุดในการเชื่อมด้วยเลเซอร์เนื่องจากกำหนดความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตามการวัดของมันเป็นสิ่งที่ท้าทายสำหรับเลเซอร์พลังงานสูงแม้ว่าจะมีเทคนิคการวัดทางอ้อมจำนวนมากอยู่แล้ว

ขนาดจุด จำกัด การเลี้ยวเบนของลำแสงสามารถคำนวณได้จากทฤษฎีการเลี้ยวเบนของแสง แต่จุดจริงมีขนาดใหญ่กว่าค่าที่คำนวณได้เนื่องจากการปรากฏตัวของความผิดปกติของเลนส์โฟกัส วิธีการวัดจริงที่ง่ายที่สุดคือวิธีการโปรไฟล์ isothermal ซึ่งคือการวัดจุดโฟกัสและเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะหลังจากการเผาไหม้และเจาะแผ่นโพลีโพรพีลีนด้วยกระดาษหนา วิธีนี้ควรวัดโดยการฝึกฝนขนาดของพลังงานเลเซอร์และเวลาของการกระทำของลำแสง

3) ค่าการดูดซับวัสดุ การดูดซับเลเซอร์โดยวัสดุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่สำคัญบางอย่างของวัสดุเช่นอัตราการดูดซับการสะท้อนแสงการนำความร้อนอุณหภูมิหลอมละลายอุณหภูมิการระเหย ฯลฯ สิ่งที่สำคัญที่สุดคืออัตราการดูดซับ

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการดูดซับของวัสดุต่อลำแสงเลเซอร์รวมถึงสองด้าน: ประการแรกความต้านทานของวัสดุ หลังจากการวัดอัตราการดูดซับของพื้นผิวขัดเงาของวัสดุพบว่าอัตราการดูดซับของวัสดุเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานซึ่งจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ประการที่สองสถานะพื้นผิว (หรือเสร็จสิ้น) ของวัสดุมีผลกระทบที่สำคัญกว่าต่ออัตราการดูดซับของลำแสงดังนั้นจึงมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลการเชื่อม

ความยาวคลื่นเอาท์พุทเลเซอร์ CO2 มักจะ10.6μm, เซรามิก, แก้ว, ยาง, พลาสติกและโลหะอื่น ๆ ที่ไม่ใช่โลหะในอัตราการดูดซับที่อุณหภูมิห้องสูงมากในขณะที่วัสดุโลหะที่อุณหภูมิห้องในการดูดซับของมันแย่มาก การใช้วิธีการเคลือบผิวหรือการสร้างพื้นผิวของวิธีฟิล์มออกไซด์เพื่อปรับปรุงการดูดซึมของวัสดุไปยังลำแสงนั้นมีประสิทธิภาพมาก

4) ความเร็วในการเชื่อม ความเร็วในการเชื่อมมีผลกระทบอย่างมากต่อความลึกของการละลายเพิ่มความเร็วจะทำให้ความลึกของการละลายตื้น แต่ความเร็วต่ำเกินไปและจะนำไปสู่การละลายของวัสดุมากเกินไปชิ้นงานเชื่อมผ่าน ดังนั้นพลังงานเลเซอร์บางอย่างและความหนาบางอย่างของวัสดุเฉพาะมีช่วงความเร็วการเชื่อมที่เหมาะสมและค่าความเร็วที่สอดคล้องกันสามารถรับได้เมื่อความลึกสูงสุดของการละลาย รูปที่ 2 ให้ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการเชื่อมและความลึกของการละลายที่ 1,018 เหล็ก

5) ก๊าซป้องกัน กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์มักจะใช้ก๊าซเฉื่อยเพื่อป้องกันสระละลายเมื่อวัสดุบางส่วนเชื่อมโดยไม่คำนึงถึงการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวจากนั้นก็ไม่ได้พิจารณาการป้องกัน แต่สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่มักจะใช้ฮีเลียมอาร์กอนไนโตรเจนและก๊าซอื่น ๆ เพื่อการป้องกัน

