การเชื่อมเลเซอร์คืออะไร?

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีการประมวลผลวัสดุด้วยเลเซอร์ และมักเรียกกันว่าเครื่องเชื่อมเลเซอร์ โดยทั่วไปจะแบ่งประเภทตามโหมดการทำงานเป็นเครื่องเชื่อมแม่พิมพ์ด้วยเลเซอร์ (เครื่องเชื่อมด้วยมือ) เครื่องเชื่อมเลเซอร์อัตโนมัติ เครื่องเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ และเครื่องเชื่อมเลเซอร์ไฟเบอร์ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้พัลส์เลเซอร์พลังงานสูงในการให้ความร้อนบริเวณเล็กๆ ของวัสดุ พลังงานจากรังสีเลเซอร์จะแพร่กระจายเข้าไปในวัสดุผ่านการนำความร้อน ทำให้วัสดุหลอมละลาย และสร้างแอ่งหลอมเหลวเฉพาะเพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ในการเชื่อม

ในช่วงทศวรรษ 1970 การเชื่อมด้วยเลเซอร์ถูกใช้เป็นหลักในการเชื่อมวัสดุที่มีผนังบางและการเชื่อมด้วยความเร็วต่ำ กระบวนการนี้เป็นแบบการนำความร้อน ซึ่งหมายความว่ารังสีเลเซอร์จะให้ความร้อนแก่พื้นผิวของชิ้นงาน จากนั้นความร้อนจะแพร่กระจายเข้าไปในส่วนภายในผ่านการนำความร้อน โดยการควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความกว้างของพัลส์เลเซอร์ พลังงาน กำลังสูงสุด และความถี่ของการทำซ้ำ ชิ้นงานจะถูกหลอมละลายเพื่อสร้างแอ่งหลอมเหลวเฉพาะ เนื่องด้วยข้อได้เปรียบเฉพาะตัว การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงสามารถนำไปใช้กับการเชื่อมชิ้นส่วนขนาดเล็กและขนาดเล็กได้อย่างแม่นยำ

การถือกำเนิดของเลเซอร์ CO2 และ YAG กำลังสูงได้เปิดสาขาใหม่ให้กับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ทำให้เกิดการเชื่อมแบบเจาะลึกตามทฤษฎีเอฟเฟกต์รูเล็ก ซึ่งทำให้มีการใช้งานแพร่หลายมากขึ้นในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เครื่องจักร ยานยนต์ และเหล็ก

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการเชื่อมอื่น ข้อได้เปรียบหลักของการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีดังนี้:

1.ความเร็วสูง ความลึกขนาดใหญ่ และการเสียรูปน้อยที่สุด:กระบวนการนี้รวดเร็ว ทำให้สามารถเชื่อมได้ลึกและมีการเสียรูปน้อยที่สุด

2. ความคล่องตัวในสภาพการเชื่อม:การเชื่อมสามารถทำได้ที่อุณหภูมิห้องหรือภายใต้เงื่อนไขพิเศษ โดยต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์อย่างง่าย ตัวอย่างเช่น เลเซอร์สามารถทำงานได้ผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยที่ลำแสงไม่เบี่ยงเบน การเชื่อมสามารถทำได้ในสุญญากาศ อากาศ หรือสภาพแวดล้อมที่มีก๊าซบางชนิด และผ่านวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว

3.ความสามารถในการเชื่อมวัสดุที่ละลายยาก:การเชื่อมเลเซอร์สามารถจัดการกับวัสดุ เช่น ไททาเนียมและควอตซ์ และให้ผลลัพธ์ที่ดีกับวัสดุที่ไม่เหมือนกัน

4.ความหนาแน่นของพลังงานสูง:หลังจากโฟกัสแล้ว เลเซอร์จะมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ในงานเชื่อมที่มีพลังงานสูง อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสามารถสูงถึง 5:1 และในบางกรณีอาจสูงถึง 10:1

5.ความสามารถในการเชื่อมระดับไมโคร:สามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์เพื่อให้ได้จุดที่เล็กมากและตำแหน่งที่แม่นยำ จึงเหมาะกับชิ้นส่วนขนาดเล็กและไมโครในการผลิตอัตโนมัติปริมาณมาก

