เทคโนโลยีเลเซอร์

1. หลักการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถทำได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องหรือแบบเป็นจังหวะ หลักการเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกได้เป็นการเชื่อมแบบนำความร้อนและการเชื่อมแบบแทรกลึกด้วยเลเซอร์ ความหนาแน่นของกำลังที่ต่ำกว่า 10 ⁴ ~10⁵ กว้าง/ซม. ² คือการเชื่อมแบบนำความร้อน ซึ่งมีลักษณะการแทรกซึมตื้นและอัตราการเชื่อมช้า เมื่อความหนาแน่นของกำลังสูงกว่า 10 ⁵ ~10⁷ กว้าง/ซม. ² ผิวโลหะจะถูกทำให้ร้อนขึ้น จนเกิดเป็น "โพรง" และก่อให้เกิดการเชื่อมแบบแทรกซึมลึก ซึ่งมีลักษณะคืออัตราการเชื่อมเร็ว และอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูง

หลักการทำงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบนำความร้อนมีดังนี้: รังสีเลเซอร์ทำให้พื้นผิวที่ต้องการประมวลผลร้อนขึ้น และความร้อนจากพื้นผิวนั้นจะแพร่เข้าไปภายในผ่านการนำความร้อน โดยการควบคุมพารามิเตอร์ของเลเซอร์ เช่น ความกว้างของพัลส์เลเซอร์ พลังงาน พีคพาวเวอร์ และความถี่ในการปล่อยพัลส์ จะทำให้ชิ้นงานหลอมละลายและเกิดเป็นบ่อหลอมที่มีรูปร่างเฉพาะ

เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ใช้สำหรับการเชื่อมเฟืองและการเชื่อมแผ่นโลหะบางทางโลหะวิทยา ส่วนใหญ่ใช้การเชื่อมแบบแทรกซึมลึกด้วยเลเซอร์ หลักการทำงานของการเชื่อมแบบแทรกซึมลึกด้วยเลเซอร์จะอธิบายอย่างละเอียดด้านล่างนี้

การเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์มักใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องเพื่อเชื่อมวัสดุเข้าด้วยกัน หลักทางโลหะวิทยาของกระบวนการนี้คล้ายคลึงกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมาก โดยกลไกการแปลงพลังงานเกิดขึ้นผ่านโครงสร้างที่เรียกว่า "รูทรงกรวย (keyhole)" ภายใต้การแผ่รังสีเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของกำลังสูงพอสมควร วัสดุจะระเหยและก่อตัวเป็นรูทรงกรวยขึ้น รูทรงกรวยที่เต็มไปด้วยไอระเหยนี้ทำหน้าที่คล้ายวัตถุดำ (blackbody) ซึ่งดูดซับพลังงานจากลำแสงที่ตกกระทบเกือบทั้งหมด อุณหภูมิสมดุลภายในรูทรงกรวยจะสูงถึงประมาณ 2500 °ค. ความร้อนถูกถ่ายโอนจากผนังด้านนอกของรูเข็ม (keyhole) ที่มีอุณหภูมิสูงนี้ ทำให้โลหะบริเวณโดยรอบหลอมละลาย รูเข็มเต็มไปด้วยไอความร้อนสูงที่เกิดจากการระเหยอย่างต่อเนื่องของวัสดุผนังภายใต้การฉายรังสีของลำแสง ผนังของรูเข็มล้อมรอบโลหะหลอมเหลว ส่วนโลหะในสถานะของเหลวจะล้อมรอบวัสดุในสถานะแข็ง (ในกระบวนการเชื่อมแบบทั่วไปส่วนใหญ่และกระบวนการเชื่อมแบบนำความร้อนด้วยเลเซอร์ พลังงานจะถูกสะสมไว้ที่ผิวชิ้นงานก่อน จากนั้นจึงถ่ายโอนเข้าสู่ภายใน) การไหลของของเหลวและแรงตึงผิวภายนอกผนังรูเข็มจะรักษาสมดุลแบบไดนามิกกับแรงดันไอที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องภายในรูเข็ม เมื่อลำแสงเลเซอร์เข้าสู่รูเข็มอย่างต่อเนื่อง วัสดุภายนอกรูเข็มก็จะไหลต่อเนื่องไปด้วย เมื่อลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ รูเข็มจะคงอยู่ในสถานะการไหลที่มีเสถียรภาพ กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูเข็มและโลหะหลอมเหลวที่ล้อมรอบมันจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของลำแสงนำทาง โลหะหลอมเหลวจะเติมช่องว่างที่เหลือไว้หลังจากรูเข็มเคลื่อนผ่านไป จากนั้นจึงแข็งตัว จึงเกิดรอยเชื่อมขึ้น ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากจนความเร็วในการเชื่อมสามารถเข้าถึงหลายเมตรต่อนาทีได้อย่างง่ายดาย