ฮีเลียมไม่ได้เป็นไอออน (พลังงานไอออนไนซ์สูง) ทำให้เลเซอร์ผ่านและพลังงานลำแสงไปถึงพื้นผิวของชิ้นงานที่ไม่มีข้อ จำกัด มันเป็นก๊าซป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แต่มีราคาแพงกว่า

อาร์กอนมีราคาถูกกว่าและหนาแน่นกว่าดังนั้นจึงปกป้องได้ดีขึ้น อย่างไรก็ตามมันมีความไวต่อการเกิดไอออไนเซชันของโลหะที่อุณหภูมิสูงซึ่งส่งผลให้เกิดการป้องกันส่วนหนึ่งของลำแสงไปยังชิ้นงานลดพลังงานเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเชื่อมและทำให้ความเร็วในการเชื่อมและความลึกของการละลายลดลง พื้นผิวของชิ้นส่วนเชื่อมนั้นเรียบเนียนขึ้นด้วยการป้องกันอาร์กอนมากกว่าการป้องกันฮีเลียม

ไนโตรเจนเป็นก๊าซป้องกันที่ถูกที่สุด แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมสแตนเลสบางประเภทส่วนใหญ่เกิดจากปัญหาทางโลหะวิทยาเช่นการดูดซึมซึ่งบางครั้งทำให้เกิดความพรุนในโซนตัก

บทบาทที่สองของการใช้ก๊าซป้องกันคือการป้องกันเลนส์โฟกัสจากการปนเปื้อนไอของโลหะและการสปัตเตอร์ของหยดหลอมเหลวของเหลว สิ่งนี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการเชื่อมด้วยเลเซอร์พลังงานสูงซึ่ง ejecta มีพลังมาก

ฟังก์ชั่นที่สามของก๊าซป้องกันคือมันมีประสิทธิภาพในการกระจายพลาสมาป้องกันที่ผลิตโดยการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ไอโลหะดูดซับลำแสงเลเซอร์และไอออไนซ์ลงในเมฆพลาสมาและก๊าซป้องกันรอบ ๆ ไอโลหะก็ถูกทำให้เป็นไอออนด้วยความร้อน หากมีพลาสมามากเกินไปลำแสงเลเซอร์จะถูกใช้โดยพลาสมาในระดับหนึ่ง การปรากฏตัวของพลาสมาเป็นพลังงานที่สองบนพื้นผิวการทำงานทำให้ความลึกของการละลายตื้นและพื้นผิวสระว่ายน้ำเชื่อมกว้างขึ้น อัตราการซับซ้อนของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนไอออนและการชนกันสามครั้งของอิเล็กตรอนและเป็นกลางเพื่อลดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพลาสมา ยิ่งมีน้ำหนักเบาขึ้นอะตอมที่เป็นกลางยิ่งมีความถี่การชนกันมากเท่าไหร่อัตราการผสมก็จะสูงขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกันมีเพียงพลังงานไอออไนเซชันสูงของก๊าซป้องกันเพื่อไม่ให้เพิ่มความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซเอง

ดังที่เห็นได้จากตารางขนาดเมฆพลาสม่าจะแตกต่างกันไปตามก๊าซป้องกันที่ใช้โดยฮีเลียมมีขนาดเล็กที่สุดตามด้วยไนโตรเจนและใหญ่ที่สุดเมื่อใช้อาร์กอน ยิ่งขนาดพลาสมามีขนาดใหญ่เท่าใดความลึกของการหลอมละลาย เหตุผลของความแตกต่างนี้เป็นประการแรกเนื่องจากระดับที่แตกต่างกันของไอออนไนซ์ของโมเลกุลก๊าซและเนื่องจากความแตกต่างในการแพร่กระจายของไอโลหะที่เกิดจากความหนาแน่นที่แตกต่างกันของก๊าซป้องกัน

