1. เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานรังสีของเลเซอร์เพื่อให้เกิดการเชื่อมที่มีประสิทธิภาพ หลักการทำงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือ การกระตุ้นตัวกลางที่กระตุ้นด้วยเลเซอร์ (เช่น ส่วนผสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซอื่นๆ ผลึก แย็ก อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต ฯลฯ) ในลักษณะเฉพาะ เพื่อให้ตัวกลางสั่นไปมาในเรโซเนเตอร์ ก่อให้เกิดลำแสงรังสีที่ถูกกระตุ้น เมื่อลำแสงสัมผัสกับชิ้นงาน พลังงานของลำแสงจะถูกดูดซับเข้าไปในชิ้นงาน และสามารถเชื่อมได้เมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวของวัสดุ
2. พารามิเตอร์ที่สำคัญของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
2.1 ความหนาแน่นของพลังงาน：
ความหนาแน่นพลังงานเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในกระบวนการแปรรูปด้วยเลเซอร์ การใช้ความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้นทำให้ชั้นผิวสามารถให้ความร้อนถึงจุดเดือดภายในช่วงเวลาไมโครวินาที ส่งผลให้เกิดการระเหยในปริมาณมาก ดังนั้น ความหนาแน่นพลังงานสูงจึงเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับกระบวนการกำจัดวัสดุ เช่น การเจาะ การตัด และการแกะสลัก สำหรับความหนาแน่นพลังงานต่ำ อุณหภูมิพื้นผิวจะใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีจึงถึงจุดเดือด ก่อนที่พื้นผิวจะระเหย ชั้นล่างสุดจะถึงจุดหลอมเหลว ซึ่งสามารถขึ้นรูปเป็นชิ้นงานเชื่อมหลอมเหลวที่ดีได้อย่างง่ายดาย
2.2 รูปคลื่นพัลส์เลเซอร์：
เมื่อลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงกระทบกับพื้นผิวของวัสดุ พลังงานเลเซอร์บนพื้นผิวโลหะ 60 ถึง 98% จะถูกสะท้อนและสูญเสียไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งทอง เงิน ทองแดง อลูมิเนียม ไทเทเนียม และวัสดุอื่นๆ ที่มีการสะท้อนสูงและการถ่ายเทความร้อนที่รวดเร็ว ในระหว่างการส่งสัญญาณพัลส์เลเซอร์ การสะท้อนของโลหะจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวของวัสดุสูงขึ้นถึงจุดหลอมเหลว การสะท้อนจะลดลงอย่างรวดเร็ว เมื่อพื้นผิวอยู่ในสถานะหลอมเหลว การสะท้อนจะคงที่ที่ค่าหนึ่ง
2.3 ความกว้างพัลส์เลเซอร์：
ความกว้างพัลส์เป็นพารามิเตอร์สำคัญของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ ความกว้างพัลส์ถูกกำหนดโดยความลึกของการหลอมเหลวและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ยิ่งความกว้างพัลส์ยาวขึ้น บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะกว้างขึ้น และความลึกของการหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นตามกำลังของพัลส์ที่ 1/2 ของความกว้างพัลส์ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความกว้างพัลส์จะทำให้กำลังสูงสุดลดลง ดังนั้น การเพิ่มความกว้างพัลส์จึงมักใช้ในการเชื่อมด้วยการนำความร้อน ขนาดของรอยเชื่อมที่ได้จะมีความกว้างและตื้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมแบบทับของแผ่นโลหะบางและหนา
อย่างไรก็ตาม พลังงานสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดความร้อนที่มากเกินไป และวัสดุแต่ละชนิดจะมีความกว้างพัลส์ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งสามารถเพิ่มความลึกของการหลอมเหลวได้สูงสุด
2.4 ปริมาณการเบลอ：