2. พารามิเตอร์กระบวนการหลักของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

กำลังเลเซอร์

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เกี่ยวข้องกับค่าเกณฑ์ความหนาแน่นพลังงานของลำแสงเลเซอร์ ถ้าความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่าค่าเกณฑ์นี้ ความลึกของการเจาะจะตื้น; แต่เมื่อถึงหรือเกินค่าเกณฑ์นี้ ความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ พลาสม่าจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อความหนาแน่นกำลังของลำแสงเลเซอร์ที่ตกกระทบชิ้นงานเกินค่าเกณฑ์นี้ (ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุ) ซึ่งเป็นสัญญาณเริ่มต้นของการเชื่อมแบบเจาะลึกอย่างมั่นคง หากกำลังเลเซอร์ต่ำกว่าค่าเกณฑ์นี้ จะเกิดการหลอมละลายเฉพาะที่ผิวชิ้นงานเท่านั้น หมายความว่ากระบวนการเชื่อมดำเนินไปในโหมดการนำความร้อนอย่างมั่นคง เมื่อความหนาแน่นกำลังของลำแสงเลเซอร์ใกล้เคียงกับเงื่อนไขวิกฤตสำหรับการก่อตัวของรูแก๊ส (keyhole) การเชื่อมแบบเจาะลึกและการเชื่อมแบบนำความร้อนจะสลับกันไปมา ส่งผลให้กระบวนการเชื่อมไม่มั่นคงและมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความลึกของการเจาะ ในการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ กำลังเลเซอร์ควบคุมทั้งความลึกของการเจาะและอัตราความเร็วในการเชื่อมพร้อมกัน ความลึกของการเชื่อมมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความหนาแน่นกำลังของลำแสง และขึ้นอยู่กับกำลังลำแสงที่ตกกระทบและจุดโฟกัสของลำแสงโดยรวมแล้ว สำหรับลำแสงเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ ความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นตามกำลังลำแสงที่เพิ่มขึ้น

จุดโฟกัสของลำแสง

ขนาดจุดลำแสงเป็นหนึ่งในตัวแปรที่สำคัญที่สุดในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เนื่องจากมันกำหนดความหนาแน่นของกำลังงาน อย่างไรก็ตาม การวัดขนาดจุดลำแสงสำหรับเลเซอร์กำลังสูงนั้นมีความท้าทาย แม้ว่าจะมีเทคนิคการวัดแบบอ้อมหลายวิธีก็ตาม

ขนาดจุดลำแสงที่จำกัดด้วยการเลี้ยวเบนของลำแสงเลเซอร์สามารถคำนวณได้จากทฤษฎีการเลี้ยวเบนของแสง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเกิดความผิดเพี้ยนในเลนส์โฟกัส ขนาดจุดจริงจึงใหญ่กว่าค่าที่คำนวณได้ วิธีการวัดเชิงปฏิบัติที่ง่ายที่สุดคือวิธีโปรไฟโลเมตรีแบบอุณหภูมิคงที่ ซึ่งประกอบด้วยการเผาไหม้กระดาษแผ่นหนาให้เป็นรอยดำ และเจาะแผ่นพอลิโพรพิลีนก่อนวัดจุดโฟกัสและเส้นผ่านศูนย์กลางของรูที่เกิดขึ้น วิธีนี้จำเป็นต้องอาศัยการวัดเชิงปฏิบัติเพื่อควบคุมกำลังเลเซอร์และระยะเวลาที่ลำแสงสัมผัสวัสดุให้เหมาะสม

