ความเร็วการเชื่อมด้วยเลเซอร์ พลังงานเลเซอร์ และความหนาของวัสดุ
ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการเชื่อมด้วยเลเซอร์ พลังงาน และความหนาของวัสดุมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกำหนดคุณภาพและประสิทธิภาพของกระบวนการเชื่อม ปัจจัยทั้งสามนี้ (ความเร็วการเชื่อม พลังงานเลเซอร์ และความหนาของวัสดุ) มีความเกี่ยวข้องกันและจำเป็นต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่แข็งแรงและปราศจากข้อบกพร่อง การเข้าใจถึงปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ อากาศยาน และการผลิต ซึ่งความแม่นยำและความสมบูรณ์ของวัสดุมีความสำคัญสูงสุด
คำแนะนำเบื้องต้นเกี่ยวกับเครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์
เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้พัลส์เลเซอร์พลังงานสูงในการให้ความร้อนเฉพาะจุดในบริเวณเล็กๆ ของวัสดุ จากนั้นผ่านการนำความร้อนทำให้วัสดุหลอมละลายเพื่อให้เกิดการเชื่อม โดยหลักการทำงานประกอบด้วยประเด็นหลักดังต่อไปนี้:
โฟกัสแสง: เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์ ผ่านเลนส์หรือกระจกและชิ้นส่วนออปติคอลอื่น ๆ เพื่อรวมพลังงานเลเซอร์ไว้ที่จุดเชื่อม
การนำความร้อน: เมื่อลำแสงเลเซอร์ตกกระทบพื้นผิวของชิ้นงาน พลังงานเลเซอร์จะถูกดูดซับและเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ความร้อนนี้จะถ่ายเทไปตามส่วนที่เป็นตัวนำไฟฟ้าของข้อต่อโลหะผ่านการนำความร้อน ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป
การหลอมและการผสม: เมื่อพื้นผิวของโลหะได้รับอุณหภูมิที่สูงเพียงพอ โลหะจะเริ่มหลอมเหลวและเกิดเป็นแอ่งหลอม ภายใต้ действиеของลำแสงเลเซอร์ แอ่งหลอมจะแผ่ขยายและผสมกันอย่างรวดเร็ว เพื่อให้เกิดการต่อเชื่อมระหว่างข้อต่อโลหะ
การระบายความร้อนและแข็งตัว: หลังจากที่ลำแสงเลเซอร์หยุดทำงาน พูลของเหลวจะค่อยๆ ลดอุณหภูมิลงและเกิดข้อต่อเชื่อมในระหว่างกระบวนการแข็งตัว ในช่วงที่แข็งตัว โมเลกุลของโลหะจะจัดเรียงตัวใหม่และตกผลึก เพื่อสร้างข้อต่อเชื่อมที่แข็งแรง
ข้อดีของเครื่องเชื่อมเลเซอร์
ความแม่นยำสูง: สามารถบรรลุความแม่นยำในการเชื่อมระดับไมครอน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับข้อกำหนดการเชื่อมโครงสร้างขนาดเล็กและซับซ้อน
ความเร็วสูง: โดยเฉพาะในโหมดการเชื่อมแบบเจาะลึก เนื่องจากพลังงานเลเซอร์ถูกควบรวมไว้ พูลมีขนาดเล็กแต่ลึก ทำให้ความเร็วในการเชื่อมสูง และมีประสิทธิภาพการผลิตที่สูง
การบิดเบี้ยวน้อย: เมื่อเทียบกับวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิม การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีการป้อนความร้อนต่ำกว่า และมีผลกระทบต่อวัสดุโดยรอบน้อยกว่า ซึ่งช่วยลดการบิดเบี้ยวหลังจากการเชื่อม
โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก: สามารถลดความเสียหายจากความร้อนต่อวัสดุโดยรอบ และช่วยเพิ่มคุณภาพของข้อต่อเชื่อม
กำลังการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ความเร็ว และความหนาของวัสดุ
1. อุปกรณ์จ่ายไฟสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์
