การเชื่อมด้วยเลเซอร์คืออะไร? การพัฒนาในปัจจุบันเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์? สาขาใดบ้างที่สามารถเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ นำมาประยุกต์ใช้กับอะไรได้บ้าง? การเชื่อมด้วยเลเซอร์คืออะไร?
พูดอย่างง่ายๆ การเชื่อมด้วยเลเซอร์คือการให้ความร้อนแก่พื้นผิวของชิ้นงานด้วยการแผ่รังสีเลเซอร์ ความร้อนบนพื้นผิวจะแพร่กระจายเข้าสู่ภายในผ่านการนำความร้อน จากนั้นโดยการควบคุมความกว้าง พลังงาน กำลังสูงสุด ความถี่ของการทำซ้ำ และพารามิเตอร์อื่นๆ ของพัลส์เลเซอร์ ชิ้นงานจะถูกหลอมเพื่อสร้างอ่างเฉพาะ เพื่อให้สามารถเชื่อมได้
การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถลดปริมาณความร้อนที่เข้ามาได้ โดยช่วงของการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาในโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนนั้นเล็ก และการเปลี่ยนรูปที่เกิดจากการนำความร้อนยังต่ำที่สุดอีกด้วย
การเชื่อมแบบไร้สัมผัสช่วยลดการสึกหรอและการเสียรูปของอุปกรณ์ ลำแสงเลเซอร์สามารถโฟกัส จัดตำแหน่ง และนำทางได้ง่ายด้วยอุปกรณ์ออปติคัล สามารถวางตำแหน่งเลเซอร์ในระยะที่เหมาะสมจากชิ้นงาน และนำทางกลับระหว่างเครื่องมือหรือสิ่งกีดขวางรอบชิ้นงานได้
ลำแสงเลเซอร์สามารถโฟกัสไปยังพื้นที่ขนาดเล็กมาก และสามารถเชื่อมชิ้นส่วนขนาดเล็กและอยู่ใกล้กันได้ วัสดุที่สามารถเชื่อมได้มีหลากหลาย และสามารถเชื่อมวัสดุต่างชนิดเข้าด้วยกันได้
การเชื่อมความเร็วสูงทำได้ง่ายด้วยระบบอัตโนมัติ และยังสามารถควบคุมด้วยระบบดิจิทัลหรือคอมพิวเตอร์ได้อีกด้วย เมื่อเชื่อมลวดเส้นเล็กหรือเส้นใหญ่ จะไม่มีปัญหาเรื่องหลอมละลายย้อนกลับ
สารบัญ：
สถานะการพัฒนาของ เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์
การเชื่อมเลเซอร์ทองแดงและโลหะผสมทองแดงอย่างมีประสิทธิภาพ
การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบสวิงด้วยโลหะผสมอลูมิเนียม
การประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ในหลากหลายสาขา
การประยุกต์ใช้ เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ในด้านการผลิตยานยนต์
แนวโน้มการพัฒนาของ เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์
สถานะการพัฒนาของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ได้รับการพัฒนาควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดแสงใหม่ๆ เช่น เลเซอร์สีน้ำเงิน เลเซอร์สีเขียว และเลเซอร์เฟมโตวินาที รวมถึงกระบวนการใหม่ๆ เช่น การเชื่อมแบบสวิง และการเชื่อมจุดแบบวงแหวน แขน (โหมดวงแหวนปรับได้) ได้ถูกนำเสนออย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยแก้ปัญหาการเชื่อมในอุตสาหกรรมการผลิตได้อย่างสร้างสรรค์ ส่งผลให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์ได้รับการส่งเสริมและพัฒนาอย่างรวดเร็วในหลากหลายสาขาการผลิตทางอุตสาหกรรม
โลหะเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
ความหนาแน่นพลังงานสูงของเลเซอร์ทำให้สามารถเชื่อมโลหะที่เชื่อมยากได้ แต่การเชื่อมวัสดุสะท้อนแสงสูง เช่น ทอง เงิน ทองแดง อะลูมิเนียม และวัสดุโลหะต่างชนิดยังคงมีปัญหาอยู่บ้าง เหตุผลหลักๆ มีดังนี้
1. เนื่องจากมีค่าการสะท้อนแสงสูงและค่าการนำความร้อนสูง การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงต้องมีกำลังเริ่มต้นที่สูงกว่า
2. ในกระบวนการเชื่อมเลเซอร์กำลังสูงนั้น มีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพพื้นผิวของวัสดุมากกว่า ส่งผลให้การขึ้นรูปจุดเชื่อม/บัดกรีไม่ดี