ค่าการดูดกลืนวัสดุ

การดูดซับแสงเลเซอร์โดยวัสดุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติสำคัญหลายประการ เช่น ความสามารถในการดูดซับ ความสามารถในการสะท้อน ความสามารถในการนำความร้อน อุณหภูมิหลอมเหลว และอุณหภูมิระเหย โดยความสามารถในการดูดซับถือเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุด

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับแสงเลเซอร์ของวัสดุมีสองด้าน ได้แก่ ประการแรก ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุ ผลการวัดความสามารถในการดูดซับของพื้นผิวที่ขัดเงาแสดงให้เห็นว่า ความสามารถในการดูดซับสัมพันธ์โดยตรงกับรากที่สองของความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งค่าความต้านทานไฟฟ้านี้เองก็เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ประการที่สอง สภาพผิว (หรือความเรียบเนียน) ของวัสดุมีผลกระทบอย่างมากต่อความสามารถในการดูดซับลำแสง จึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของการเชื่อม

ความยาวคลื่นของลำแสงเลเซอร์ CO2 โดยทั่วไปคือ 10.6 μ ม. วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ เช่น เซรามิก แก้ว ยาง และพลาสติก มีอัตราการดูดซับสูงที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่วัสดุโลหะดูดซับได้ต่ำที่อุณหภูมิห้อง โดยการดูดซับจะเพิ่มขึ้นอย่างมากก็ต่อเมื่อวัสดุหลอมละลายหรือระเหยเป็นไอเท่านั้น การเคลือบผิวหรือฟิล์มออกไซด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงการดูดซับลำแสงเลเซอร์ของวัสดุ

ความเร็วในการผสม

ความเร็วในการเชื่อมมีผลอย่างมากต่อความลึกของการเชื่อม เพิ่มความเร็วจะทำให้ความลึกของการเชื่อมลดลง ในขณะที่ความเร็วต่ำเกินไปจะทำให้วัสดุละลายมากเกินไปและทะลุผ่าน ดังนั้น สำหรับวัสดุเฉพาะชนิดหนึ่งๆ ที่มีกำลังเลเซอร์และขนาดความหนาที่กำหนดไว้ จะมีช่วงความเร็วในการเชื่อมที่เหมาะสม ซึ่งภายในช่วงนี้จะสามารถบรรลุความลึกของการเชื่อมสูงสุดได้ รูปที่ 10-2 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการเชื่อมกับความลึกของการเชื่อมสำหรับเหล็กกล้าเกรด 1018

ก๊าซป้องกัน

ก๊าซเฉื่อยมักใช้เพื่อป้องกันบริเวณที่หลอมละลาย (molten pool) ระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แม้ว่าการเกิดออกซิเดชันบนผิวหน้าอาจไม่เป็นปัญหาสำหรับวัสดุบางชนิด แต่ฮีเลียม อาร์กอน และไนโตรเจนก็มักใช้ในงานส่วนใหญ่เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นงานเกิดออกซิเดชันระหว่างการเชื่อม

ฮีเลียมมีการไอออนไนซ์ได้ต่ำ (แต่มีพลังงานไอออนไนซ์สูง) จึงทำให้ลำแสงเลเซอร์สามารถผ่านเข้าไปได้อย่างราบรื่นและถึงผิวชิ้นงานโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ซึ่งถือเป็นก๊าซป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แต่มีราคาค่อนข้างสูง

อาร์กอนมีราคาถูกกว่าและมีความหนาแน่นสูงกว่า จึงให้การป้องกันที่ดี อย่างไรก็ตาม อาร์กอนสามารถไอออนไนซ์ได้ง่ายจากพลาสม่าโลหะที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งจะบดบังลำแสงบางส่วนไม่ให้ถึงชิ้นงาน ส่งผลให้กำลังเลเซอร์ที่ใช้งานได้จริงลดลง และทำให้ความเร็วในการเชื่อมและความลึกของการเจาะลดลง รอยเชื่อมที่ใช้อาร์กอนเป็นก๊าซป้องกันจะมีผิวเรียบกว่ารอยเชื่อมที่ใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซป้องกัน

ไนโตรเจนเป็นก๊าซป้องกันที่มีราคาถูกที่สุด แต่ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากปัญหาด้านโลหะวิทยา เช่น การดูดซับ ซึ่งอาจก่อให้เกิดรูพรุนในบริเวณรอยต่อได้

