การประยุกต์ใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์บนเหล็กกล้าไร้สนิม 2

การประยุกต์ใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์บนเหล็กกล้าไร้สนิม

หลักการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเข้าใจหลักการพื้นฐานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตรอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงและสม่ำเสมอในเหล็กกล้าไร้สนิม กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่ถูกควบคุมอย่างแม่นยำ ซึ่งกำหนดความลึกของการซึมผ่าน ความกว้างของรอยเชื่อม และขนาดของพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน แนวคิดต่อไปนี้อธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับเหล็กกล้าไร้สนิม และวิธีที่การตั้งค่าที่แตกต่างกันส่งผลต่อผลลัพธ์

โหมดการนำความร้อน (Conduction) เทียบกับโหมดช่องว่าง (Keyhole)

โหมดการนำความร้อน (Conduction Mode): พลังงานเลเซอร์ทำให้ผิวโลหะละลาย และความร้อนจะไหลเข้าไปในวัสดุเป็นหลักผ่านการนำความร้อนแบบคอนดักชัน สิ่งนี้จะให้รอยเชื่อมที่กว้างและตื้น มีการระเหยของโลหะต่ำ—เหมาะสำหรับชิ้นงานที่บาง ต้องการพลังงานความร้อนต่ำ และรอยเชื่มที่เน้นความสวยงาม

โหมดช่องว่าง (Keyhole Mode): เมื่อความหนาแน่นของกำลังไฟสูงขึ้น เลเซอร์จะทำให้โลหะที่จุดโฟกัสของลำแสงระเหย เกิดเป็นโพรงเล็กๆ (Keyhole) ลำแสงสามารถเจาะลึกเข้าไปได้ ช่วยให้เชื่อมได้ลึกและแคบในชิ้นงานที่หนา โหมดนี้ให้การซึมผ่านสูงสุด แต่ต้องควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อป้องกันการเกิดรูพรุนและไม่เสถียร

คลื่นต่อเนื่อง (CW) เทียบกับ การพัลส์

คลื่นต่อเนื่อง (CW): ให้พลังงานอย่างสม่ำเสมอไม่หยุดชะงัก เหมาะสำหรับรอยต่อที่ยาวและต่อเนื่อง โดยเน้นความเร็วและความลึกของการเชื่อมที่สม่ำเสมอ ซึ่งมักใช้ในสายการผลิตอัตโนมัติ

แบบพัลส์: ให้พลังงานเป็นช่วงๆ อย่างควบคุม เหมาะสำหรับชิ้นงานที่ไวต่อความร้อน งานละเอียด หรือการเชื่อมจุด การเชื่อมแบบพัลส์ช่วยลดการบิดงอและคราบไหม้จากความร้อน ทำให้เหมาะกับชิ้นส่วนประกอบที่ต้องความแม่นยำสูง และชิ้นส่วนสแตนเลสที่บาง

คุณภาพลำแสง ขนาดจุด และพลังงานต่อหน่วยความยาว

คุณภาพลำแสง: ลำแสงที่มีคุณภาพสูง (วัดจากค่า M²) จะให้จุดที่เล็กและโฟกัสได้ดี ทำให้เชื่อมได้ละเอียดขึ้นและเจาะลึกได้ดีขึ้นแม้ใช้พลังงานต่ำ

ขนาดจุด: จุดที่เล็กจะเพิ่มความเข้มข้นของพลังงาน ส่งผลให้เจาะลึกได้ดี จุดที่ใหญ่จะกระจายความร้อน ลดความเสี่ยงในการทะลุของวัสดุบาง

พลังงานต่อหน่วยความยาว: สมดุลระหว่างกำลังเลเซอร์และความเร็วในการเคลื่อนที่จะกำหนดปริมาณพลังงานที่ป้อนเข้าไป หากรับพลังงานมากเกินไปจะทำให้เกิดการบิดงอและพื้นที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากเกินไป (HAZ) ส่วนพลังงานน้อยเกินไปจะทำให้การหลอมรวมอ่อนหรือไม่สมบูรณ์

