การเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นคืออะไร?

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการเชื่อมวัสดุสองชนิดเข้าด้วยกันโดยใช้ลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนเข้มข้นเพื่อหลอมและหลอมวัสดุที่จุดสัมผัส มีข้อได้เปรียบเหนือเทคนิคการเชื่อมแบบเดิมๆ เช่น ความเร็วที่เร็วขึ้น ระบบอัตโนมัติที่ง่ายขึ้น คุณภาพและความแม่นยำที่ดีขึ้น และตัวเลือกวัสดุที่ขยายได้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นหมายถึงชุดย่อยของวิธีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่เกี่ยวข้องกับการป้อนความร้อนที่ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์มาตรฐาน แต่มันทำงานอย่างไร และเทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นหลัก ๆ ที่ใช้ในปัจจุบันมีอะไรบ้าง?

อินพุตความร้อนต่ำ

ตามคำจำกัดความ การเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นใช้ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์และการป้อนความร้อนน้อยกว่าวิธีการเชื่อมฟิวชันที่ร้อนกว่าอย่างมาก ช่วยให้การเชื่อมวัสดุที่ไวต่อความร้อน เช่น พลาสติกหรือฟอยล์บางๆ เกิดการเสียรูป การเผาไหม้ หรือความเสียหายจากความร้อนอื่นๆ น้อยลง เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ร้อนกว่า[1]

เทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นโดยทั่วไปจ่ายพลังงานเข้าเพียง 25-30% ที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทั่วไป ซึ่งเท่ากับความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า 1 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และอุณหภูมิสูงสุดต่ำกว่า 2,500 องศาฟาเรนไฮต์ที่พื้นผิวแนวบอนด์ไลน์[2]

ความร้อนที่ลดลงช่วยลดการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนและการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาที่มีความเสี่ยงในส่วนประกอบที่กำลังเชื่อม นอกจากนี้ยังช่วยให้เกิดพันธะสำเร็จในวัสดุสะท้อนแสงสูง เช่น อลูมิเนียมหรือทองแดง ซึ่งปกติจะเบี่ยงเบนพลังงานเลเซอร์ในปริมาณที่สูงกว่าแทนที่จะดูดซับ [3]

เทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นหลัก

การเชื่อมด้วยเลเซอร์หลักสามประเภทที่ถือว่าเป็นเทคนิคเย็น ได้แก่:

1. การเชื่อมด้วยเลเซอร์ความหนาแน่นพลังงานต่ำ

สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการลดความหนาแน่นของพลังงานของโซลิดสเตตมาตรฐานหรือเลเซอร์ไฟเบอร์เป็น 0.5 เมกะวัตต์ต่อ cm2 หรือต่ำกว่า ช่วยให้สามารถเชื่อมได้ลึกถึง 0.5 มม. ในขณะที่ลดปริมาณความร้อนและผลกระทบทางโลหะวิทยาต่อโลหะผสมที่ละเอียดอ่อน[4]

2. การสแกนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

วิธีการนี้จะแกว่งหรือสแกนลำแสงเลเซอร์อย่างรวดเร็วเหนือตะเข็บขณะยิงพัลส์ การรวมกันของลำแสงที่กว้างขึ้นและการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วจะจำกัดการป้อนความร้อนแม้ว่าจะใช้ความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 2 เมกะวัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตรก็ตาม มันอำนวยความสะดวกในการเชื่อมโลหะผสมการบินและอวกาศที่แปลกใหม่และแถบแบตเตอรี่ [5]

3. การเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วยไมโคร

วิธีนี้ใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดที่ปล่อยความยาวคลื่นที่ปรับให้เหมาะกับยอดการดูดกลืนแสงของโพลีเมอร์ การควบคุมการปล่อยก๊าซที่ต่ำกว่า 150 วัตต์อย่างระมัดระวังจะสร้างรอยเชื่อมแคบที่มีความลึกน้อยกว่า 0.1 มม. แต่แข็งแรงเพียงพอสำหรับส่วนประกอบต่างๆ เช่น สายสวนทางการแพทย์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์[6],[7]

ข้อดีเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์มาตรฐาน

แม้ว่าความเร็วและความลึกในการเชื่อมสูงสุดจะถูกจำกัด แต่เทคนิคเลเซอร์เย็นมีข้อดีดังนี้:

- ลดการบิดเบือนของชิ้นส่วนและการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาที่เป็นอันตราย

- หลีกเลี่ยงความเสียหายจากความร้อนและการสูญเสียอารมณ์ในโลหะผสมที่ละเอียดอ่อน

- อำนวยความสะดวกในการยึดเกาะที่มีความแม่นยำสูงในวัสดุที่มีการสะท้อนแสงและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงซึ่งก่อนหน้านี้ไม่สามารถเชื่อมได้

- การรวมเทอร์โมพลาสติกและวัสดุโพลีเมอร์ที่ไม่เหมือนกันเข้าด้วยกันมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพจากความร้อน

- ช่วยให้สามารถเชื่อมฟอยล์บางมากโดยอัตโนมัติได้จนถึงความหนา 0.05 มม. [8]

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นจึงเติมเต็มช่องที่สำคัญ ซึ่งอำนวยความสะดวกในการเชื่อมที่ซับซ้อนของโลหะ พลาสติก และส่วนผสมของวัสดุ ซึ่งเข้ากันไม่ได้กับวิธีการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเดิมๆ ที่ร้อนกว่า

