เทคโนโลยีเลเซอร์

คุณเคยประสบปัญหาข้อบกพร่องจากการเชื่อม เช่น สะเก็ดโลหะกระเด็นมากเกินไป รอยเชื่อมมีรูปลักษณ์ไม่น่าดู และมีรูพรุนจำนวนมากหลังการเชื่อมหรือไม่? แม้ว่าคุณอาจกำลังสงสัยว่าเป็นผลมาจากการตั้งค่าพารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ไม่ถูกต้อง แต่คุณรู้หรือไม่ว่าการใช้ก๊าซป้องกันอย่างเหมาะสมก็เป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ส่งผลต่อรูปลักษณ์และสมรรถนะของรอยเชื่อม? การเลือกก๊าซป้องกันที่เหมาะสมที่สุด แท้จริงแล้วเป็นวิธีหนึ่งในการยกระดับคุณภาพและประสิทธิภาพของการเชื่อม

เนื่องจากก๊าซป้องกันมีความสำคัญมากเช่นนี้ หน้าที่ที่แท้จริงของมันคืออะไร? ควรเลือกประเภทของก๊าซป้องกันอย่างไร? และควรจ่ายก๊าซป้องกันเข้าสู่บริเวณการเชื่อมอย่างไร?

บทบาทของก๊าซป้องกัน

ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แก๊สป้องกันมีผลต่อรูปร่างของการเชื่อม คุณภาพของการเชื่อม ความลึกของการเจาะผ่าน (weld penetration) และความกว้างของการเชื่อม ในกรณีส่วนใหญ่ การเป่าแก๊สป้องกันเข้าไปมีผลในทางบวกต่อการเชื่อม แต่ก็อาจก่อให้เกิดผลเสียได้เช่นกัน

ผลในทางบวก

1) การใช้แก๊สป้องกันอย่างเหมาะสมสามารถปกป้องบริเวณที่หลอมละลาย (weld pool) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยลดหรือแม้กระทั่งป้องกันการเกิดออกซิเดชัน

2) การใช้แก๊สป้องกันอย่างเหมาะสมสามารถลดเศษโลหะกระเด็น (spatter) ระหว่างการเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3) การใช้แก๊สป้องกันอย่างเหมาะสมส่งเสริมให้บริเวณที่หลอมละลายกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในระหว่างการแข็งตัว ส่งผลให้เกิดรอยเชื่อมที่สม่ำเสมอและมีลักษณะสวยงาม

4) การใช้แก๊สป้องกันอย่างเหมาะสมสามารถลดผลกระทบจากการบังของไอโลหะ (metal vapor plumes) หรือเมฆพลาสมา (plasma clouds) ต่อลำแสงเลเซอร์ ทำให้อัตราการใช้พลังงานเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น

5) การใช้แก๊สป้องกันอย่างเหมาะสมสามารถลดปริมาณรูพรุน (porosity) ภายในรอยเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตราบใดที่เลือกชนิดของแก๊ส อัตราการไหลของแก๊ส และวิธีการจ่ายแก๊สได้อย่างเหมาะสม ก็จะสามารถบรรลุผลลัพธ์ที่ดีเยี่ยมได้

อย่างไรก็ตาม การใช้ก๊าซป้องกันอย่างไม่เหมาะสมอาจส่งผลกระทบเชิงลบต่อการเชื่อมได้เช่นกัน

1) การใช้ก๊าซป้องกันที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้คุณภาพของการเชื่อมแย่ลง:

① การเลือกชนิดของก๊าซที่ไม่เหมาะสมอาจก่อให้เกิดรอยร้าวบนรอยเชื่อมและลดสมบัติเชิงกลของรอยเชื่อม;

② การเลือกอัตราการไหลของก๊าซที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดการออกซิเดชันของรอยเชื่อมรุนแรงยิ่งขึ้น (ไม่ว่าอัตราการไหลจะสูงหรือต่ำเกินไป) และอาจก่อให้เกิดการรบกวนอย่างรุนแรงต่อแอ่งโลหะหลอมเหลว ส่งผลให้รอยเชื่อมยุบตัวหรือมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ;

