การเปรียบเทียบผลการเชื่อมของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน
การประมวลผลด้วยเลเซอร์ของวัสดุโลหะส่วนใหญ่เป็นการประมวลผลด้วยความร้อนโดยอาศัยผลกระทบจากความร้อนจากแสง เมื่อเลเซอร์ฉายรังสีพื้นผิวของวัสดุ พื้นที่ผิวของวัสดุจะมีการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ภายใต้ความหนาแน่นของพลังงานที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้รวมถึงอุณหภูมิพื้นผิวที่เพิ่มขึ้น การหลอมละลาย การกลายเป็นไอ การเกิดรูกุญแจ และการสร้างโฟโตพลาสมา นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพของบริเวณพื้นผิวของวัสดุส่งผลกระทบอย่างมากต่อการดูดกลืนแสงเลเซอร์ของวัสดุ โดยทั่วไป ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าไร อัตราการดูดซึมแสงเลเซอร์ของวัสดุก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เมื่อความหนาแน่นของพลังงานและเวลาดำเนินการเพิ่มขึ้น วัสดุโลหะจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพดังต่อไปนี้ ดังแสดงในรูปที่ 1 [1]
การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีสองแกน: การถ่ายเทความร้อนและการนำความร้อน การถ่ายเทความร้อนเกี่ยวข้องกับแหล่งความร้อน ความหนาแน่นของพลังงาน และพลังงานในแนวเส้น การไหลเวียนของอากาศเพื่อปรับแต่ง ในกระบวนการเชื่อม แหล่งความร้อน ความหนาแน่นของพลังงาน และพลังงานในท่อจะถูกปรับเป็นหลัก พารามิเตอร์กระบวนการที่เกี่ยวข้องได้แก่: การเลือกเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเลเซอร์ กำลัง ความเร็ว และจำนวนการพร่ามัว เมื่อพิจารณาว่าบทความนี้มุ่งเน้นไปที่เลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกันเป็นหลัก และส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของพลังงานที่แตกต่างกัน รูปที่ 2 จะแสดงสูตรการคำนวณอย่างง่ายของความหนาแน่นของพลังงาน:
การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีสองประเภทหลักตามอัตราการดูดซับของกระบวนการเชื่อม หนึ่งคือ การเชื่อมแบบการนำความร้อน (อัตราส่วนความลึก-ความกว้าง)<1, laser absorption rate of red light is within 20%, and different wavelengths are different), and the other is deep penetration welding (Aspect ratio > 1, the absorption rate is greater than the absorption rate of the molten pool of the material, more than 60%, mainly due to the multiple reflection and absorption of the laser in the keyhole).
การเชื่อมด้วยการนำความร้อนด้วยเลเซอร์:
การฉายรังสีของเลเซอร์ที่แตกต่างกันจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะของวัสดุ ซึ่งสะท้อนให้เห็นในกระบวนการเชื่อมเป็นโหมดการเชื่อมทั่วไปสองโหมด: การเชื่อมด้วยการนำความร้อนด้วยเลเซอร์ และการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึก กระบวนการถ่ายเทความร้อน กลไกการเกิดรอยเชื่อม คุณลักษณะของกระบวนการ และขอบเขตการใช้งานของทั้งสองมีความแตกต่างกันมาก
โหมดการเชื่อมการนำความร้อนด้วยเลเซอร์:
ในระหว่างการเชื่อมด้วยการนำความร้อน การฉายรังสีเลเซอร์ที่ฉายรังสีบนพื้นผิวของชิ้นงานจะอยู่ในช่วง 10E4~10E6W/cm และพลังงานเลเซอร์จะถูกดูดซับโดยชั้นบางๆ 10~100 เมตรบนพื้นผิว พลังงานเลเซอร์บนพื้นผิวถูกส่งไปยังภายในของวัสดุโดยการนำความร้อน และไม่สามารถสัมผัสเลเซอร์ได้โดยตรง หลังจากการฉายรังสีด้วยเลเซอร์เป็นระยะเวลาหนึ่ง พื้นผิวจะหลอมละลาย และไอโซเทอร์มที่หลอมละลายนี้จะแพร่กระจายลึกเข้าไปในวัสดุ และอุณหภูมิพื้นผิวยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่จุดสูงสุดสามารถเข้าถึงได้เพียงจุดเดือดของวัสดุ ไม่ว่าอุณหภูมิสูงแค่ไหน วัสดุจะระเหยและก่อตัวเป็นหลุม กระบวนการเชื่อมการนำความร้อนที่มั่นคงจะถูกทำลาย สระหลอมเหลวจะแกว่ง และวัสดุจะเป็น เผาไหม้. โดยทั่วไปการเชื่อมด้วยการนำความร้อนส่วนใหญ่จะใช้กับแผ่นบางๆ ในกรณีนี้จำเป็นต้องยุติมันลง ด้วยการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของลำแสงเลเซอร์และชิ้นงาน จะเกิดรอยเชื่อมที่ตื้นและกว้าง ดังแสดงในรูปที่ 3 อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมมีขนาดเล็ก และความกว้างของรอยเชื่อมโดยทั่วไป เจาะลึกได้มากกว่าสองเท่า ภาพด้านล่างแสดงลักษณะหน้าตัดของตะเข็บการเชื่อมด้วยการนำความร้อนด้วยเลเซอร์ทั่วไป และรูปร่างของตะเข็บเชื่อมจะมีลักษณะเป็นครึ่งวงกลมโดยประมาณ
การเปรียบเทียบเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน:
(1) ความเร็วของการทดลองคือ 150 มม./วินาที ตำแหน่งโฟกัสถูกเชื่อม วัสดุเป็นอลูมิเนียมซีรีส์ 1 และความหนา 2 มม.