การสั่นสะเทือน (Wobble) และระบบเลนส์แบบสแกน

การเชื่อมแบบสั่นสะเทือน (Wobble Welding): เป็นการสั่นเลเซอร์ในรูปแบบเล็กๆ ในขณะที่เคลื่อนที่ตามแนวตะเข็บ เชื่อมดีขึ้นในช่องว่าง ลดความไวต่อการจัดแนว และสามารถสร้างแนวเชื่อมที่กว้างขึ้นและมีความทนทานมากขึ้น

ระบบเลนส์แบบสแกน (Scanning Optics): ใช้กระจกหรือเครื่องวัดแบบแกนวัดเพื่อเคลื่อนที่ลำแสงเลเซอร์ด้วยความเร็วสูงบนชิ้นงาน ช่วยให้สามารถเปลี่ยนรูปแบบการเชื่อมอย่างรวดเร็ว เชื่อมหลายจุดพร้อมกัน และเชื่อมโยงกับระบบอัตโนมัติได้ โดยเฉพาะมีคุณค่ามากในการผลิตจำนวนมากและชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อน

ประสิทธิภาพของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ขึ้นอยู่กับการควบคุมปฏิกิริยาของลำแสงกับวัสดุ โหมดการนำความร้อน (Conduction mode) เหมาะสำหรับรอยเชื่อมที่ละเอียดและตื้น ในขณะที่โหมดรูเข็มขัด (Keyhole mode) ช่วยให้เกิดการซึมลึก CW ให้ความเร็วและความสม่ำเสมอ ในขณะที่โหมดพัลส์ (Pulsed mode) ช่วยควบคุมความร้อนในชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน คุณภาพของลำแสงและขนาดจุดโฟกัสกำหนดความหนาแน่นของพลังงาน การปรับพลังงานต่อหน่วยความยาวให้ตรงกับรอยต่อเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้ความแข็งแรงโดยไม่เกิดการบิดงอ เทคนิคขั้นสูงอย่างการเชื่อมแบบสั่น (Wobble welding) และออปติกส์แบบสแกนนิ่ง (Scanning optics) เพิ่มความยืดหยุ่น ทำให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นเครื่องมือที่หลากหลายสำหรับการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมในอุตสาหกรรมต่างๆ

กฎการออกแบบและจัดแนวรอยต่อ

ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ การออกแบบข้อต่อและความแม่นยำของการประกอบมีผลโดยตรงต่อคุณภาพการเชื่อม ความลึกของการซึมผ่าน และรูปลักษณ์ภายนอก ต่างจากกระบวนการเชื่อมอาร์กบางประเภท การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความทนทานต่อช่องว่างหรือการจัดตำแหน่งที่ไม่พอดีได้น้อยกว่า เนื่องจากลำแสงที่แคบและหลุมละลายขนาดเล็ก การเลือกประเภทข้อต่อที่เหมาะสม การเตรียมขอบอย่างถูกต้อง และการประกันความแม่นยำในการประกอบ ล้วนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมที่แข็งแรงและปราศจากข้อบกพร่อง

รอยต่อแบบบัตต์ (Butt Joints)

คำอธิบาย: ชิ้นงานสองชิ้นวางแนวให้อยู่ในระนาบเดียวกันและเชื่อมต่อกันที่ขอบ

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อมีช่องว่างน้อยหรือไม่มีช่องว่างเลย (ต่ำกว่า 0.1 มม. สำหรับชิ้นงานบาง) จำเป็นต้องเตรียมขอบชิ้นงานอย่างแม่นยำเพื่อป้องกันการเชื่อมไม่สมบูรณ์ โหมด Keyhole มักถูกใช้สำหรับชิ้นงานที่มีความหนามากกว่า

การประยุกต์ใช้งาน: แผงโลหะแผ่นบาง ภาชนะรับแรงดัน ท่อโลหะ

รอยต่อแบบทับซ้อน (Lap Joints)

คำอธิบาย: ชิ้นหนึ่งวางทับอีกชิ้นหนึ่ง และลำแสงเลเซอร์จะเจาะทะลุชั้นบนเข้าสู่ชั้นล่าง

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: มีประสิทธิภาพในการเชื่อมวัสดุที่มีความหนาต่างกัน รอยทับซ้อนควรมีความสม่ำเสมอ และพื้นผิวต้องสะอาดเพื่อป้องกันการปนเปื้อนที่ถูกกักไว้ การปรับเลเซอร์ให้เบลอเล็กน้อยสามารถช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอในการเจาะวัสดุ

การประยุกต์ใช้งาน: แผงตัวถังรถยนต์, กล่องหุ้ม, โครงสร้างชิ้นส่วนบางเบา

รอยต่อแบบฟิลเล็ต (Fillet Joints)

คำอธิบาย: ชิ้นส่วนถูกเชื่อมในมุมที่กำหนด โดยปกติคือมุม 90° โดยการเติมโลหะเชื่อมในบริเวณมุม

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมด้วยเลเซอร์: เหมาะสำหรับการใช้งานแบบอัตโนมัติแต่ต้องการการจัดแนวรอยต่ออย่างแม่นยำ การทำให้ขอบมนสามารถช่วยเพิ่มการเข้าถึงลำแสงในมุมแคบได้ การเชื่อมแบบสั่น (Wobble welding) สามารถช่วยเติมเต็มรอยต่อได้อย่างสม่ำเสมอ

การประยุกต์ใช้งาน: กรอบโครง, ตัวยึด, โครงสร้างแบบกล่อง

ขอบและมุม

คำอธิบาย: รวมถึงรอยต่อมุมและรอยเชื่อมขอบ โดยลำแสงจะหลอมวัสดุที่บริเวณขอบเขต

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมเลเซอร์: มีความไวต่อข้อผิดพลาดในการจัดแนวเป็นพิเศษ ความร้อนต่ำช่วยลดการบิดงอ แต่จำเป็นต้องยึดชิ้นงานอย่างระมัดระวังเพื่อรักษาโครงสร้างทางเรขาคณิต นิยมใช้สำหรับชิ้นส่วนสแตนเลสเหล็กที่มีลวดลายเนื่องจากรอยต่อที่สะอาดและมองเห็นได้ชัดเจน

การเว้นระยะเอียงและเตรียมรอยต่อ

คำอธิบาย: รอยตัดเอียงหรือการเตรียมขอบเพื่อให้เจาะลึกได้มากขึ้น หรือรองรับการเติมวัสดุ

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมเลเซอร์: ใช้กันทั่วไปสำหรับส่วนสแตนเลสที่หนาขึ้น ซึ่งต้องการการเจาะผ่านในครั้งเดียว มุมเอียงและพื้นผิวฐานต้องสม่ำเสมอ การเอียงมากเกินไปอาจลดประสิทธิภาพของรอยเชื่อม

การเชื่อมจุดยึดชั่วคราว (Tack Welding)

คำอธิบาย: การเชื่อมจุดขนาดเล็กแบบชั่วคราวที่ใช้ยึดชิ้นส่วนให้อยู่ในแนวเดียวกันก่อนการเชื่อมขั้นสุดท้าย

ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมเลเซอร์: ป้องกันการเคลื่อนตัวของชิ้นงานขณะเชื่อม และลดการเปลี่ยนแปลงของช่องว่าง การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์มีความเร็วสูง สร้างการบิดงอน้อย และสามารถทำให้เป็นระบบอัตโนมัติได้ง่าย ระยะห่างของการเชื่อมจุดควรสอดคล้องกับความหนาของวัสดุและความแข็งแรงของรอยต่อ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ต้องการการประกอบชิ้นงานแนบชิดกันและเตรียมรอยต่อให้สม่ำเสมอ เนื่องจากกระบวนการนี้จะเกิดหลุมเชื่อมที่มีขนาดเล็ก โดยไม่สามารถทนต่อช่องว่างหรือการจัดแนวที่ไม่ตรงกันได้ รอยต่อชนต้องการการสัมผัสของขอบที่เกือบสมบูรณ์แบบ รอยต่อทับซ้อนต้องการพื้นผิวที่สะอาดในการทับซ้อนกัน และรอยต่อเต็มต้องการการเข้าถึงมุมอย่างแม่นยำ ขอบ มุม และพื้นผิวเอียงต้องมีความสม่ำเสมอเพื่อการซึมผ่านอย่างเต็มที่ และการเชื่อมยึดชิ้นงานชั่วคราวจะช่วยให้ชิ้นส่วนยังคงอยู่ในแนวเดิมระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วสูง โดยการปฏิบัติตามกฎการออกแบบรอยต่อและการประกอบชิ้นงานดังกล่าว จะช่วยให้การเชื่อมสแตนเลสสตีลมีความแข็งแรง แม่นยำ และมีลักษณะสวยงามสะอาดตา