3. ความเร็วในการเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นรวดเร็วมาก ซึ่งทำให้เกิดข้อบกพร่องในการเชื่อม เช่น รูพรุนภายในรอยเชื่อม โดยเฉพาะอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม
การเชื่อมเลเซอร์ทองแดงและโลหะผสมทองแดงอย่างมีประสิทธิภาพ:
ทองแดงมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และยานยนต์ไฟฟ้า ในบรรดาผลิตภัณฑ์เหล่านี้ มอเตอร์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ เซ็นเซอร์ สายไฟ และขั้วต่อต่างๆ เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
ในอดีต การเชื่อมโลหะด้วยเลเซอร์มักใช้เลเซอร์อินฟราเรดเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงเกินไป โดยสูงกว่าเหล็กบริสุทธิ์เกือบ 5 เท่า และสูงกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ 1.7 เท่า อัตราการดูดซับความร้อนของทองแดงต่อเลเซอร์อินฟราเรดต่ำ การใช้เลเซอร์อินฟราเรดสำหรับการเชื่อมแบบเส้นตรงมีช่วงกระบวนการที่ไม่เสถียรและความผันผวนของความลึกของการหลอมเหลวสูง มักเกิดรอยกระเด็นจากการเชื่อม รอยกระเด็นของโลหะหลอมเหลว รูพรุน และความผันผวนของความลึกในการเจาะทะลุที่สูง รวมถึงปัญหาอื่นๆ
ดังนั้น หลังจากการเกิดขึ้นของเลเซอร์คลื่นสั้นกำลังสูง การเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มองเห็นได้และการเชื่อมแบบคอมโพสิตจึงกลายเป็นวิธีการประมวลผลที่เหมาะสำหรับวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง เช่น ทองแดงและโลหะผสมทองแดง
1.การเชื่อมด้วยเลเซอร์สีเขียว:
เลเซอร์สีเขียวเป็นแสงที่มองเห็นได้ชนิดหนึ่งที่มีความยาวคลื่น 500-560 นาโนเมตร อัตราการดูดซับแสงทองแดงเป็นแสงสีเขียวที่มีความยาวคลื่น λ=515 นาโนเมตร สูงถึง 40% ซึ่งสูงกว่าอัตราการดูดซับแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1 ไมโครเมตร ประมาณ 8 เท่า อีกทั้งยังมีประสิทธิภาพในการจับคู่พลังงานสูงขึ้น และความไวต่อการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวก็ลดลงเช่นกัน
การใช้เลเซอร์สีเขียวสามารถลดกำลังงานของการเชื่อมทองแดงหลอมเหลวแบบลึกได้อย่างมาก ปริมาณการเป่าหลอมและการกระเซ็นบนพื้นผิวของรอยเชื่อมมีน้อย และแทบไม่ได้รับผลกระทบจากความเร็วในการเชื่อม หากคุณเพิ่มการสแกนลำแสง การเบลอลำแสง และการปรับกำลังเลเซอร์ที่ถูกต้อง คุณภาพการเชื่อมก็จะดีขึ้นอย่างมาก แม้ว่าจำนวนรอยตำหนิในรอยเชื่อมจะลดลงอย่างมาก แต่พื้นผิวรอยเชื่อมจะมีความสม่ำเสมอและสม่ำเสมอมากขึ้น
2.การเชื่อมด้วยเลเซอร์สีน้ำเงิน:
ยิ่งความยาวคลื่นสั้น พลังงานโฟตอนก็จะยิ่งสูงขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการปรับปรุงอัตราการดูดซับของวัสดุต่อเลเซอร์ ความยาวคลื่นของเลเซอร์สีน้ำเงินอยู่ระหว่าง 400 นาโนเมตรถึง 500 นาโนเมตร เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำจากวัสดุแกลเลียมไนไตรด์สามารถผลิตเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 450 นาโนเมตรได้โดยตรง โดยไม่ต้องเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า เลเซอร์นี้มีข้อดีคือโครงสร้างเรียบง่าย ใช้งานง่าย ประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้า-แสง และอัตราการดูดซับสูง
เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ไฟเบอร์ที่ใช้กันทั่วไปในกระบวนการทางอุตสาหกรรม เลเซอร์สีน้ำเงินมีอัตราการดูดซับวัสดุโลหะที่ความยาวคลื่น 450 นาโนเมตรเพิ่มขึ้น 10-60% โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับทองแดง ทองคำ และวัสดุโลหะอื่นๆ ที่มีการสะท้อนแสงสูง อัตราการดูดซับที่เพิ่มขึ้นนี้เห็นได้ชัดเจนกว่า ได้รับการยืนยันแล้วว่าการใช้พลังงานที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมทองแดงนั้นต่ำกว่าเลเซอร์อินฟราเรดถึง 84% ซึ่งหมายความว่าเมื่อเลเซอร์อินฟราเรดต้องการพลังงานเลเซอร์ 10 วัตต์ในการเชื่อมทองแดง การใช้เลเซอร์สีน้ำเงินต้องการพลังงานเพียงประมาณ 1 กิโลวัตต์หรือ 0.5 กิโลวัตต์เท่านั้น