(2) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนมีขนาดใหญ่เท่าใด ความกว้างของฟิวชันก็จะยิ่งมากขึ้น โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานของหน่วยก็จะน้อยลง เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเกิน 200um ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะบรรลุความลึกในการเจาะบนโลหะผสมที่มีปฏิกิริยาสูงเช่นอลูมิเนียมและทองแดง และต้องใช้พลังงานที่สูงกว่าจึงสามารถบรรลุการเชื่อมแบบเจาะลึกได้
(3) เลเซอร์เส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็กมีความหนาแน่นของพลังงานสูง สามารถเจาะรูกุญแจบนพื้นผิวของวัสดุได้อย่างรวดเร็วด้วยพลังงานสูง และมีโซนรับความร้อนเล็กน้อย แต่ในขณะเดียวกันพื้นผิวของการเชื่อมก็หยาบ ความน่าจะเป็นที่รูกุญแจจะพังจะสูงในระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วต่ำ และรูกุญแจจะปิดในระหว่างรอบการเชื่อม วงจรยาว ทำให้เกิดข้อบกพร่อง รูขุมขน และข้อบกพร่องอื่น ๆ ได้ง่าย เหมาะสำหรับการประมวลผลด้วยความเร็วสูงหรือการประมวลผลด้วยรางสวิง
(4) เลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เหมาะสำหรับการหลอมพื้นผิวด้วยเลเซอร์ การหุ้ม การหลอม และกระบวนการอื่น ๆ เนื่องจากมีจุดขนาดใหญ่และพลังงานที่กระจายตัวมากขึ้น
วัสดุสะท้อนแสงสูง: อลูมิเนียม ทองแดง สแตนเลส นิกเกิล โมลิบดีนัม ฯลฯ
(1) วัสดุสะท้อนแสงสูงต้องเลือกเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก การใช้ลำแสงเลเซอร์ความหนาแน่นกำลังสูงเพื่อให้ความร้อนแก่วัสดุอย่างรวดเร็วจนมีสถานะเป็นของเหลวหรือกลายเป็นไอ ปรับปรุงอัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุ และบรรลุการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็ว ง่ายต่อการเลือกเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่ นำไปสู่การสะท้อนสูง นำไปสู่การเชื่อมเสมือน และแม้กระทั่งทำให้เลเซอร์ไหม้
วัสดุที่ไวต่อการแตกร้าว: นิกเกิล, ทองแดงชุบนิกเกิล, อลูมิเนียม, สแตนเลส, โลหะผสมไททาเนียม ฯลฯ
(2) วัสดุประเภทนี้โดยทั่วไปต้องมีการควบคุมโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนอย่างเข้มงวด และต้องใช้บ่อหลอมเหลวขนาดเล็ก การเลือกเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเหมาะสมกว่า
การประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง:
(3) การเชื่อมแบบเจาะลึกต้องใช้การประมวลผลด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง และจำเป็นต้องเลือกเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเพื่อให้แน่ใจว่าพลังงานของเส้นเพียงพอที่จะหลอมวัสดุด้วยความเร็วสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมแบบตัก การเชื่อมแบบเจาะ และ แกนขนาดเล็กอื่นๆ ที่ต้องการความลึกในการเจาะสูง เลเซอร์เรเดียลมีความเหมาะสมมากกว่า
Advantages and applications of large core lasers (>100um):
เส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่และจุดขนาดใหญ่ พื้นที่ครอบคลุมความร้อนขนาดใหญ่ พื้นผิวการกระทำที่กว้าง และบรรลุการหลอมละลายระดับไมโครบนพื้นผิวของวัสดุเท่านั้น เหมาะมากสำหรับการใช้งานในการหุ้มด้วยเลเซอร์ การหลอมด้วยเลเซอร์ การหลอมด้วยเลเซอร์ การชุบแข็งด้วยเลเซอร์ ฯลฯ ในสิ่งเหล่านี้ พื้นที่ จุดขนาดใหญ่หมายถึงความสามารถในการผลิตที่สูงขึ้นและข้อบกพร่องที่ลดลง (การบัดกรีการนำความร้อนแทบไม่มีข้อบกพร่อง)
ในแง่ของการเชื่อม จุดขนาดใหญ่ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการเชื่อมแบบคอมโพสิต ซึ่งใช้สำหรับการผสมด้วยเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็ก: จุดขนาดใหญ่ทำให้พื้นผิวของวัสดุละลายเล็กน้อย เปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการดูดซับได้อย่างมาก ของวัสดุไปยังเลเซอร์แล้วใช้แกนเล็ก ๆ ในกระบวนการนี้เนื่องจากการอุ่นจุดขนาดใหญ่หลังการประมวลผลและการไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ที่มอบให้กับสระหลอมเหลว วัสดุจึงไม่มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องแตกร้าว โดยการทำความร้อนอย่างรวดเร็วและความเย็นอย่างรวดเร็ว สามารถทำให้รอยเชื่อมดูเรียบเนียนขึ้น และในขณะเดียวกันก็เกิดการกระเด็นน้อยกว่าการใช้โซลูชันเลเซอร์เดี่ยว