การเชื่อมด้วยเลเซอร์มักต้องการการเบลอโฟกัสในระดับหนึ่ง เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่จุดศูนย์กลางของจุดโฟกัสเลเซอร์นั้นสูงเกินไป ซึ่งอาจระเหยกลายเป็นรูได้ง่าย การกระจายความหนาแน่นของพลังงานในแต่ละระนาบที่ออกจากจุดโฟกัสเลเซอร์จะค่อนข้างสม่ำเสมอ
2.5 มีสองวิธีในการเบลอโฟกัส:
การเบลอภาพแบบบวกและการเบลอภาพแบบลบ ระนาบโฟกัสจะอยู่เหนือชิ้นงานสำหรับการเบลอภาพแบบบวก และในทางกลับกันสำหรับการเบลอภาพแบบลบ ตามทฤษฎีออปติกเชิงเรขาคณิต เมื่อระยะห่างระหว่างระนาบการเบลอภาพแบบบวกและลบกับระนาบการเชื่อมเท่ากัน ความหนาแน่นของพลังงานบนระนาบที่สอดคล้องกันจะใกล้เคียงกัน แต่ในความเป็นจริงแล้วรูปร่างของอ่างเชื่อมที่ได้จะแตกต่างกันเล็กน้อย เมื่อการเบลอภาพแบบลบ ความลึกของการหลอมเหลวจะมากขึ้น ซึ่งสัมพันธ์กับกระบวนการขึ้นรูปของอ่างเชื่อม
2.6 ความเร็วในการเชื่อม：
ความเร็วในการเชื่อมมีผลต่อความลึกของการหลอมเหลวมากกว่า การเพิ่มความเร็วจะทำให้ความลึกของการหลอมเหลวตื้นขึ้น แต่หากความเร็วต่ำเกินไป จะทำให้วัสดุหลอมเหลวมากเกินไปและชิ้นงานจะถูกเชื่อมทะลุผ่านได้ ดังนั้นจึงมีช่วงความเร็วในการเชื่อมที่เหมาะสมสำหรับวัสดุเฉพาะที่มีกำลังเลเซอร์และความหนาที่กำหนด และจะได้ความลึกของการหลอมเหลวสูงสุดที่ค่าความเร็วที่สอดคล้องกัน
2.7 ก๊าซป้องกัน：
ในกระบวนการเชื่อมเลเซอร์มักใช้ก๊าซเฉื่อยเพื่อป้องกันอ่าง ในขณะที่ฮีเลียม อาร์กอน ไนโตรเจน และก๊าซอื่นๆ มักใช้เพื่อป้องกันในงานส่วนใหญ่ บทบาทประการที่สองของก๊าซป้องกันคือการปกป้องเลนส์โฟกัสจากมลภาวะไอโลหะและการสปัตเตอริงของหยดของเหลว ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง การพ่นออกของก๊าซจะมีพลังมาก และจำเป็นต่อการปกป้องเลนส์มากขึ้นในเวลานี้ ผลกระทบประการที่สามของก๊าซป้องกันคือสามารถกระจายการป้องกันพลาสมาที่เกิดจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไอโลหะจะดูดซับลำแสงเลเซอร์และแตกตัวเป็นไอออนในพลาสมา หากมีพลาสมามากเกินไป ลำแสงเลเซอร์จะถูกพลาสมาดูดซับไปในระดับหนึ่ง
3.ผลลัพธ์ที่เป็นเอกลักษณ์ของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์:
เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการเชื่อมแบบดั้งเดิม เทคโนโลยีนี้จะมีผลที่เป็นเอกลักษณ์สี่ประการ:
3.1 ผลการทำความสะอาดรอยเชื่อม：
เมื่อฉายลำแสงเลเซอร์ลงบนรอยเชื่อม อัตราการดูดซับสิ่งเจือปน เช่น ออกไซด์ในวัสดุไปยังเลเซอร์จะสูงกว่าโลหะไปยังเลเซอร์มาก ดังนั้น สิ่งเจือปน เช่น ออกไซด์ในรอยเชื่อมจึงได้รับความร้อนและระเหยอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ปริมาณสิ่งเจือปนในรอยเชื่อมลดลงอย่างมาก ดังนั้น การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงไม่เพียงแต่ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อชิ้นงานเท่านั้น แต่ยังช่วยทำความสะอาดวัสดุได้อีกด้วย
3.2 เอฟเฟกต์การระเบิดแสง：
เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูงมาก โลหะในแนวเชื่อมจะระเหยและกลายเป็นไออย่างรวดเร็วภายใต้การฉายรังสีของลำแสงเลเซอร์กำลังสูง ภายใต้อิทธิพลของไอโลหะแรงดันสูง โลหะหลอมเหลวในอ่างจะระเบิดเป็นกระเด็น และคลื่นกระแทกอันทรงพลังจะแพร่กระจายไปในทิศทางของความลึกของรู ก่อให้เกิดรูลึกที่ยาวขึ้น ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ จะเติมเต็มรูอย่างต่อเนื่องและควบแน่นเป็นรอยเชื่อมหลอมเหลวที่แข็ง
3.3 เอฟเฟกต์รูเล็กของการเชื่อมหลอมลึก:
ภายใต้การฉายรังสีของลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 107 วัตต์/ตารางเซนติเมตร อัตราการใช้พลังงานที่เข้าสู่รอยเชื่อมจะสูงกว่าอัตราการนำความร้อน การพาความร้อน และการสูญเสียพลังงานอย่างมาก ทำให้โลหะในบริเวณที่ฉายรังสีเลเซอร์ระเหยอย่างรวดเร็ว และภายใต้อิทธิพลของไอน้ำแรงดันสูง จะเกิดรูเล็กๆ ขึ้นในอ่าง รูประเภทนี้เปรียบเสมือนหลุมดำในทางดาราศาสตร์ ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานแสงทั้งหมดได้ ลำแสงเลเซอร์จะผ่านรูนี้และกระทบกับก้นรูโดยตรง ความลึกของรูเป็นตัวกำหนดความลึกของการหลอมเหลว
3.4 ผลการโฟกัสของผนังด้านข้างของรูในอ่างบนเลเซอร์:
ในกระบวนการสร้างรูในอ่างภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ มุมตกกระทบของลำแสงเลเซอร์ที่ตกกระทบผนังด้านข้างของรูมักจะมีขนาดใหญ่ ทำให้ลำแสงเลเซอร์ตกกระทบสะท้อนบนผนังด้านข้างของรูและส่งผ่านไปยังก้นรู ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์การซ้อนทับของพลังงานลำแสงในรู ซึ่งสามารถเพิ่มความเข้มของลำแสงในรูได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "ปรากฏการณ์โฟกัสของผนังด้านข้างของรู" เหตุผลที่สามารถใช้เลเซอร์ในการเชื่อมได้นั้นขึ้นอยู่กับผลของปรากฏการณ์ดังกล่าว
4. ข้อดีของเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์-
ผลที่เป็นเอกลักษณ์ของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อดีดังต่อไปนี้:
4.1 เวลาในการฉายแสงเลเซอร์สั้นและกระบวนการเชื่อมรวดเร็วมาก ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตเท่านั้น แต่ยังทำให้วัสดุเชื่อมไม่เกิดการออกซิเดชันได้ง่าย พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก เหมาะสำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนทรานซิสเตอร์ที่มีความไวต่อความร้อนสูง การเชื่อมด้วยเลเซอร์ไม่จำเป็นต้องใช้ตะกรันเชื่อมหรือกำจัดฟิล์มออกไซด์ของชิ้นงาน สามารถเชื่อมผ่านกระจกได้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมในเครื่องมือวัดขนาดเล็กที่มีความแม่นยำสูง
4.2 เลเซอร์ไม่เพียงแต่สามารถเชื่อมวัสดุโลหะชนิดเดียวกันได้เท่านั้น แต่ยังเชื่อมวัสดุโลหะต่างชนิด หรือแม้แต่วัสดุโลหะและอโลหะได้อีกด้วย ยกตัวอย่างเช่น วงจรรวมที่ใช้เซรามิกเป็นวัสดุตั้งต้น เนื่องจากเซรามิกมีจุดหลอมเหลวสูงและมีการใช้แรงกดที่ไม่เหมาะสม จึงทำให้ยากต่อการใช้วิธีการเชื่อมแบบอื่น แต่การเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นสะดวกกว่า แน่นอนว่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไม่สามารถเชื่อมวัสดุต่างชนิดได้ทั้งหมด
สถานการณ์และอุตสาหกรรมที่ใช้ได้ของการเชื่อมเลเซอร์: 1. การเชื่อมด้วยการนำความร้อนส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำ เช่น แผ่นโลหะ การกลึงขอบ เทคโนโลยีทางการแพทย์ ฯลฯ 2. การเชื่อมและการบัดกรีแบบหลอมลึกส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ซึ่งการเชื่อมแบบหลอมลึกใช้สำหรับตัวถังรถยนต์ ระบบส่งกำลัง ตัวเรือน ฯลฯ การบัดกรีส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมตัวถังรถยนต์ 3. การเชื่อมด้วยการนำความร้อนด้วยเลเซอร์สามารถจัดการกับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะและมีการใช้งานที่หลากหลาย สามารถใช้ในสินค้าอุปโภคบริโภค อุตสาหกรรมยานยนต์ ตัวเรือนอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีทางการแพทย์ ฯลฯ 4. การเชื่อมแบบคอมโพสิตส่วนใหญ่เหมาะสำหรับโครงสร้างเหล็กพิเศษ เช่น ดาดฟ้าเรือ