6.การเข้าถึงพื้นที่ที่เข้าถึงได้ยาก:การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถทำการเชื่อมจากระยะไกลโดยไม่ต้องสัมผัสด้วยความยืดหยุ่นสูง การพัฒนาล่าสุดในเทคโนโลยีเลเซอร์ YAG เช่น เทคโนโลยีการส่งผ่านไฟเบอร์ ทำให้การประยุกต์ใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์ขยายวงกว้างมากขึ้น

7. การประมวลผลลำแสงหลายลำแสง:ลำแสงเลเซอร์สามารถแยกตามพื้นที่และเวลาได้ ทำให้สามารถประมวลผลพร้อมกันได้ด้วยลำแสงหลายลำและสถานีงานหลายสถานี มอบเงื่อนไขสำหรับการเชื่อมที่แม่นยำยิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม การเชื่อมด้วยเลเซอร์ก็มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน:

1.ความต้องการความแม่นยำสูง:ชิ้นงานจะต้องประกอบด้วยความแม่นยำสูง และลำแสงเลเซอร์จะต้องวางบนชิ้นงานอย่างแม่นยำ เนื่องจากจุดเลเซอร์มีขนาดเล็กมากหลังจากโฟกัส และรอยเชื่อมก็แคบ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่าการประกอบชิ้นงานและการวางตำแหน่งของลำแสงมีความแม่นยำเพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องในการเชื่อม

2.ต้นทุนสูง:ต้นทุนของเลเซอร์และระบบที่เกี่ยวข้องค่อนข้างสูง ซึ่งถือเป็นการลงทุนเริ่มแรกที่สำคัญ

1.ความหนาแน่นของพลังงาน

ความหนาแน่นของพลังงานเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นสามารถทำให้พื้นผิวร้อนถึงจุดเดือดได้ภายในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที ทำให้เกิดการระเหยในปริมาณมาก ดังนั้น ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงจึงเป็นประโยชน์สำหรับกระบวนการกำจัดวัสดุ เช่น การเจาะ การตัด และการแกะสลัก สำหรับความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่านั้น ต้องใช้เวลาหลายมิลลิวินาทีเพื่อให้อุณหภูมิพื้นผิวถึงจุดเดือด ก่อนที่พื้นผิวจะระเหย ชั้นที่อยู่ด้านล่างจะถึงจุดหลอมเหลว ซึ่งช่วยให้เชื่อมด้วยฟิวชันได้ดี ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบการนำไฟฟ้า ความหนาแน่นของพลังงานโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 10410^4104 ถึง 10610^6106 W/cm²

2.รูปคลื่นพัลส์เลเซอร์

รูปคลื่นของพัลส์เลเซอร์เป็นประเด็นสำคัญในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะการเชื่อมแผ่นบาง เมื่อลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงกระทบกับพื้นผิววัสดุ พลังงานเลเซอร์ 60% ถึง 98% จะถูกสะท้อนออกไป และค่าการสะท้อนแสงจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิพื้นผิว ในระหว่างพัลส์เลเซอร์หนึ่งครั้ง ค่าการสะท้อนแสงของโลหะจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

3.ระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์

ระยะเวลาของพัลส์เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ ซึ่งจะแยกแยะระหว่างการกำจัดวัสดุและการหลอมละลายวัสดุ และยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดต้นทุนและขนาดของอุปกรณ์การประมวลผลอีกด้วย

4.ผลกระทบของระยะโฟกัสต่อคุณภาพการเชื่อม

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มักต้องมีการเบลอโฟกัสในระดับหนึ่ง เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่จุดโฟกัสของเลเซอร์นั้นสูงมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดรูเนื่องจากการระเหยได้ ในระนาบที่อยู่ห่างจากจุดโฟกัสของเลเซอร์ การกระจายความหนาแน่นของพลังงานจะค่อนข้างสม่ำเสมอ

การเบลอภาพมีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ การเบลอภาพแบบบวกและการเบลอภาพแบบลบ การเบลอภาพแบบบวกเกิดขึ้นเมื่อระนาบโฟกัสอยู่เหนือชิ้นงาน ในขณะที่การเบลอภาพแบบลบเกิดขึ้นเมื่อระนาบโฟกัสอยู่ต่ำกว่าชิ้นงาน ตามทฤษฎีออปติกเรขาคณิต เมื่อการเบลอภาพแบบบวกและลบเท่ากัน ความหนาแน่นของพลังงานบนระนาบที่สอดคล้องกันจะเท่ากันโดยประมาณ อย่างไรก็ตาม รูปร่างของแอ่งหลอมเหลวที่ได้จะแตกต่างกัน

การเบลอภาพเชิงลบอาจทำให้มีความลึกของการหลอมเหลวมากขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการก่อตัวของแอ่งหลอมเหลว จากการทดลองพบว่า เมื่อเลเซอร์ให้ความร้อนวัสดุเป็นเวลา 50 ถึง 200 ไมโครวินาที วัสดุจะเริ่มหลอมเหลว ก่อตัวเป็นโลหะเหลวและกลายเป็นไอ ทำให้เกิดไอน้ำแรงดันสูงที่พุ่งออกมาด้วยความเร็วสูงมาก ส่งผลให้เกิดแสงสีขาวสว่าง ในเวลาเดียวกัน ความเข้มข้นสูงของก๊าซทำให้โลหะเหลวเคลื่อนตัวไปที่ขอบของแอ่งหลอมเหลว ทำให้เกิดแอ่งที่ใจกลางแอ่ง ในระหว่างการเบลอภาพเชิงลบ ความหนาแน่นของพลังงานภายในวัสดุจะสูงกว่าที่พื้นผิว ทำให้เกิดการหลอมเหลวและการกลายเป็นไอที่รุนแรงขึ้น ทำให้พลังงานแสงสามารถทะลุเข้าไปในวัสดุได้ลึกขึ้น ดังนั้น ในการใช้งานจริง จะใช้การเบลอภาพเชิงลบเมื่อต้องการความลึกของการหลอมเหลวที่มากขึ้น ในขณะที่การเบลอภาพเชิงบวกจะนิยมใช้สำหรับการเชื่อมวัสดุบาง

1.การเชื่อมระหว่างแผ่น

ซึ่งรวมถึงวิธีกระบวนการ 4 วิธี คือ การเชื่อมแบบชน การเชื่อมแบบขอบ การเชื่อมแบบหลอมโดยเจาะตรงกลาง และการเชื่อมแบบหลอมโดยเจาะตรงกลาง

2.การเชื่อมระหว่างลวด

ซึ่งรวมถึงวิธีการประมวลผล 4 วิธี คือ การเชื่อมแบบชนลวด การเชื่อมแบบไขว้ การเชื่อมแบบเหลื่อมขนาน และการเชื่อมแบบข้อต่อตัว T

3.การเชื่อมลวดโลหะเข้ากับชิ้นส่วนบล็อก

การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถเชื่อมลวดโลหะเข้ากับชิ้นส่วนบล็อกได้สำเร็จ โดยขนาดของชิ้นส่วนบล็อกนั้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ ในระหว่างการเชื่อม ควรใส่ใจกับขนาดทางเรขาคณิตของชิ้นส่วนลวดด้วย

4.การเชื่อมโลหะชนิดต่างๆ

การเชื่อมโลหะประเภทต่างๆ ต้องคำนึงถึงความสามารถในการเชื่อมและขอบเขตของพารามิเตอร์การเชื่อม การเชื่อมด้วยเลเซอร์ระหว่างวัสดุต่างๆ สามารถทำได้กับวัสดุที่ผสมกันเฉพาะเท่านั้น

การเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบบางประเภทไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ฟิวชั่น แต่สามารถใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนสำหรับการบัดกรีแบบอ่อนและการบัดกรีแบบแข็งได้ ซึ่งให้ข้อดีที่คล้ายกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ฟิวชั่น มีวิธีการบัดกรีหลายวิธี โดยเลเซอร์ฟิวชั่นจะใช้บัดกรีแบบอ่อนเป็นหลักสำหรับการบัดกรีแผงวงจรพิมพ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการประกอบชิ้นส่วนที่มีลักษณะเป็นแผ่น เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการอื่นๆ การบัดกรีแบบอ่อนด้วยเลเซอร์มีข้อดีดังต่อไปนี้:

1.การให้ความร้อนเฉพาะจุด:เนื่องจากความร้อนเกิดขึ้นเฉพาะจุด จึงมีโอกาสเกิดความเสียหายต่อชิ้นส่วนต่างๆ น้อยลง และบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็มีขนาดเล็ก ทำให้สามารถบัดกรีแบบอ่อนๆ ใกล้กับชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนได้

2.การให้ความร้อนแบบไม่ต้องสัมผัส:ด้วยการให้ความร้อนแบบไม่ต้องสัมผัสและพื้นที่หลอมละลายที่กว้าง จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือเพิ่มเติม วิธีนี้ช่วยให้สามารถประมวลผลได้หลังจากติดตั้งส่วนประกอบต่างๆ บนแผงวงจรพิมพ์สองด้านแล้ว

3. ความสามารถในการทำซ้ำได้อย่างเสถียร:ความเสถียรของการทำงานซ้ำๆ กันนั้นสูง ฟลักซ์มีการปนเปื้อนของเครื่องมือเชื่อมเพียงเล็กน้อย และสามารถควบคุมเวลาการฉายแสงเลเซอร์และกำลังเอาต์พุตได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้ได้ผลผลิตผลิตภัณฑ์ที่บัดกรีด้วยเลเซอร์สูง

4.การแยกลำแสงอย่างง่าย:สามารถแยกลำแสงเลเซอร์ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ส่วนประกอบออปติก เช่น กระจกโปร่งแสง ตัวสะท้อนแสง ปริซึม และกระจกสแกน ช่วยให้เชื่อมได้พร้อมกันแบบสมมาตรที่จุดต่างๆ หลายจุด

5.ความยืดหยุ่นของความยาวคลื่น:การบัดกรีด้วยเลเซอร์โดยทั่วไปจะใช้เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 1.06 µm เป็นแหล่งความร้อน ซึ่งสามารถส่งผ่านเส้นใยแก้วนำแสงได้ วิธีนี้ช่วยให้สามารถประมวลผลในพื้นที่ที่ยากต่อการเชื่อมด้วยวิธีทั่วไปได้ จึงมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

6.ความสามารถในการโฟกัสที่ดี:ความสามารถในการโฟกัสมีความยอดเยี่ยม ทำให้ง่ายต่อการทำงานอัตโนมัติกับอุปกรณ์หลายสถานี

กระบวนการทางโลหะวิทยาและหลักการทางทฤษฎี

กระบวนการทางโลหะวิทยาและฟิสิกส์ของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเจาะลึกมีความคล้ายคลึงกันมากกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งกลไกการแปลงพลังงานทำได้โดยใช้โครงสร้าง "รูเล็ก" ภายใต้การฉายรังสีของลำแสงที่มีความหนาแน่นของกำลังสูงเพียงพอ วัสดุจะระเหยจนกลายเป็นรูเล็ก รูเล็กที่เต็มไปด้วยไอจะทำหน้าที่เหมือนวัตถุดำ ดูดซับพลังงานแสงที่ตกกระทบเกือบทั้งหมด โดยอุณหภูมิสมดุลภายในโพรงจะอยู่ที่ประมาณ 25,000 องศาเซลเซียส ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากผนังโพรงอุณหภูมิสูง ทำให้โลหะโดยรอบหลอมละลาย รูเล็กจะเต็มไปด้วยไออุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเหยอย่างต่อเนื่องของวัสดุผนังใต้คาน ผนังของรูเล็กล้อมรอบด้วยโลหะหลอมเหลว และโลหะเหลวจะหุ้มด้วยวัสดุแข็ง การไหลของของเหลวภายนอกรูและแรงตึงผิวของชั้นผนังจะสร้างสมดุลให้กับแรงดันไอต่อเนื่องภายในโพรง โดยรักษาสมดุลแบบไดนามิก ลำแสงจะเข้าสู่รูเล็กอย่างต่อเนื่อง และวัสดุภายนอกรูจะไหลอย่างต่อเนื่อง ขณะที่ลำแสงเคลื่อนที่ รูเล็กจะยังคงอยู่ในสถานะการไหลที่เสถียร กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูเล็กและโลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ จะเคลื่อนไปข้างหน้าพร้อมกับลำแสงนำ โดยโลหะหลอมเหลวจะเติมช่องว่างที่เหลือจากรูเล็ก จากนั้นจึงแข็งตัว จึงเกิดเป็นรอยเชื่อม