กำลังเลเซอร์เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดความลึกของการเจาะเชื่อมและความต้องการพลังงานรวมในระหว่างการเชื่อม มันกำหนดปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการหลอมวัสดุพื้นฐานและสร้างบ่อเชื่อม สำหรับแผ่นที่มีความหนามากขึ้น จะต้องใช้กำลังเลเซอร์สูงขึ้นเพื่อให้ได้ความลึกของการเจาะที่เพียงพอ ในขณะที่วัสดุบางสามารถป้องกันการหลอมเกินหรือทะลุได้ด้วยการตั้งค่ากำลังที่ต่ำกว่า
กำลังสูง: สามารถทำให้เกิดการเจาะลึกมากขึ้น เหมาะสำหรับการเชื่อมวัสดุที่หนา อย่างไรก็ตาม หากใช้กำลังสูงเกินไปกับแผ่นบาง จะทำให้เกิดช่องเปิดไม่เสถียร การกระเด็นของโลหะเหลว และอาจทำให้วัสดุไหม้ทะลุได้
ลดการใช้พลังงาน: เหมาะสมยิ่งขึ้นสำหรับแผ่นบาง ช่วยให้ควบคุมได้ดีขึ้น และป้องกันการให้ความร้อนเกินซึ่งอาจทำให้วัสดุเปลี่ยนรูปหรือหลอมละลาย
ต้องเลือกกำลังเลเซอร์อย่างระมัดระวังตามความหนาของวัสดุ เพื่อให้มั่นใจว่าจะเกิดการหลอมรวมอย่างเหมาะสมและไม่มีข้อบกพร่อง
2. ความเร็วในการเชื่อม
ความเร็วในการเชื่อมหมายถึงอัตราที่เลเซอร์เคลื่อนที่ตามแนวรอยต่อที่ต้องการเชื่อม ซึ่งมีผลต่อปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไปต่อหน่วยความยาว และเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดคุณภาพของการเชื่อม มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างความเร็วในการเชื่อมกับกำลังเลเซอร์ เนื่องจากการเพิ่มค่าใดค่าหนึ่งมักจำเป็นต้องมีการปรับอีกค่าหนึ่งเพื่อรักษาระดับประสิทธิภาพการเชื่อมที่ต้องการ
ความเร็วในการเชื่อมสูง: ลดปริมาณความร้อนต่อหน่วยความยาวของการเชื่อม ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อวัสดุบางและช่วยหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนเกินและการบิดโก่ง อย่างไรก็ตาม หากความเร็วสูงเกินไปเมื่อเทียบกับกำลังที่ใช้ อาจทำให้รอยเชื่อมขาดการเจาะลึกเพียงพอ ส่งผลให้เกิดข้อต่อที่อ่อนแอหรือการหลอมรวมไม่สมบูรณ์
ลดความเร็วในการเชื่อม: เพิ่มปริมาณความร้อนเพื่อหลอมวัสดุมากขึ้นและเจาะลึกลงในชิ้นงาน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อแผ่นวัสดุที่หนา แต่อาจทำให้วัสดุบางได้รับความร้อนเกินไป หรือทำให้โลหะหลอมเหลวไหลออกมากเกินไป
การใช้ความเร็วในการเชื่อมที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างสมดุลของปริมาณความร้อนและหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องทั่วไปจากการเชื่อม (เช่น รูพรุน การแตกร้าว หรือการบิดโก่ง)
3. ความหนาของวัสดุ
ความหนาของวัสดุเชื่อมมีบทบาทสำคัญในการกำหนดพลังงานที่ต้องใช้และความเร็วในการเชื่อมที่อนุญาต แผ่นที่หนากว่าต้องการความร้อนมากขึ้นเพื่อให้เกิดการซึมผ่านอย่างเต็มที่ ซึ่งหมายความว่าเลเซอร์จะต้องทำงานที่ระดับกำลังสูงกว่า และอาจจำเป็นต้องลดความเร็วในการเชื่อมเพื่อให้มีเวลาเพียงพอสำหรับการดูดซับความร้อน
แผ่นที่หนา: ต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อให้เกิดการซึมผ่านอย่างเต็มที่ เลเซอร์จะต้องจ่ายกำลังไฟที่สูงขึ้น และความเร็วในการเชื่อมจะต้องช้าลงเพื่อถ่ายเทพลังงานให้เพียงพอแก่วัสดุ
แผ่นที่บาง: ต้องการพลังงานน้อยลง ดังนั้นสามารถลดกำลังเลเซอร์และเพิ่มความเร็วในการเชื่อมได้ วัสดุที่บางมีแนวโน้มจะเสียรูปจากความร้อนมากกว่า ดังนั้นการควบคุมตัวแปรเหล่านี้อย่างแม่นยำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรง ความเร็ว และความหนา
ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการเชื่อมด้วยเลเซอร์ พลังงาน และความหนาของแผ่นโลหะเป็นการปรับสมดุลที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ สำหรับวัสดุแต่ละความหนา จะมีชุดค่าผสมที่เหมาะสมของพลังงานเลเซอร์และความเร็วการเชื่อม เพื่อให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพการเชื่อมที่สูง ความลึกของการเจาะที่ถูกต้อง และข้อบกพร่องที่น้อยที่สุด
ตัวอย่างเช่น เมื่อทำการเชื่อมแผ่นเหล็กหนา การเพิ่มพลังงานเลเซอร์โดยไม่ปรับความเร็วการเชื่อม อาจทำให้ป้อนความร้อนมากเกินไป ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น วัสดุบิดงอ หรือแนวรอยเชื่อมกว้างเกินไป ในทางกลับกัน การลดความเร็วการเชื่อมโดยไม่เพิ่มพลังงาน อาจทำให้รอยเชื่อมลึกเกินไป ซึ่งอาจทำให้วัสดุร้อนเกินขนาด สำหรับวัสดุบาง การใช้พลังงานสูงเกินไปร่วมกับความเร็วการเชื่อมที่ช้า อาจทำให้วัสดุละลายมากเกินไป หรือทะลุได้
ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการเชื่อมด้วยเลเซอร์กับความหนาของแผ่นโลหะ
แผ่นหนาต้องการความเร็วการเชื่อมที่ช้าลง
เมื่อเชื่อมแผ่นที่หนามากขึ้นด้วยเลเซอร์ วัสดุจะต้องการความร้อนมากขึ้นเพื่อให้เกิดการเจาะทะลุอย่างสมบูรณ์และมั่นใจในความแข็งแรงของรอยต่ออย่างเพียงพอ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องลดความเร็วในการเชื่อม เพื่อให้มีเวลาเพียงพอให้ลำแสงเลเซอร์ถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังความหนาทั้งหมดของวัสดุ หากความเร็วในการเชื่อมเร็วเกินไป พลังงานเลเซอร์จะไม่สามารถเจาะทะลุได้อย่างเต็มที่ ซึ่งอาจทำให้เกิดความลึกของการเจาะไม่เพียงพอ รอยเชื่อมไม่ต่อเนื่อง หรือความแข็งแรงของรอยต่อไม่เพียงพอ
แผ่นหนา (>6 มม.): ควรใช้ความเร็วในการเชื่อมช้า เพื่อให้มั่นใจว่าพลังงานเลเซอร์สามารถเจาะทะลุผ่านความหนาทั้งหมดของแผ่นได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อสร้างรอยเชื่อมที่มีความมั่นคงและมีความแข็งแรงสูง
แผ่นบางสามารถเชื่อมได้เร็วกว่า
เมื่อเทียบกับแผ่นหนา วัสดุแผ่นบาง (ต่ํากว่า 2 มม.) ต้องการแผ่นลดลง, ทําให้เลเซอร์สามารถเจาะเข้าไปในความหนาทั้งหมดได้ง่ายขึ้น การผสมผสานที่มีความเร็วสูงขึ้น นอกจากนี้ ความเร็วในการผสมผสานที่สูงกว่านี้ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมได้อย่างสําคัญ
แผ่นบาง (<2mm): ความเร็วการผสมควรเร็วเพื่อลดการปรับปรุง, การเผาไหม้และความบกพร่องในการผสมอื่น ๆ ที่เกิดจากการร้อนของวัสดุ
ผลของพลังเลเซอร์ต่อความเร็วการผสมและความหนาของแผ่น
พลังเลเซอร์กําหนดพลังงานในการเข้าระหว่างการปั่น เลเซอร์พลังงานสูงส่งผลการผลิตความร้อนที่แข็งแรงขึ้น ทําให้มันเหมาะสมสําหรับการปั่นวัสดุที่หนากว่า ในขณะที่เลเซอร์พลังงานต่ําเหมาะสมกับแผ่นบาง เมื่อเลือกความเร็วในการผสม มันสําคัญที่จะให้ความแรงเลเซอร์ตรงกับความหนาของแผ่น เพื่อให้แน่ใจว่าการเจาะเข้าไปอย่างเหมาะสมโดยไม่ทําให้วัสดุร้อนเกิน
การปั่นเลเซอร์พลังงานสูง