③ การเลือกวิธีการจ่ายก๊าซที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้การป้องกันไม่มีประสิทธิภาพ หรือแม้แต่ไม่มีการป้องกันเลย รวมทั้งอาจส่งผลเสียต่อรูปร่างของรอยเชื่อม;

2) การใช้ก๊าซป้องกันสามารถส่งผลต่อความลึกของการเจาะรอยเชื่อม โดยเฉพาะในการเชื่อมแผ่นบาง ซึ่งอาจทำให้ความลึกของการเจาะรอยเชื่อมลดลง

ชนิดของก๊าซป้องกัน

ก๊าซป้องกันที่ใช้บ่อยในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ได้แก่ N2, Ar และ He ซึ่งมีสมบัติทางกายภาพและเคมีที่แตกต่างกัน จึงส่งผลต่อรอยเชื่อมไม่เหมือนกัน

ไนโตรเจน (N2)

ราคาถูกที่สุด แต่ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมสแตนเลสบางชนิด ไนโตรเจน (N2) มีพลังงานไอออไนเซชันระดับปานกลาง ซึ่งสูงกว่าอาร์กอน (Ar) แต่ต่ำกว่าฮีเลียม (He) ภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ ระดับการไอออไนเซชันของมันโดยทั่วไปต่ำ จึงสามารถลดการเกิดเมฆพลาสมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้อัตราการใช้พลังงานเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนอาจทำปฏิกิริยาเคมีกับโลหะผสมอลูมิเนียมและเหล็กกล้าคาร์บอนที่อุณหภูมิหนึ่งๆ จนเกิดเป็นไนไตรด์ ซึ่งจะเพิ่มความเปราะของรอยเชื่อมและลดความเหนียว ส่งผลกระทบเชิงลบอย่างมากต่อคุณสมบัติเชิงกลของรอยเชื่อม ดังนั้น จึงไม่แนะนำให้ใช้ไนโตรเจนเป็นก๊าซป้องกันในการเชื่อมโลหะผสมอลูมิเนียมและเหล็กกล้าคาร์บอน

ในทางกลับกัน ไนไตรด์ที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างไนโตรเจนกับสแตนเลสสามารถเพิ่มความแข็งแรงของรอยเชื่อม ทำให้คุณสมบัติเชิงกลดีขึ้น ดังนั้น ไนโตรเจนจึงสามารถใช้เป็นก๊าซป้องกันในการเชื่อมสแตนเลสได้

อาร์곤 (Ar)

มีราคาค่อนข้างถูก มีความหนาแน่นสูง และให้การป้องกันที่ดี พื้นผิวรอยเชื่อมเรียบกว่าเมื่อใช้ฮีเลียม อย่างไรก็ตาม มันสามารถไอออนไนซ์ได้ง่ายโดยพลาสม่าโลหะที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งอาจทำหน้าที่เป็นตัวบังส่วนหนึ่งของลำแสงเลเซอร์ไม่ให้ไปถึงชิ้นงาน ส่งผลให้กำลังเชื่อมที่มีประสิทธิภาพลดลง และขัดขวางความเร็วในการเชื่อมและความลึกของการเจาะ อาร์กอน (Ar) มีพลังงานการไอออนไนซ์ต่ำที่สุด แต่ระดับการไอออนไนซ์ของมันค่อนข้างสูงภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ ซึ่งไม่เอื้อต่อการควบคุมการเกิดเมฆพลาสม่า และจะส่งผลกระทบบางประการต่ออัตราการใช้ประโยชน์จากเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม อาร์กอนมีปฏิกิริยาเคมีต่ำมาก และแทบไม่เกิดปฏิกิริยากับโลหะทั่วไป นอกจากนี้ อาร์กอนยังมีราคาถูกอีกด้วย ทั้งนี้ อาร์กอนยังมีความหนาแน่นสูง ซึ่งช่วยให้มันจมตัวอยู่เหนือแอ่งเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงให้การป้องกันแอ่งเชื่อมได้ดีขึ้น ดังนั้น อาร์กอนจึงสามารถใช้เป็นก๊าซป้องกันแบบทั่วไปได้

