คู่มือพื้นฐานการเชื่อมด้วยเลเซอร์

พื้นฐานการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ไม่ต้องสัมผัส ซึ่งต้องเข้าถึงโซนเชื่อมจากด้านหนึ่งของชิ้นส่วนที่กำลังเชื่อม

• รอยเชื่อมเกิดขึ้นจากแสงเลเซอร์เข้มข้นที่ให้ความร้อนกับวัสดุอย่างรวดเร็ว ซึ่งโดยทั่วไปจะคำนวณได้ภายในไม่กี่มิลลิวินาที

โดยทั่วไปมีรอยเชื่อม 3 ประเภท:

– โหมดการนำไฟฟ้า

– โหมดการนำ/การเจาะ

– โหมดการเจาะหรือรูกุญแจ

• การเชื่อมโหมดการนำไฟฟ้าจะดำเนินการที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ โดยสร้างก้อนเชื่อมที่ตื้นและกว้าง

• โหมดการนำ/การทะลุเกิดขึ้นที่ความหนาแน่นพลังงานปานกลาง และแสดงการทะลุมากกว่าโหมดการนำ

• การเชื่อมแบบเจาะทะลุหรือแบบรูกุญแจมีลักษณะเป็นรอยเชื่อมที่ลึกและแคบ

– ในโหมดนี้ แสงเลเซอร์จะสร้างเส้นใยของวัสดุที่กลายเป็นไอ ซึ่งเรียกว่า “รูกุญแจ” ที่ยื่นเข้าไปในวัสดุ และเป็นช่องทางให้แสงเลเซอร์ส่งผ่านไปยังวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ

– การส่งพลังงานโดยตรงเข้าไปในวัสดุนี้ไม่จำเป็นต้องอาศัยการนำความร้อนเพื่อให้ทะลุผ่าน จึงช่วยลดความร้อนเข้าไปในวัสดุและลดบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน

การเชื่อมด้วยการนำไฟฟ้า

• การเชื่อมต่อการนำไฟฟ้าอธิบายถึงกลุ่มกระบวนการที่ลำแสงเลเซอร์ถูกโฟกัส:

– ให้ความหนาแน่นพลังงานในระดับ 10³ Wmm⁻²

– หลอมรวมวัสดุเพื่อสร้างข้อต่อโดยไม่เกิดการระเหยอย่างมีนัยสำคัญ

• การเชื่อมด้วยการนำไฟฟ้ามี 2 โหมด:

– การให้ความร้อนโดยตรง

– การส่งผ่านพลังงาน

ความร้อนโดยตรง

• ในระหว่างการให้ความร้อนโดยตรง

– การไหลของความร้อนถูกควบคุมโดยการนำความร้อนแบบคลาสสิกจากแหล่งความร้อนที่พื้นผิว และการเชื่อมจะเกิดขึ้นโดยการหลอมละลายส่วนของวัสดุฐาน

• การเชื่อมด้วยการนำไฟฟ้าครั้งแรกเกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1 โดยใช้ทับทิมพัลส์กำลังต่ำและ CO2 เลเซอร์สำหรับขั้วต่อสายไฟ

• การเชื่อมแบบนำไฟฟ้าสามารถทำได้กับโลหะและโลหะผสมหลายชนิดในรูปแบบลวดและแผ่นบางที่มีการกำหนดค่าต่างๆ โดยใช้

- CO2 เลเซอร์ Nd:YAG และไดโอดที่มีระดับพลังงานในระดับสิบวัตต์

– ระบบทำความร้อนโดยตรงด้วย CO2 ลำแสงเลเซอร์ยังสามารถใช้สำหรับเชื่อมแบบทับและชนในแผ่นโพลีเมอร์ได้

การเชื่อมด้วยเกียร์

• การเชื่อมแบบส่งผ่านเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเชื่อมพอลิเมอร์ที่ส่งรังสีอินฟราเรดใกล้ของ Nd:YAG และเลเซอร์ไดโอด

• พลังงานจะถูกดูดซับผ่านวิธีการดูดซับทางส่วนต่อประสานแบบใหม่

• สามารถเชื่อมวัสดุคอมโพสิตเข้าด้วยกันได้ โดยที่คุณสมบัติทางความร้อนของเมทริกซ์และวัสดุเสริมแรงมีความคล้ายคลึงกัน

• โหมดการส่งพลังงานของการเชื่อมแบบนำไฟฟ้าใช้กับวัสดุที่ส่งรังสีอินฟราเรดใกล้ โดยเฉพาะโพลิเมอร์

• วางหมึกดูดซับไว้ที่ส่วนต่อประสานของรอยต่อแบบทับ หมึกจะดูดซับพลังงานลำแสงเลเซอร์ ซึ่งถูกส่งผ่านเข้าไปในวัสดุโดยรอบที่มีความหนาจำกัดเพื่อสร้างฟิล์มส่วนต่อประสานที่หลอมละลาย ซึ่งจะแข็งตัวเป็นรอยต่อที่เชื่อมเข้าด้วยกัน

• สามารถทำข้อต่อแบบเหลื่อมหน้าหนาได้โดยไม่ทำให้พื้นผิวด้านนอกของข้อต่อละลาย

• สามารถทำการเชื่อมแบบชนได้โดยการส่งพลังงานไปที่แนวรอยต่อในมุมผ่านวัสดุที่ด้านใดด้านหนึ่งของรอยต่อ หรือจากปลายด้านใดด้านหนึ่งหากวัสดุมีการส่งผ่านสูง