เมื่อเชื่อมแผ่นที่มีความหนามากขึ้น จะต้องใช้กำลังเลเซอร์ที่สูงขึ้นเพื่อให้มั่นใจว่าความร้อนถ่ายเทเข้าสู่วัสดุได้อย่างเพียงพอ เพื่อสร้างหลุมละลายที่มีเสถียรภาพ การรวมกับความเร็วการเชื่อมที่ต่ำกว่าจะทำให้พลังงานเลเซอร์ให้ความร้อนแก่วัสดุอย่างสม่ำเสมอนานขึ้น เพื่อให้มั่นใจในความลึกของการหลอมรวม
การเชื่อมแผ่นหนาด้วยกำลัง 6 กิโลวัตต์ (10 มม.): ความเร็วในการเชื่อมมักอยู่ระหว่าง 0.5-1.2 เมตร/นาที
การเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังต่ำสำหรับแผ่นบาง
ในการเชื่อมแผ่นบาง การใช้กำลังต่ำและความเร็วสูงช่วยป้องกันไม่ให้วัสดุร้อนเกินไป และป้องกันการบิดงอของรอยเชื่อม โดยทั่วไป เมื่อกำลังเลเซอร์อยู่ในช่วง 2-3 กิโลวัตต์ สามารถประมวลผลแผ่นที่มีความหนาน้อยกว่า 2 มม. ได้
การเชื่อมแผ่นบางด้วยกำลัง 2 กิโลวัตต์ (1 มม.): ความเร็วในการเชื่อมมักอยู่ระหว่าง 5-10 เมตร/นาที
ตารางเปรียบเทียบกำลังเครื่องเชื่อมเลเซอร์และความเร็ว
ด้านล่างนี้เป็นการเปรียบเทียบกำลังเครื่องเชื่อมเลเซอร์และความเร็วการเชื่อมภายใต้เงื่อนไขความหนาของแผ่นต่างๆ:
| ความหนาของวัสดุ (มม.) | กำลังเลเซอร์ (กิโลวัตต์) | ความเร็วการเชื่อม (เมตร/นาที) |
| 1.0 | 2.0 | 7.0 |
| 2.0 | 3.0 | 4.5 |
| 4.0 | 4.0 | 2.5 |
| 6.0 | 6.0 | 1.2 |
| 8.0 | 8.0 | 0.8 |
| 10.0 | 10.0 | 0.6 |
แผ่นบาง (1-2 มม.): การใช้กำลังไฟต่ำ (2-3 กิโลวัตต์) ร่วมกับความเร็วการเชื่อมสูง (5-10 เมตร/นาที) เหมาะสำหรับการเชื่อมประเภทนี้ ช่วยให้ทำงานได้อย่างรวดเร็วโดยไม่เกิดความร้อนมากเกินไป
แผ่นขนาดกลางและหนา (4-6 มม.): ใช้กำลังไฟระดับปานกลาง (4-6 กิโลวัตต์) ร่วมกับความเร็วการเชื่อมปานกลาง (1-3 เมตร/นาที) เพื่อให้มั่นใจในความลึกของการหลอมละลาย และหลีกเลี่ยงโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากเกินไป
แผ่นหนา (>6 มม.): สำหรับแผ่นหนา ควรใช้กำลังไฟสูง (8-10 กิโลวัตต์) ร่วมกับความเร็วการเชื่อมต่ำ (0.5-1 เมตร/นาที) เพื่อให้มั่นใจว่าความร้อนเพียงพอจะแทรกซึมเข้าสู่วัสดุและสร้างรอยต่อที่มีความแข็งแรงสูง
แผนภูมิกำลังการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ความหนา และความเร็ว
การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการต่อประสานแบบแม่นยำ ที่ให้การเชื่อมที่มีความเร็วสูงและคุณภาพสูงสำหรับความหนาของโลหะต่างๆ ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังเลเซอร์ ความหนาของวัสดุ และความเร็วในการเชื่อม มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุด นี่คือแผนภูมิโดยรวมที่แสดงพารามิเตอร์เหล่านี้สำหรับวัสดุทั่วไป
เหล็กอ่อน
เหล็กกล้าไร้สนิม
อลูมิเนียม
ทองแดง
โลหะเหลือง
เหล็กรีดเย็นชุบสังกะสี
สรุป
โดยสรุป แผ่นที่หนาขึ้นทั่วไปต้องการพลังงานสูงขึ้นและอัตราความเร็วในการเชื่อมที่ช้าลง ในขณะที่วัสดุที่บางกว่าต้องการพลังงานต่ำกว่าและความเร็วในการเชื่อมที่เร็วกว่า สมดุลที่ละเอียดนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและคุณภาพการเชื่อมที่ยอดเยี่ยม การเข้าใจความสัมพันธ์เหล่านี้ทำให้ผู้ผลิตสามารถปรับแต่งกระบวนการให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะ วัสดุ และความหนาต่างๆ ส่งผลให้เกิดรอยเชื่อมที่แข็งแรงและเชื่อถือได้มากขึ้น โดยมีข้อบกพร่องน้อยลง
