การประยุกต์ใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์บนเหล็กกล้าไร้สนิม 1

เหตุใดจึงต้องเชื่อมด้วยเลเซอร์กับสแตนเลส สตีล

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อได้เปรียบหลายประการที่ทำให้มันเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการเชื่อมต่อสแตนเลส สตีล ด้วยความเร็ว ความแม่นยำ และผลกระทบจากความร้อนที่น้อยมาก ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ยากจะทำให้ได้โดยวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิม

การบิดงอต่ำและคราบความร้อนน้อย: สแตนเลส สตีลมีความไวต่อความร้อน เป็นเหตุให้การให้ความร้อนมากเกินไปอาจทำให้วัสดุบิดงอ เกิดแรงดันตกค้าง หรือเกิดคราบสีที่ไม่น่าพึงพอใจ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีแหล่งความร้อนเข้มข้น ทำให้เกิดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) มีความแคบมาก ซึ่งช่วยลดการบิดงอของวัสดุได้อย่างมาก รูปแบบความร้อนที่ควบคุมได้ยังช่วยลดคราบความร้อน ทำให้รักษาคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนของโลหะไว้ได้ ลดหรืออาจไม่ต้องทำความสะอาดหลังการเชื่อมเลย

ความเร็วสูงและการทำงานอัตโนมัติ: การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถดำเนินการที่ความเร็วในการเคลื่อนย้ายสูง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก กระบวนการทำงานสามารถผสานเข้ากับสายการผลิตอัตโนมัติได้ง่าย โดยระบบหุ่นยนต์สามารถให้การเชื่อมที่สม่ำเสมอโดยไม่มีความเหนื่อยล้าของผู้ปฏิบัติงาน ส่งผลให้เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและรักษามาตรฐานคุณภาพได้

ความแม่นยำสูง: ลำแสงเลเซอร์สามารถโฟกัสไปที่จุดขนาดเล็กมาก ทำให้วางตำแหน่งการเชื่อมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำงานกับสแตนเลสเหล็กบาง ดีไซน์ที่ซับซ้อน หรือชิ้นส่วนที่มีช่วงการผิดพลาดต่ำที่สุด

การเข้าถึงและเชื่อมด้านเดียว: ต่างจากการเชื่อมแบบดั้งเดิมบางประเภท การเชื่อมด้วยเลเซอร์มักต้องการการเข้าถึงเพียงด้านเดียวของรอยต่อ ทำให้มีคุณค่าต่อการประกอบที่ซับซ้อน หรือพื้นที่ที่เข้าถึงได้จำกัด

กระบวนการสะอาด: การเชื่อมเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ไม่สัมผัสชิ้นงานโดยตรง จึงให้สะเก็ดเชื่อม ไอระเหย หรือสิ่งปนเปื้อนน้อยมาก ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความสะอาดในพื้นที่ทำงาน แต่ยังลดความจำเป็นในการตกแต่งชิ้นงานหลังการเชื่อมอย่างละเอียด

การเชื่อมเลเซอร์กับเหล็กกล้าไร้สนิมรวมความเร็ว ความแม่นยำ และการป้อนความร้อนต่ำไว้ด้วยกัน ส่งผลให้ได้รอยเชื่อมที่แข็งแรงและมีลักษณะสวยงามโดยต้องแก้ไขงานซ้ำน้อย การเชื่อมเลเซอร์สามารถใช้งานร่วมกับระบบอัตโนมัติได้และต้องการการเข้าถึงเพียงด้านเดียว จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมทั้งสำหรับการผลิตจำนวนมากและการใช้งานเฉพาะทาง พร้อมมอบคุณภาพและความมีประสิทธิภาพในระยะยาว

กลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิมและผลกระทบต่อการเชื่อม

เหล็กกล้าไร้สนิมถูกจัดกลุ่มตามโครงสร้างผลึกและองค์ประกอบโลหะผสมของมัน ความแตกต่างเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อความสามารถในการเชื่อม อุณหภูมิที่ตอบสนอง และคุณสมบัติทางกลในท้ายที่สุด ในการเชื่อมเลเซอร์นั้น การเข้าใจคุณลักษณะเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่อง เช่น การแตกร้าว การบิดงอ การสูญเสียความต้านทานต่อการกัดกร่อน หรือความไม่สมดุลของเฟสโลหะ

ออสเทนิติก

โครงสร้างและองค์ประกอบ: มีโครงสร้างแบบหน้ารวมศูนย์ (FCC) โดยทั่วไปมีโครเมียม 16–26% และนิกเกิล 6–12% รุ่นที่รวมอยู่ด้วย ได้แก่ 304, 316 และ 310

ความสามารถในการเชื่อม: มีความสามารถในการเชื่อมและดัดงอได้ดีเยี่ยม แต่การขยายตัวจากความร้อนสูงอาจทำให้เกิดการบิดงอได้ อีกทั้งการนำความร้อนต่ำยังอาจทำให้เกิดการร้อนเกินที่จุดเฉพาะ หากไม่ควบคุมพารามิเตอร์ให้เหมาะสม

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: ควบคุมปริมาณความร้อนให้ต่ำเพื่อลดการบิดงอ ใช้ก๊าซผสมในการป้องกัน (เช่น อาร์กอน-ฮีเลียม) เพื่อเพิ่มการเจาะทะลุและลดการเกิดออกซิเดชัน หลีกเลี่ยงการเกิดการไวต่อปฏิกิริยาโดยการควบคุมอุณหภูมิระหว่างการเชื่อมและอัตราการเย็นตัว