การบัดกรีด้วยเลเซอร์และการบัดกรี

• ในกระบวนการบัดกรีและการบัดกรีด้วยเลเซอร์ ลำแสงจะถูกใช้เพื่อหลอมสารตัวเติม ซึ่งจะทำให้ขอบของข้อต่อเปียกโดยไม่ทำให้วัสดุฐานละลาย

การบัดกรีด้วยเลเซอร์เริ่มได้รับความนิยมในช่วงต้นทศวรรษ 1980 สำหรับการเชื่อมต่อสายนำของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ผ่านรูบนแผงวงจรพิมพ์ พารามิเตอร์ของกระบวนการนั้นกำหนดโดยคุณสมบัติของวัสดุ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเจาะทะลุ

• เมื่อมีความหนาแน่นของพลังงานสูง วัสดุทั้งหมดจะระเหยหากสามารถดูดซับพลังงานได้ ดังนั้น เมื่อทำการเชื่อมด้วยวิธีนี้ มักจะเกิดรูจากการระเหย

• จากนั้นจะเดินผ่าน "รู" นี้ไปในวัสดุ โดยมีผนังที่หลอมละลายปิดอยู่ด้านหลัง

• ผลลัพธ์ที่ได้คือสิ่งที่เรียกว่า "รอยเชื่อมแบบรูกุญแจ" ลักษณะนี้เกิดจากโซนหลอมรวมที่มีด้านขนานและความกว้างที่แคบ

ประสิทธิภาพการเชื่อมเลเซอร์

• คำศัพท์ที่ใช้กำหนดแนวคิดเรื่องประสิทธิภาพนี้เรียกว่า "ประสิทธิภาพการเข้าร่วม"

• ประสิทธิภาพการเข้าร่วมไม่ใช่ประสิทธิภาพที่แท้จริง เนื่องจากมีหน่วยเป็น (mm2 เข้าร่วม /kJ ที่จ่ายให้)

– ประสิทธิภาพ = Vt/P (ส่วนกลับของพลังงานจำเพาะในการตัด) โดยที่ V = ความเร็วการเคลื่อนที่, mm/s; t = ความหนาที่เชื่อม, mm; P = พลังงานตกกระทบ, KW

การเข้าร่วมอย่างมีประสิทธิภาพ

• ยิ่งค่าประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูงขึ้น จะใช้พลังงานในการให้ความร้อนที่ไม่จำเป็นน้อยลง

– บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนส่วนล่าง (HAZ)

– ความผิดเพี้ยนต่ำลง

• การเชื่อมด้วยความต้านทานมีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่นี้ เนื่องจากพลังงานหลอมรวมและ HAZ จะถูกสร้างขึ้นที่อินเทอร์เฟซความต้านทานสูงที่จะเชื่อมเท่านั้น

• ลำแสงเลเซอร์และอิเล็กตรอนยังมีประสิทธิภาพดีและมีความหนาแน่นพลังงานสูงอีกด้วย

การเปลี่ยนแปลงกระบวนการ

• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบอาร์กเสริม

– ส่วนโค้งจากคบเพลิง TIG ที่ติดตั้งไว้ใกล้กับจุดโต้ตอบลำแสงเลเซอร์จะล็อคเข้ากับจุดร้อนที่เกิดจากเลเซอร์โดยอัตโนมัติ

– อุณหภูมิที่ต้องการสำหรับปรากฏการณ์นี้คือประมาณ 300°C เหนืออุณหภูมิโดยรอบ

– ผลที่ตามมาคือทำให้ส่วนโค้งที่ไม่เสถียรเนื่องจากความเร็วในการเคลื่อนที่มีเสถียรภาพ หรือทำให้ความต้านทานของส่วนโค้งที่เสถียรลดลง

– การล็อกจะเกิดขึ้นเฉพาะกับส่วนโค้งที่มีกระแสไฟฟ้าต่ำและด้วยเหตุนี้จึงทำให้มีเจ็ทแคโทดช้า นั่นคือ กระแสไฟฟ้าต่ำกว่า 80A

– ส่วนโค้งจะอยู่ด้านเดียวกันของชิ้นงานกับเลเซอร์ ซึ่งทำให้ความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และต้นทุนการลงทุนก็เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย

• การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบลำแสงคู่

– หากใช้ลำแสงเลเซอร์ 2 ลำพร้อมกัน ก็จะสามารถควบคุมรูปทรงของแอ่งเชื่อมและรูปร่างของลูกปัดเชื่อมได้

– การใช้ลำแสงอิเล็กตรอน 2 ลำ ทำให้รูเชื่อมมีเสถียรภาพมากขึ้น ทำให้เกิดคลื่นน้อยลงในแอ่งเชื่อม และทำให้สามารถเจาะทะลุและมีรูปร่างลูกปัดได้ดีขึ้น

– เอ็กไซเมอร์และ CO2 การผสมผสานลำแสงเลเซอร์แสดงให้เห็นการเชื่อมโยงที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อการเชื่อมวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง เช่น อะลูมิเนียมหรือทองแดง

– การเพิ่มการเชื่อมโยงได้รับการพิจารณาเป็นหลักเนื่องจาก:

• การเปลี่ยนแปลงการสะท้อนแสงโดยการสั่นไหวบนพื้นผิวที่เกิดจากเอ็กไซเมอร์

• ผลรองที่เกิดขึ้นจากการจับคู่ผ่านพลาสมาที่สร้างโดยเอ็กไซเมอร์