3.การเชื่อมคอมโพสิตแบบคานคู่:
ใช้กระบวนการเชื่อมคอมโพสิตลำแสงคู่อินฟราเรด-มองเห็นได้ ด้วยเลเซอร์อินฟราเรดที่มีกำลังส่องสว่างต่ำ เลเซอร์อินฟราเรดสามารถเชื่อมทองแดงหลอมเหลวแบบแรงได้ลึก เมื่อกำลังเชื่อมต่ำลง และลดการกระจายตัวของทองแดงได้อย่างมาก ต้นทุนอุปกรณ์ต่ำและคุณภาพการเชื่อมสูง ถือเป็นข้อได้เปรียบที่โดดเด่นและโอกาสการใช้งานที่ดี
การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งโลหะผสมอลูมิเนียม：
เมื่อเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยลำแสงเลเซอร์แบบโฟกัสเดียวทั่วไป รูพรุนถือเป็นข้อบกพร่องที่พบบ่อย สาเหตุหลักของการเกิดรูพรุนในโลหะผสมอะลูมิเนียม ได้แก่:
1.อ่างเชื่อมและรูกุญแจสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงและยุบตัวได้ง่ายและเสถียรขึ้นจนเกิดรูพรุน
2. ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในโลหะผสมอะลูมิเนียมจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิลดลง ส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของไฮโดรเจนอิ่มตัวยิ่งยวดในระหว่างกระบวนการแข็งตัว ทำให้เกิดรูพรุนของไฮโดรเจน การมีรูพรุนอาจทำให้เกิดความเค้นสะสมในรอยเชื่อม ซึ่งทำให้รอยเชื่อมแตกร้าวในระหว่างกระบวนการแข็งตัว
การเชื่อมแบบแกว่งเลเซอร์: ในระหว่างกระบวนการเชื่อม ลำแสงจะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของการเชื่อมและแกว่งในรูปแบบต่างๆ เช่น วงกลม รูปเลข 8 และเส้นเกลียวในเวลาเดียวกัน
ปัจจุบัน การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งลำแสงทำได้โดยใช้กัลวาโนมิเตอร์ที่ทนทานต่อเลเซอร์กำลังสูงเป็นหลัก พื้นที่การทำงานของลำแสงในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ของรูกุญแจและอ่าง รวมถึงขนาดของรากของอ่าง ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของรูกุญแจและอ่าง และมีผลอย่างมากต่อการปรับปรุงข้อบกพร่องต่างๆ เช่น การหลอมเหลวที่ไม่ดีและขอบกัด ในขณะเดียวกัน การกวนอ่างด้วยลำแสงที่แกว่งจะช่วยเร่งการพาความร้อนของอ่าง ซึ่งจะเพิ่มความเร็วในการหลบหนีของฟองอากาศในอ่างและลดความพรุน
การประยุกต์ใช้ในปัจจุบันเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ในหลากหลายสาขา：
เลเซอร์ถูกนำมาใช้ในการเชื่อมไม่เกินกว่าการตัด และมีการใช้ในหลายสาขา เช่น แม่พิมพ์ ตัวละครโฆษณา แว่นตา เครื่องประดับ ฯลฯ ในระดับที่จำกัดมาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของพลังงานเลเซอร์ ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์ได้พัฒนาสถานการณ์การใช้งานการเชื่อมเลเซอร์ขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยทำลายข้อจำกัดทางเทคนิคการเชื่อมเลเซอร์แบบเดิมและเปิดพื้นที่ตลาดใหม่
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ในด้านการผลิตยานยนต์：
ในการผลิตยานยนต์เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ส่วนใหญ่ใช้ในการเชื่อมเลเซอร์แผ่นเหล็กหนา การเชื่อมเลเซอร์สำหรับการประกอบรถยนต์และการประกอบระบบย่อย การเชื่อมเลเซอร์สำหรับชิ้นส่วนรถยนต์ และกระบวนการอื่นๆ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โดยผู้ผลิตรถยนต์ในบางประเทศในยุโรปและสหรัฐอเมริกาเริ่มต้นค่อนข้างเร็ว โดยเริ่มต้นในช่วงทศวรรษ 1980 แบรนด์รถยนต์ชื่อดังอย่าง อาวดี้, เมอร์เซเดส-เบนซ์ และ ทั่วไป มอเตอร์ เริ่มนำเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์มาใช้ในการผลิตยานยนต์ในช่วงเวลาดังกล่าว ซึ่งส่งเสริมการประยุกต์ใช้และการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์อย่างลึกซึ้งในภาคการผลิตยานยนต์