ฮีเลียม (He)

มีราคาแพงกว่า แต่ให้ผลลัพธ์ดีที่สุด โดยช่วยให้ลำแสงเลเซอร์ผ่านไปยังผิวชิ้นงานได้โดยตรงโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ฮีเลียมมีพลังงานไอออไนเซชันสูงที่สุด แต่ระดับการไอออไนเซชันของมันต่ำมากภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์ ซึ่งสามารถควบคุมการเกิดเมฆพลาสม่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ เลเซอร์จึงสามารถทำงานกับโลหะได้ดี และฮีเลียมมีปฏิกิริยาเคมีต่ำมาก แทบไม่ทำปฏิกิริยากับโลหะเลย จึงเป็นก๊าซป้องกันที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเชื่อม อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมมีราคาสูงเกินไป จึงมักไม่นิยมใช้ในการผลิตจำนวนมาก โดยทั่วไปแล้วจะใช้ฮีเลียมในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์หรือผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง

วิธีการฉีดก๊าซป้องกัน

ปัจจุบันมีวิธีหลักสองวิธีในการนำก๊าซป้องกันเข้าสู่บริเวณงาน: วิธีแรกคือการเป่าก๊าซป้องกันแบบข้างนอกแกน (off-axis side-blowing)… ก๊าซป้องกันแบบเป่าขนานด้านข้าง

อีกวิธีหนึ่งคือการเป่าก๊าซป้องกันแบบร่วมแกน (coaxial protective gas)

ก๊าซป้องกันแบบร่วมแกน

การเลือกระหว่างวิธีการเป่าทั้งสองแบบนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการร่วมกัน แต่โดยทั่วไปแล้วแนะนำให้ใช้ก๊าซป้องกันแบบเป่าด้านข้าง

หลักการเลือกวิธีการเป่าก๊าซป้องกัน

ข้อแรก จำเป็นต้องชี้แจงให้ชัดเจนว่า คำว่า "การออกซิเดชันของรอยเชื่อม" เป็นศัพท์ที่ใช้ในภาษาพูดทั่วไป ตามหลักทฤษฎีแล้ว หมายถึงปฏิกิริยาเคมีระหว่างรอยเชื่อมกับส่วนประกอบที่เป็นอันตรายในอากาศ ซึ่งส่งผลให้คุณภาพของรอยเชื่อมลดลง ตัวอย่างที่พบได้บ่อย ได้แก่ โลหะรอยเชื่อมทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจนในอากาศที่อุณหภูมิหนึ่งๆ

การป้องกันการออกซิเดชันของรอยเชื่อม คือ การลดหรือหลีกเลี่ยงไม่ให้ส่วนประกอบที่เป็นอันตรายเหล่านี้สัมผัสกับโลหะรอยเชื่อมที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งอุณหภูมิสูงนี้ไม่ได้หมายถึงเฉพาะโลหะในบริเวณแนวรอยเชื่อมที่หลอมละลายเท่านั้น แต่ยังรวมถึงช่วงเวลาทั้งหมดตั้งแต่โลหะรอยเชื่อมเริ่มหลอมละลาย จนกระทั่งแข็งตัวและอุณหภูมิลดลงต่ำกว่าระดับหนึ่งด้วย

ตัวอย่างเช่น ในการเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียม ไฮโดรเจนจะถูกดูดซึมเข้าไปอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 300 °°C ออกซิเจนจะถูกดูดซึมเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 450 °°C และไนโตรเจนจะถูกดูดซึมเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 600 °ค. ดังนั้น รอยเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียมจึงต้องได้รับการป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพหลังจากการแข็งตัวและในช่วงที่อุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 300 °°C มิฉะนั้นจะเกิดปรากฏการณ์ "ออกซิเดชัน"