ฮีเลียมเป็นไอออนน้อยที่สุดและมีความหนาแน่นน้อยที่สุดและมันจะกำจัดไอโลหะที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจากสระโลหะที่หลอมเหลว ดังนั้นการใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซป้องกันสามารถเพิ่มการปราบปรามของพลาสมาได้สูงสุดซึ่งจะเป็นการเพิ่มความลึกของการละลายและปรับปรุงความเร็วในการเชื่อม ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะทำให้เกิดความพรุนเนื่องจากน้ำหนักเบาและความสามารถในการหลบหนี แน่นอนจากผลการเชื่อมที่แท้จริงของเราผลของการป้องกันด้วยแก๊สอาร์กอนไม่เลว

พลาสม่าเมฆที่ระดับความลึกของการละลายในโซนความเร็วการเชื่อมต่ำนั้นชัดเจนที่สุด เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้นอิทธิพลของมันจะลดลง

ก๊าซป้องกันจะถูกขับออกมาผ่านการเปิดหัวฉีดที่ความดันบางอย่างเพื่อไปยังพื้นผิวชิ้นงาน รูปร่างอุทกพลศาสตร์ของหัวฉีดและขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของทางออกมีความสำคัญมาก มันจะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะขับเคลื่อนก๊าซป้องกันการฉีดพ่นเพื่อให้ครอบคลุมพื้นผิวการเชื่อม แต่เพื่อป้องกันเลนส์อย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันการปนเปื้อนไอของโลหะหรือความเสียหายของโลหะสปากับเลนส์ขนาดหัวฉีดก็ควรถูก จำกัด ควรมีการควบคุมอัตราการไหลไม่เช่นนั้นการไหลแบบราบเรียบของก๊าซป้องกันจะกลายเป็นปั่นป่วนและชั้นบรรยากาศจะมีส่วนร่วมในสระที่หลอมเหลวในที่สุดก็กลายเป็นรูพรุน

เพื่อปรับปรุงเอฟเฟกต์การป้องกันยังมีวิธีการเป่าด้านข้างเพิ่มเติมนั่นคือผ่านหัวฉีดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเล็กจะเป็นก๊าซป้องกันไปยังมุมที่แน่นอนโดยตรงเข้าไปในรูเชื่อมหลอมเหลวลึก ก๊าซป้องกันไม่เพียง แต่ยับยั้งเมฆพลาสมาบนพื้นผิวของชิ้นงาน แต่ยังมีอิทธิพลต่อพลาสมาในรูและการก่อตัวของรูเล็ก ๆ เพิ่มความลึกของการหลอมรวมและได้รับรอยเชื่อมที่ลึกและกว้างกว่า อย่างไรก็ตามวิธีนี้ต้องมีการควบคุมขนาดและทิศทางการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำมิฉะนั้นจะง่ายต่อการสร้างความปั่นป่วนและความเสียหายต่อสระละลายซึ่งส่งผลให้กระบวนการเชื่อมนั้นยากที่จะทำให้เสถียร

6) ความยาวโฟกัสของเลนส์ การเชื่อมมักใช้เพื่อมุ่งเน้นไปที่วิธีการบรรจบกันของเลเซอร์ตัวเลือกทั่วไปของ 63 ~ 254 มม. (2.5 '~ 10 ') ความยาวโฟกัสของเลนส์ ขนาดสปอตที่เน้นเป็นสัดส่วนกับความยาวโฟกัสยิ่งมีความยาวโฟกัสสั้นลงจุดที่เล็กลง แต่ความยาวโฟกัสยังส่งผลต่อความลึกโฟกัสนั่นคือความลึกโฟกัสจะเพิ่มขึ้นพร้อมกันกับความยาวโฟกัสดังนั้นความยาวโฟกัสสั้น ๆ สามารถปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานได้ เนื่องจากอิทธิพลของการกระเซ็นที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อมและโหมดเลเซอร์การเชื่อมจริงโดยใช้ความลึกที่สั้นที่สุดของการโฟกัสความยาวโฟกัสมากขึ้น 126 มม. (5 ') เมื่อตะเข็บมีขนาดใหญ่ หลอมละลายรูเล็ก ๆ