แนวโน้มการพัฒนาของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
ด้วยการพัฒนาและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเชื่อม ทำให้ความพิเศษของเทคโนโลยีนี้ได้รับการพิสูจน์มากขึ้นในกระบวนการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถเชื่อมโลหะได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ในขณะเกิดลำแสงเลเซอร์ ด้วยคุณสมบัติการโฟกัสที่สูง ลำแสงเลเซอร์จึงมีความหนาแน่นพลังงานสูงมาก ส่งผลให้ลำแสงเลเซอร์สามารถปลดปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมากได้ภายในระยะเวลาอันสั้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมและรับประกันคุณภาพการเชื่อมได้อย่างมาก
เนื่องจากข้อดีของการเชื่อมแบบทันทีของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีขอบเขตการประยุกต์ใช้ที่กว้างมาก ในกระบวนการประยุกต์ใช้จริงของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์เมื่อลำแสงเลเซอร์ส่องไปที่พื้นผิวของวัสดุโลหะโดยตรง จะไม่ส่งผลกระทบต่อพื้นผิวของวัสดุโลหะนอกพื้นที่ฉายรังสี จึงไม่ก่อให้เกิดความเสียหายที่มากขึ้นกับพื้นผิวของวัสดุโลหะในระหว่างกระบวนการเชื่อม และหลังจากกระบวนการเชื่อมเสร็จสิ้นแล้ว ไม่จำเป็นต้องมีการประมวลผลพื้นผิวที่เกี่ยวข้อง ซึ่งทำให้เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการประมวลผลพื้นผิวของชิ้นส่วนความแม่นยำต่างๆ เพื่อให้สามารถดำเนินการเชื่อมที่ยากยิ่งขึ้นได้อย่างรวดเร็ว
นอกจากนี้ ในข้อกำหนดทางเทคนิคการเชื่อมก่อนหน้านี้ มักกำหนดว่าข้อกำหนดวัสดุสำหรับวัสดุเชื่อมทั้งหมดจะต้องเหมือนกัน และด้วยเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไม่จำเป็นต้องมีข้อจำกัดมากมายเกี่ยวกับวัสดุของวัสดุเชื่อม ดังนั้นแม้ว่าจะเป็นวัสดุเชื่อมที่มีวัสดุต่างกันก็ตามเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ สามารถใช้เพื่อให้เกิดการเชื่อมที่ง่ายดาย กล่าวได้ว่าการเกิดขึ้นและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์อย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่ช่วยแก้ไขปัญหาของเทคโนโลยีการเชื่อมแบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมแบบดั้งเดิมอีกด้วย
หลังจากการพัฒนามากว่าครึ่งศตวรรษเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ระดับเทคนิคของมันก็ได้รับการพัฒนาให้สมบูรณ์แบบมากขึ้นเรื่อยๆ และค่อยๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้นเรื่อยๆ
ในสาขาการประยุกต์ใช้ของการบินและอวกาศ เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ การผลิตเครื่องจักร โลหะวิทยาเหล็กและเหล็กกล้า การผลิตยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ กำลังมีบทบาทสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เช่น ในการผลิตชิ้นส่วนรถยนต์เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ สามารถนำไปใช้แปรรูปและผลิตชิ้นส่วนหุ้มของรถยนต์ได้ และประเทศที่ก้าวหน้า เช่น สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น ก็ได้นำมาประยุกต์ใช้เช่นกันเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ไปจนถึงการผลิตชิ้นส่วนเครื่องบินในสภาพแวดล้อมไนโตรเจนบริสุทธิ์