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเชื่อมด้วยการเจาะลึกด้วยเลเซอร์ ได้แก่ กำลังเลเซอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงเลเซอร์ การดูดซับวัสดุ ความเร็วในการเชื่อม ก๊าซป้องกัน ระยะโฟกัสของเลนส์ ตำแหน่งจุดโฟกัส ตำแหน่งลำแสงเลเซอร์ และการเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปของกำลังเลเซอร์ที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเชื่อม

ลักษณะเฉพาะและข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเจาะลึก

ลักษณะเฉพาะ:

1.อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูง:โลหะที่หลอมละลายจะก่อตัวและขยายออกไปรอบ ๆ โพรงไออุณหภูมิสูงทรงกระบอก ส่งผลให้เกิดรอยเชื่อมที่ลึกและแคบ

2. ความร้อนขั้นต่ำ:เนื่องจากอุณหภูมิในโพรงแหล่งกำเนิดสูงมาก กระบวนการหลอมละลายจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก โดยชิ้นงานได้รับความร้อนน้อยมาก จึงทำให้เกิดการบิดเบือนทางความร้อนและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด

3.ความหนาแน่นสูง:รูเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยไอระเหยอุณหภูมิสูงช่วยให้การกวนแอ่งที่หลอมละลายและการระบายก๊าซทำได้สะดวกขึ้น ส่งผลให้รอยเชื่อมไม่มีรูพรุน อัตราการระบายความร้อนที่สูงหลังการเชื่อมยังช่วยปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อมอีกด้วย

4. การเชื่อมที่แข็งแรง:รอยเชื่อมที่ได้จะมีความแข็งแรงทนทาน

5.การควบคุมที่แม่นยำ:กระบวนการนี้ช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์การเชื่อมได้อย่างแม่นยำ

6.กระบวนการเชื่อมแบบไม่ต้องสัมผัสบรรยากาศ:กระบวนการเชื่อมไม่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสโดยตรงและเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมบรรยากาศ

ข้อดี:

1. ความเร็วในการเชื่อมสูงและการบิดเบือนน้อยที่สุด:ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสจะมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับวิธีการทั่วไป ส่งผลให้ความเร็วในการเชื่อมเร็วขึ้น พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็กลง และเกิดการบิดเบือนน้อยลง นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถเชื่อมวัสดุที่เชื่อมยาก เช่น ไททาเนียมและควอตซ์ได้อีกด้วย

2. ลดเวลาหยุดทำงานและเพิ่มประสิทธิภาพ:ความสะดวกในการส่งและควบคุมลำแสง รวมถึงความจำเป็นในการเปลี่ยนคบเพลิงหรือหัวฉีดบ่อยครั้งที่ลดลง ช่วยลดเวลาหยุดการทำงานเสริมได้อย่างมาก ส่งผลให้มีประสิทธิภาพและผลผลิตที่สูงขึ้น

3. การเชื่อมที่แข็งแรงพร้อมประสิทธิภาพโดยรวมสูง:ผลการฟอกและอัตราการระบายความร้อนที่สูงส่งผลให้รอยเชื่อมแข็งแรงพร้อมประสิทธิภาพโดยรวมสูง

4.ความแม่นยำสูงและต้นทุนการทำงานซ้ำที่ต่ำกว่า:ความร้อนที่ใช้ต่ำและความแม่นยำในการประมวลผลที่สูงช่วยลดความจำเป็นในการทำงานซ้ำ และต้นทุนการดำเนินงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ก็ค่อนข้างต่ำ ช่วยให้ต้นทุนการผลิตลดลง

5.ความง่ายของระบบอัตโนมัติ:กระบวนการนี้ส่งเสริมการทำงานอัตโนมัติด้วยการควบคุมความเข้มของลำแสงและตำแหน่งที่แม่นยำอย่างมีประสิทธิภาพ