เมื่อพลังงานเลเซอร์เกิน 2kW โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับลำแสงเลเซอร์ CO2 10.6μmเนื่องจากการใช้วัสดุออพติคอลพิเศษเพื่อสร้างระบบออปติคัลเพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของความเสียหายทางแสงกับเลนส์โฟกัสมักเลือกวิธีการโฟกัสแบบสะท้อนแสง เนื่องจากการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพแนะนำให้ใช้สำหรับลำแสงเลเซอร์พลังงานสูง

7) ตำแหน่งจุดโฟกัส การเชื่อมเพื่อรักษาความหนาแน่นพลังงานที่เพียงพอตำแหน่งจุดโฟกัสเป็นสิ่งสำคัญ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของจุดโฟกัสเมื่อเทียบกับพื้นผิวชิ้นงานส่งผลโดยตรงต่อความกว้างและความลึกของการเชื่อม รูปที่ 3 แสดงผลของตำแหน่งจุดโฟกัสต่อความลึกของความกว้างของการละลายและความกว้างของตะเข็บที่เหล็ก 1018 ในแอพพลิเคชั่นการเชื่อมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่จุดโฟกัสมักจะอยู่ในตำแหน่งประมาณ 1/4 ของความลึกที่ต้องการของการละลายใต้พื้นผิวชิ้นงาน

8) ตำแหน่งลำแสงเลเซอร์ เมื่อเลเซอร์เชื่อมวัสดุที่แตกต่างกันตำแหน่งลำแสงเลเซอร์จะควบคุมคุณภาพสุดท้ายของการเชื่อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของข้อต่อก้นซึ่งมีความไวต่อสิ่งนี้มากกว่าข้อต่อตัก ตัวอย่างเช่นเมื่อเกียร์เหล็กชุบแข็งเข้ากับกลองเหล็กอ่อนการควบคุมตำแหน่งลำแสงเลเซอร์ที่เหมาะสมจะช่วยให้การผลิตเชื่อมกับส่วนประกอบคาร์บอนต่ำส่วนใหญ่ซึ่งมีความต้านทานรอยแตกที่ดีกว่า ในบางแอปพลิเคชันรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงานที่จะเชื่อมจะต้องใช้ลำแสงเลเซอร์ที่จะเบี่ยงเบนไปตามมุม เมื่อมุมการโก่งตัวระหว่างแกนลำแสงและระนาบร่วมอยู่ภายใน 100 องศาการดูดซึมพลังงานเลเซอร์โดยชิ้นงานจะไม่ได้รับผลกระทบ

9) จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปของพลังงานเลเซอร์การควบคุมการลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป การเชื่อมฟิวชั่นแบบลึกเลเซอร์โดยไม่คำนึงถึงความลึกของการเชื่อมปรากฏการณ์ของหลุมเล็ก ๆ จะมีอยู่เสมอ เมื่อกระบวนการเชื่อมถูกยกเลิกและปิดสวิตช์ไฟปล่องภูเขาไฟจะปรากฏขึ้นที่ส่วนท้ายของการเชื่อม นอกจากนี้เมื่อเลเยอร์การเชื่อมด้วยเลเซอร์ครอบคลุมการเชื่อมดั้งเดิมจะมีการดูดซับลำแสงเลเซอร์มากเกินไปส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือมีความพรุนของการเชื่อม

เพื่อป้องกันปรากฏการณ์ข้างต้นจุดเริ่มต้นและจุดหยุดสามารถตั้งโปรแกรมได้เพื่อให้เวลาเริ่มต้นและเวลาหยุดสามารถปรับได้เช่นพลังงานเริ่มต้นจะเพิ่มขึ้นทางอิเล็กทรอนิกส์จากศูนย์เป็นค่าพลังงานที่ตั้งไว้ในช่วงเวลาสั้น ๆ