การประยุกต์ใช้งาน: อุปกรณ์สำหรับกระบวนการแปรรูปอาหาร ถังสารเคมี วัสดุปิดผิวอาคาร

เฟอร์ไรติก

โครงสร้างและองค์ประกอบ: มีโครงสร้างแบบศูนย์กลางลูกบาศก์ (BCC) พร้อมโครเมียม 10.5–30% โดยมีนิกเกิลเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย รุ่นที่พบบ่อย ได้แก่ 409 และ 430

ความสามารถในการเชื่อม: ความสามารถในการเชื่อมระดับปานกลาง—มีแนวโน้มเกิดการเติบโตของเกรนและเกิดความเปราะในเขตที่ได้รับผลจากความร้อน (HAZ) การขยายตัวจากความร้อนต่ำ หมายความว่าจะเกิดการบิดงอน้อยกว่าเกรดแบบออกสเทนนิติก

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: ควรควบคุมให้ความร้อนต่ำและเย็นตัวเร็ว เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเกรนหยาบ ลวดเชื่อมมักไม่จำเป็น แต่อาจใช้เพื่อเพิ่มความเหนียวในชิ้นงานที่มีความหนา

การใช้งาน: ระบบไอเสียรถยนต์ เครื่องใช้ในอุตสาหกรรม ชิ้นส่วนตกแต่ง

มาร์เทนไซติก

โครงสร้างและองค์ประกอบ: มีโครงสร้างแบบ BCC/tetragonal ประกอบด้วยโครเมียม 11.5–18% และมีคาร์บอนในระดับที่สูงกว่า รุ่นที่นิยมใช้ทั่วไป ได้แก่ 410, 420, 440C

ความสามารถในการเชื่อม: มีความยากมากกว่าในการเชื่อม เนื่องจากความแข็งและความเปราะ ความเสี่ยงสูงที่จะเกิดรอยร้าวเย็นในเขตที่ได้รับผลจากความร้อน (HAZ)

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: อุ่นล่วงหน้าที่อุณหภูมิ 150 –300℃ เพื่อลดความแข็ง ใช้การปรับปรุงหลังผสม เพื่อคืนความแข็งแรง วัสดุที่ใช้เติมสารที่มีคาร์บอนน้อยลง สามารถช่วยลดความรู้สึกต่อรอยแตกให้น้อยที่สุด

การใช้งาน: ปีกทูไบน์ มีด เครื่องมือผ่าตัด

การแข็งแบบฝน (PH)

โครงสร้างและองค์ประกอบ: โครงสร้างแบบมาร์เทนซิต หรือครึ่งออสเตนซิตที่มีองค์ประกอบสกัดเพิ่มเติม (เช่น Cu, Al, Nb, Ti) ที่ทําให้ความแข็งแรงกับอายุ ตัวอย่าง: 17-4PH

ความสามารถในการเชื่อม: มีความสามารถในการเชื่อมที่ดี แต่คุณสมบัติทางกลขึ้นอยู่กับการบำบัดด้วยความร้อนอย่างมาก

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: ควรเชื่อมในสภาพที่ได้รับการรักษาแล้ว จากนั้นจึงทำการชราภาพหลังการเชื่อมเพื่อฟื้นฟูความแข็งแรง หลีกเลี่ยงการป้อนความร้อนมากเกินไปเพื่อป้องกันการชราภาพเกินหรือการบิดงอ

การใช้งาน: ชิ้นส่วนอากาศยาน เพลาที่มีความแข็งแรงสูง อุปกรณ์ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

ดูเพล็กซ์และซุปเปอร์ดูเพล็กซ์

โครงสร้างและองค์ประกอบ: มีเฟสแบบออสเทนิติกและเฟอไรติกประมาณ 50/50 โดยมีโครเมียมสูง (19–32%) โมลิบดีนัม และไนโตรเจน เพื่อเพิ่มความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน รุ่นที่นิยมทั่วไป: 2205, 2507

ความสามารถในการเชื่อม: มีความสามารถในการเชื่อมที่ดี แต่ไวต่อความไม่สมดุลของเฟส ความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้เฟสเฟอไรติกหรือซิกม่าเฟสเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งจะลดการต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวลง

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: ใช้ การป้อนความร้อนในระดับปานกลางที่ควบคุมได้ และรักษาอุณหภูมิระหว่างการเชื่อมให้อยู่ต่ำกว่า ~150 ℃องค์ประกอบของก๊าซป้องกันมีความสำคัญอย่างมาก เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียไนโตรเจน

การใช้งาน: แท่นขุดเจาะนอกชายฝั่ง โรงงานผลิตน้ำจืดจากน้ำเค็ม อุปกรณ์สำหรับกระบวนการทางเคมี

เหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละประเภทมีปฏิกิริยาแตกต่างกันต่อความร้อนที่เข้มข้นจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เหล็กกล้าไร้สนิมแบบ Austenitic เชื่อมได้ง่ายแต่เกิดการบิดงอได้ง่าย Ferritic มีความเสถียรแต่มีความเสี่ยงที่เกรนจะหยาบขึ้น Martensitic จำเป็นต้องให้ความร้อนก่อนและอบหลังการเชื่อม ส่วนเกรนที่เป็น PH จำเป็นต้องผ่านกระบวนการชราภาพหลังการเชื่อม ในขณะที่แบบดูเพล็กซ์ (Duplex) ต้องควบคุมเฟสอย่างเคร่งครัด การเลือกพารามิเตอร์ของเลเซอร์ โลหะเชื่อม และการบำบัดหลังการเชื่อมให้เหมาะสมกับเหล็กแต่ละประเภท จะช่วยให้ได้รอยเชื่อมที่รักษาทั้งความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนไว้ได้