การเชื่อมลำแสงเลเซอร์
การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์เป็นวิธีการเชื่อมที่มีประสิทธิภาพสูงและแม่นยำสูงโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเป็นแหล่งความร้อน การเชื่อมสามารถทำได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องหรือแบบพัลส์ ตามหลักการของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ กระบวนการนี้สามารถแบ่งออกได้อีกเป็นสองประเภท ได้แก่ การเชื่อมด้วยการนำความร้อนและการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบลึก ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า 104 ~ 105 W/cm2 หมายถึงการเชื่อมด้วยการนำความร้อน ในเวลานั้น ความลึกของการเจาะจะตื้นเมื่อความเร็วในการเชื่อมช้า เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 105 ~ 107W /cm2 ภายใต้การกระทำของความร้อน พื้นผิวโลหะจะขยายเป็นรอยเว้าในลักษณะ "รู" เพื่อสร้างการเชื่อมแบบเจาะลึก
คุณสมบัติ
คุณสมบัติของความเร็วในการเชื่อมที่รวดเร็วและอัตราส่วนภาพขนาดใหญ่
การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์โดยทั่วไปจะใช้ลำแสงเลเซอร์ต่อเนื่องเพื่อทำให้การเชื่อมต่อวัสดุเสร็จสมบูรณ์ กระบวนการทางกายภาพของโลหะวิทยามีความคล้ายคลึงกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมาก นั่นคือ กลไกการแปลงพลังงานเสร็จสมบูรณ์ด้วยโครงสร้าง "รูกุญแจ"
ภายใต้การฉายแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของกำลังสูงเพียงพอ วัสดุจะระเหยและเกิดรูเล็กๆ รูเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยไอน้ำนี้เปรียบเสมือนวัตถุสีดำที่ดูดซับพลังงานเกือบทั้งหมดของลำแสงตกกระทบ อุณหภูมิสมดุลในโพรงอยู่ที่ประมาณ 2500 องศาเซลเซียส ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากผนังด้านนอกของโพรงอุณหภูมิสูง ทำให้โลหะที่อยู่รอบๆ โพรงหลอมละลาย รูเล็กๆ เต็มไปด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเหยอย่างต่อเนื่องของวัสดุผนังภายใต้ลำแสง
ผนังทั้ง 4 ด้านของรูเล็ก ๆ ล้อมรอบโลหะหลอมเหลวและโลหะเหลวล้อมรอบวัสดุแข็ง (ในกระบวนการเชื่อมแบบธรรมดาและการเชื่อมด้วยการนำแสงเลเซอร์ส่วนใหญ่ พลังงานจะอยู่อันดับแรก (สะสมบนพื้นผิวของชิ้นงาน จากนั้นจึงส่งผ่านไปยังด้านในด้วยการถ่ายโอน) การไหลของของเหลวภายนอกผนังรูและแรงตึงผิวของชั้นผนังจะสอดคล้องกับแรงดันไอน้ำที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในโพรงรูและรักษาสมดุลแบบไดนามิก ลำแสงจะเข้าสู่รูเล็กอย่างต่อเนื่องและวัสดุภายนอกรูเล็กจะไหลอย่างต่อเนื่อง เมื่อลำแสงเคลื่อนที่ รูเล็กจะอยู่ในสถานะการไหลที่เสถียรเสมอ
กล่าวคือ รูเล็กและโลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบ ๆ รูจะเคลื่อนไปข้างหน้าด้วยความเร็วไปข้างหน้าของคานนำ โลหะหลอมเหลวจะเติมช่องว่างที่เหลือจากรูเล็ก จากนั้นจึงควบแน่น และเกิดการเชื่อมขึ้น กระบวนการข้างต้นทั้งหมดเกิดขึ้นเร็วมากจนความเร็วในการเชื่อมสามารถไปถึงหลายเมตรต่อนาทีได้อย่างง่ายดาย
1. การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์คือการเชื่อมแบบฟิวชั่น ซึ่งใช้ลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งพลังงานและส่งผลกระทบต่อรอยเชื่อม
2. ลำแสงเลเซอร์สามารถนำทางได้โดยองค์ประกอบออปติกแบบแบน (เช่น กระจก) จากนั้นลำแสงจะถูกฉายไปที่รอยเชื่อมด้วยองค์ประกอบโฟกัสหรือเลนส์สะท้อนแสง
3. การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์เป็นการเชื่อมแบบไม่ต้องสัมผัส ไม่จำเป็นต้องมีแรงกดดันระหว่างการทำงาน แต่ต้องใช้ก๊าซเฉื่อยเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันในแอ่งหลอมเหลว โลหะเติมจะถูกใช้เป็นครั้งคราว
4. การเชื่อมลำแสงเลเซอร์สามารถผสมผสานกับการเชื่อม MIG เพื่อสร้างการเชื่อมคอมโพสิต MIG ด้วยเลเซอร์ เพื่อให้สามารถเชื่อมด้วยการเจาะทะลุขนาดใหญ่ ในขณะที่ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไปนั้นลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการเชื่อม MIG
การใช้งาน
เครื่องเชื่อมเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตที่มีความแม่นยำสูง เช่น ยานยนต์ เรือ เครื่องบิน และรถไฟความเร็วสูง ช่วยปรับปรุงคุณภาพชีวิตของผู้คนได้อย่างมาก และยังผลักดันให้อุตสาหกรรมเครื่องใช้ในบ้านก้าวเข้าสู่วิศวกรรมแม่นยำอีกด้วย
การเชื่อมอาร์คพลาสม่า
การเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่าหมายถึงวิธีการเชื่อมแบบฟิวชันที่ใช้ลำแสงที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงจากอาร์กพลาสม่าเป็นแหล่งความร้อนในการเชื่อม ในระหว่างการเชื่อม ก๊าซไอออน (ที่ก่อตัวเป็นอาร์กไอออน) และก๊าซป้องกัน (เพื่อป้องกันแอ่งหลอมเหลวและรอยเชื่อมจากผลกระทบที่เป็นอันตรายของอากาศ) จะเป็นอาร์กอนบริสุทธิ์ อิเล็กโทรดที่ใช้ในการเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่าโดยทั่วไปคืออิเล็กโทรดทังสเตน และบางครั้งอาจต้องเติมโลหะ (ลวดเชื่อม) โดยทั่วไปแล้ว จะใช้การเชื่อมต่อแบบ DC บวก (แท่งทังสเตนเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดลบ) ดังนั้น การเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่าจึงเป็นการเชื่อมด้วยก๊าซทังสเตนที่มีเอฟเฟกต์การบีบอัดโดยพื้นฐาน
การเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่ามีคุณสมบัติของความเข้มข้นของพลังงาน ประสิทธิภาพการทำงานสูง ความเร็วในการเชื่อมที่รวดเร็ว การเสียรูปจากความเครียดน้อย และการแยกไฟฟ้าที่เสถียร และเหมาะสำหรับการเชื่อมแผ่นบางและวัสดุกล่อง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุโลหะที่ทนไฟ ออกซิไดซ์ได้ง่าย และไวต่อความร้อน (เช่น ทังสเตน โมลิบดีนัม ทองแดง นิกเกิล ไททาเนียม เป็นต้น)
แก๊สจะแตกตัวเมื่อได้รับความร้อนจากอาร์ก และจะถูกบีบอัดเมื่อผ่านหัวฉีดที่ระบายความร้อนด้วยน้ำด้วยความเร็วสูง ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานและระดับการแตกตัวเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดอาร์กพลาสม่า ความเสถียร ค่าความร้อน และอุณหภูมิจะสูงกว่าอาร์กทั่วไป ดังนั้นจึงสามารถทะลุทะลวงและเชื่อมได้เร็วกว่า แก๊สที่สร้างอาร์กพลาสม่าและแก๊สป้องกันรอบๆ โดยทั่วไปจะใช้ก๊าซอาร์กอนบริสุทธิ์ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุของชิ้นงานแต่ละชิ้น บางชนิดใช้ฮีเลียม ไนโตรเจน อาร์กอน หรือส่วนผสมของทั้งสองอย่าง
คุณสมบัติ
1. การเชื่อมพลาสม่าอาร์กไมโครบีมสามารถเชื่อมฟอยล์และแผ่นบางได้
2. ด้วยเอฟเฟกต์รูขนาดเล็ก ทำให้สามารถเชื่อมด้านเดียวและขึ้นรูปอิสระสองด้านได้ดีขึ้น
3. อาร์กพลาสม่ามีความหนาแน่นของพลังงานสูง อุณหภูมิคอลัมน์อาร์กสูง และมีความสามารถในการทะลุทะลวงสูง สามารถบรรลุ 10-12mm เหล็กหนาไม่มีรอยเชื่อมเฉียง สามารถเชื่อมได้ด้วยการขึ้นรูปสองด้านในครั้งเดียว ความเร็วในการเชื่อมเร็ว ประสิทธิภาพการผลิตสูง และการเสียรูปจากความเค้นน้อย