จากคำอธิบายข้างต้นจะเห็นได้ว่า ก๊าซป้องกันที่พัดผ่านไม่เพียงแต่ต้องปกป้องบริเวณแนวเชื่อม (weld pool) อย่างทันท่วงทีเท่านั้น แต่ยังต้องปกป้องบริเวณที่เพิ่งแข็งตัวใหม่ด้วย ดังนั้น วิธีการพัดก๊าซป้องกันแบบด้านข้างที่ไม่อยู่บนแกนกลาง (off-axis side-blowing shielding gas) ซึ่งแสดงไว้ในรูปที่ 1 มักถูกใช้งานทั่วไป เนื่องจากให้ขอบเขตการป้องกันที่กว้างกว่าวิธีการป้องกันแบบร่วมแกน (coaxial protection) ที่แสดงไว้ในรูปที่ 2 โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถให้การป้องกันบริเวณรอยเชื่อมที่เพิ่งแข็งตัวใหม่ได้ดีกว่า

สำหรับการประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรม วิธีการพัดก๊าซป้องกันแบบด้านข้างที่ไม่อยู่บนแกนกลางไม่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์ทั้งหมด สำหรับผลิตภัณฑ์บางชนิดเฉพาะ สามารถใช้ก๊าซป้องกันแบบร่วมแกนได้เท่านั้น การเลือกวิธีการจึงต้องปรับให้สอดคล้องกับโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และประเภทของการต่อเชื่อม

การเลือกวิธีการพัดก๊าซป้องกันเฉพาะ

1) รอยเชื่อมแบบตรง

ดังแสดงในรูปที่ 3 รูปร่างของรอยเชื่อมผลิตภัณฑ์มีลักษณะเป็นเส้นตรง ประเภทของการต่อกันอาจเป็นการต่อแบบปลายชน (butt joint), การต่อแบบซ้อนทับ (lap joint), การต่อแบบมุม (corner joint) หรือการเชื่อมแบบทับซ้อน (overlapping weld) สำหรับผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ วิธีการใช้ก๊าซป้องกันแบบพัดลมข้างที่ไม่อยู่บนแกนกลาง (off-axis side-blowing shielding gas method) ที่แสดงใน เป็นที่นิยมมากกว่า

2) รอยเชื่อมแบบปิดในระนาบ

รูปร่างของรอยเชื่อมผลิตภัณฑ์มีลักษณะเป็นรูปปิดในระนาบ เช่น วงกลมในระนาบ รูปหลายเหลี่ยมในระนาบ หรือเส้นประกอบด้วยหลายส่วนในระนาบ ประเภทของการต่อกันอาจเป็นการต่อแบบปลายชน (butt joint), การต่อแบบซ้อนทับ (lap joint) หรือการต่อแบบทับซ้อน (overlap weld joint) สำหรับผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ แนะนำให้ใช้ก๊าซป้องกันแบบร่วมแกน (coaxial shielding gas)

รอยเชื่อมแบบปิดในระนาบ

การเลือกก๊าซป้องกันมีผลโดยตรงต่อคุณภาพ ประสิทธิภาพ และต้นทุนของการผลิตงานเชื่อม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุที่ใช้ในการเชื่อมมีความหลากหลาย การเลือกก๊าซสำหรับการเชื่อมในกระบวนการเชื่อมจริงจึงค่อนข้างซับซ้อน จำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบด้านทั้งวัสดุที่ใช้เชื่อม วิธีการเชื่อม ตำแหน่งที่เชื่อม และผลลัพธ์ที่ต้องการจากการเชื่อม ทั้งนี้ สามารถเลือกก๊าซที่เหมาะสมยิ่งขึ้นสำหรับการเชื่อมได้ก็ต่อเมื่อผ่านการทดสอบการเชื่อมเท่านั้น เพื่อให้บรรลุผลลัพธ์การเชื่อมที่ดียิ่งขึ้น