แอปพลิเคชันที่ใช้ประโยชน์

อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์การแพทย์ใช้โซลูชันการเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นเพื่อใช้ประโยชน์จากข้อต่อวัสดุที่มีความต้องการสูงโดยมีการบิดเบือนน้อยที่สุดในส่วนประกอบขนาดเล็กและซับซ้อน

ตัวอย่างการใช้งานได้แก่:

- การปิดผนึกสุญญากาศของกล่องหุ้มไทเทเนียมของเครื่องกระตุ้นหัวใจ [9]

- การเชื่อมห้องสุญญากาศด้านนอกสำหรับแมสสเปกโตรมิเตอร์ [10]

- การต่อขดลวดนิกเกิลฟอยล์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยยังคงคุณสมบัติทางแม่เหล็กไว้ [11]

- การปิดผนึกโพลีเมอร์ในแผ่นนำส่งยาโดยไม่ต้องใช้กาวที่ทำให้เป็นของเหลวด้วยความร้อน [12]

ดังนั้นในขณะที่ทำงานในระดับที่เล็กกว่า เทคนิคเลเซอร์เย็นทำให้เกิดพันธะที่สำคัญต่อภารกิจในโลหะผสมระดับอวกาศ เครื่องมือวินิจฉัย และส่วนประกอบทางการแพทย์ช่วยชีวิต โดยที่การรักษาคุณสมบัติและขนาดของวัสดุฐานเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง

สรุป

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เย็นใช้เทคนิคเลเซอร์ความหนาแน่นของพลังงานที่ลดลง ซึ่งจำกัดการป้อนความร้อนระหว่างการเชื่อมที่มีความแม่นยำ การรักษาอุณหภูมิให้ต่ำจะลดการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนและความเสียหายทางโลหะวิทยาให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้เกิดพันธะในส่วนประกอบที่มีการสะท้อนแสงสูงและไวต่อความร้อน ซึ่งก่อนหน้านี้อยู่นอกข้อจำกัดของการเชื่อมฟิวชันร้อน แม้ว่าการทำงานในระดับไมโคร เลเซอร์เย็นช่วยให้การเชื่อมต่อที่ซับซ้อนของการจับคู่วัสดุแปลกใหม่และแตกต่างกันซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานจากดาวเทียมไปจนถึงการปลูกถ่ายในการผ่าตัด

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. เป็นองค์กรเทคโนโลยีขั้นสูงที่เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและพัฒนา การผลิตและการขายเครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์อัตโนมัติ เครื่องหุ้มด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง เครื่องดับด้วยเลเซอร์ เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์ และอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ ผลิตภัณฑ์ของเรามีความคุ้มค่าและจำหน่ายในประเทศและต่างประเทศ หากคุณสนใจผลิตภัณฑ์ของเราโปรดติดต่อเราได้ที่bob@gshenglaser.com.

อ้างอิง:

[1] Katayama, S. คู่มือเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ สำนักพิมพ์วูดเฮด. 2013. หน้า. 342.

[2] การประมวลผลด้วยเลเซอร์ด้วยไอออน JC ของวัสดุวิศวกรรม: หลักการ ขั้นตอน และการประยุกต์ใช้ทางอุตสาหกรรม เอลส์เวียร์ พ.ศ. 2548 หน้า 203-204

[3] Dawes C. การเชื่อมด้วยเลเซอร์: คู่มือปฏิบัติ สำนักพิมพ์วูดเฮด. 1992. หน้า 88.

(4) Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. เทคนิคการเชื่อมวัสดุที่ไม่เหมือนกัน: โลหะและโพลีเมอร์ Rev Adv Mater วิทย์ 2014;36:152-164.

(5) Kah P, Suoranta R, Martikainen J. เทคนิคขั้นสูงสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโพลีเมอร์โปร่งใส ฟิสิกส์ โพรซีเดีย. 2015;78:182-190.

[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. ความก้าวหน้าและนวัตกรรมล่าสุดในเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์ เลนส์และเลเซอร์ในวิศวกรรม 2021; 140:106877.

(7) Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโพลีเมอร์โดยใช้เลเซอร์ความเข้มสูง วารสารวิศวกรรมเลเซอร์ไมโครนาโน. 2019;14(1):1-6.

[8] ปรากฏการณ์การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของ Katayama S. ในการเชื่อมฟอยล์บาง ๆ วารสารการประยุกต์ใช้เลเซอร์. 2011 1 มิ.ย.;23(2):022005.

[9] L ตามลำดับampe T, Roos E. การตรวจสอบการเชื่อมฟิวชั่นของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องกระตุ้นหัวใจ วัสดุอุปกรณ์การแพทย์ II: การดำเนินการจากการประชุมวัสดุและกระบวนการสำหรับอุปกรณ์การแพทย์ 8 พ.ย. 2547 น. 12-6.

[10] ซิโนวิคกี้ RA. ปัญหาด้านวัสดุสำหรับห้องสุญญากาศไทเทเนียมแบบเชื่อมในการใช้งานแมสสเปกโตรเมตรี การประชุมเฉพาะเรื่องครั้งที่ 18 เรื่องวิทยาศาสตร์พลังงานฟิวชัน 28 ต.ค. 2542

(11) Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของเหล็กไฟฟ้าและผลที่ตามมาทางเทคโนโลยีบนแกนแม่เหล็ก AC ธุรกรรม IEEE บน Magnetics 1992 ก.ย.;28(5):2260-3

[12] D commandsingh SP, Wieduwilt TJ. การใช้กระบวนการเชื่อมด้วยการส่งผ่านเลเซอร์เพื่อปิดผนึกอุปกรณ์เทียมเพื่อการปลูกถ่าย คำขอรับสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกา US 06/938,069 4 ธ.ค. 2517