4. อุปกรณ์ค่อนข้างซับซ้อน ใช้แก๊สมาก กลุ่มนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับระยะห่างและความสะอาดของชิ้นงาน และเหมาะสำหรับการเชื่อมในร่มเท่านั้น
การใช้งาน
การเชื่อมพลาสม่าเป็นวิธีหนึ่งที่สำคัญในการผลิตทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการเชื่อมทองแดงและโลหะผสมทองแดง ไททาเนียมและโลหะผสมไททาเนียม เหล็กโลหะผสม เหล็กกล้าไร้สนิม โมลิบดีนัม และโลหะอื่นๆ ที่ใช้ในอวกาศ ซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมการทหารและอุตสาหกรรมขั้นสูงอื่นๆ เช่น การผลิตกระสุนขีปนาวุธบางชนิดที่ทำด้วยโลหะผสมไททาเนียม และภาชนะผนังบางบางส่วนบนเครื่องบิน
ต้นทุน การบำรุงรักษา และประสิทธิภาพการดำเนินงาน
ปัจจัยบางประการที่เกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบตัวเลือกเทคโนโลยีระหว่างการเชื่อมลำแสงเลเซอร์และการเชื่อมด้วยอาร์กพลาสมาสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม ได้แก่ ต้นทุน การบำรุงรักษา และประสิทธิภาพการทำงาน
การวิเคราะห์ต้นทุน
การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์ต้องใช้การลงทุนเริ่มต้นสูง เนื่องจากอุปกรณ์มีความซับซ้อนเมื่อเทียบกับการเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่า มูลค่าของระบบเชื่อมเลเซอร์ในอุตสาหกรรมทั่วไปมักจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ $200,000 ในขณะที่ระบบเชื่อมด้วยอาร์คพลาสม่ามีต้นทุนอยู่ที่ประมาณ $10,000 ไป $50,000 อย่างไรก็ตาม LBW มีศักยภาพในการประหยัดต้นทุนในระยะยาวได้อย่างมาก เนื่องมาจากอัตราการประมวลผลที่เพิ่มขึ้น รวมถึงการตกแต่งหลังการเชื่อมที่น้อยที่สุดที่จำเป็น การเชื่อมด้วยพลาสม่าอาจมีต้นทุนสิ้นเปลืองที่สูงขึ้นสำหรับการดำเนินการต่อเนื่อง
ข้อกำหนดในการบำรุงรักษา
เนื่องจากชิ้นส่วนสิ้นเปลือง เช่น อิเล็กโทรดและหัวฉีดแก๊ส สึกหรอบ่อยกว่า ระบบเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่าจึงมักต้องบำรุงรักษาบ่อยกว่า ในทางตรงกันข้าม ระบบเชื่อมด้วยเลเซอร์ต้องใช้ชิ้นส่วนสิ้นเปลืองน้อยกว่า แต่เลนส์และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ต้องทำความสะอาดและปรับเทียบใหม่เป็นครั้งคราว หากบำรุงรักษาอย่างถูกต้อง แหล่งกำเนิดเลเซอร์จะใช้งานได้นานกว่า 20,000 ชั่วโมงโดยมีเวลาหยุดทำงานน้อยลง ระบบพลาสม่าแม้จะง่ายกว่า แต่ก็อาจต้องหยุดชะงักบ่อยกว่าเนื่องจากชิ้นส่วนสิ้นเปลืองสึกหรอ
ประสิทธิภาพการดำเนินงาน
เทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นรวดเร็วและแม่นยำกว่ามาก โดยสามารถเชื่อมวัสดุที่มีความบางได้เร็วถึง 10 เมตรต่อนาที จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตจำนวนมาก นอกจากนี้ เทคนิคนี้ยังสามารถสร้างพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนได้เล็กมาก จึงทำให้วัสดุเกิดการบิดเบือนน้อยที่สุด จึงช่วยปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ได้ การเชื่อมด้วยพลาสม่านั้นมีประสิทธิภาพกับวัสดุที่มีความหนา แต่ด้วยความเร็วที่ช้ากว่า ซึ่งมักต้องมีการตกแต่งเพิ่มเติมเพื่อทำความสะอาดรอยเชื่อม เช่น การเจียร
แม้ว่าการเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์จะต้องมีต้นทุนการลงทุนที่สูงขึ้นในช่วงแรก แต่ประสิทธิภาพและความจำเป็นในการบำรุงรักษาที่น้อยลงมักจะให้ประโยชน์ด้านต้นทุนในระยะยาว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง การเชื่อมด้วยอาร์กพลาสม่ายังคงเหมาะสำหรับงานที่ซับซ้อนน้อยกว่าและการใช้งานขนาดเล็ก