หน้าที่ที่สองของก๊าซป้องกันคือการปกป้องเลนส์โฟกัสจากการปนเปื้อนด้วยไอโลหะและเศษหยดโลหะหลอมละลายที่กระเด็นออกมา ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษในการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ที่วัสดุที่ถูกขับออกมามีพลังงานสูงมาก

หน้าที่ประการที่สามของก๊าซป้องกันคือประสิทธิภาพในการกระจายพลาสมาที่เกิดขึ้นจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ไอโลหะจะดูดซับลำแสงเลเซอร์และกลายเป็นพลาสมาในรูปของเมฆพลาสมา ก๊าซป้องกันที่ล้อมรอบไอโลหะก็จะถูกทำให้กลายเป็นพลาสมาด้วยความร้อนเช่นกัน หากมีพลาสมามากเกินไป ลำแสงเลเซอร์จะถูกพลาสมาดูดกลืนไปบางส่วน พลาสมาจะทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานรองบนผิวงาน ส่งผลให้ความลึกของการเชื่อมลดลง และบริเวณบ่อเชื่อมกว้างขึ้น อัตราการรวมตัวใหม่ของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนการชนกันระหว่างอิเล็กตรอน ไอออน และอะตอมที่เป็นกลางเพิ่มขึ้น ซึ่งจะช่วยลดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพลาสมา ยิ่งมวลอะตอมที่เป็นกลางมีค่าน้อยเท่าใด ความถี่ของการชนกันและอัตราการรวมตัวใหม่ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ก๊าซป้องกันที่มีพลังงานไอออไนเซชันสูงเท่านั้นที่จะสามารถป้องกันไม่ให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเนื่องจากการไอออไนเซชันของตัวก๊าซเอง

ขนาดของเมฆพลาสม่าจะแปรผันตามก๊าซป้องกันที่ใช้ โดยฮีเลียมมีขนาดเล็กที่สุด ตามด้วยไนโตรเจน และอาร์กอนมีขนาดใหญ่ที่สุด เมฆพลาสม่าที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะส่งผลให้ความลึกของการเชื่อมลดลง ความแตกต่างนี้เกิดขึ้นเป็นหลักจากองศาการไอออนไนเซชันของโมเลกุลก๊าซที่ต่างกัน รวมทั้งความแตกต่างในการแพร่กระจายของไอโลหะอันเนื่องมาจากรูปแบบความหนาแน่นที่ต่างกันของก๊าซป้องกัน

ฮีเลียมมีค่าการไอออนไนเซชันและค่าความหนาแน่นต่ำที่สุด จึงสามารถแทนที่ไอโลหะที่ลอยขึ้นจากแอ่งโลหะหลอมเหลวได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้น การใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซป้องกันจึงสามารถยับยั้งพลาสม่าได้มากที่สุด ส่งผลให้ความลึกของการเชื่อมเพิ่มขึ้นและอัตราการเชื่อมเร็วขึ้น นอกจากนี้ น้ำหนักเบาของฮีเลียมยังทำให้มันระเหยออกได้ง่าย จึงลดโอกาสในการเกิดรูพรุน อย่างไรก็ตาม จากผลการเชื่อมจริงของเรา พบว่าการใช้ก๊าซอาร์กอนเป็นก๊าซป้องกันนั้นมีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง

ผลกระทบของเมฆพลาสม่าต่อความลึกของการเชื่อมจะเด่นชัดที่สุดที่ความเร็วการเชื่อมต่ำ และผลกระทบนี้จะลดลงเมื่อความเร็วการเชื่อมเพิ่มขึ้น

ก๊าซป้องกันจะถูกปล่อยออกมาผ่านหัวฉีดภายใต้ความดันที่กำหนดและไปถึงผิวของชิ้นงาน รูปร่างเชิงพลศาสตร์ของไหล (hydrodynamic shape) ของหัวฉีดและเส้นผ่านศูนย์กลางของทางออกมีความสำคัญอย่างยิ่ง ก๊าซป้องกันจะต้องมีปริมาตรเพียงพอที่จะครอบคลุมพื้นผิวบริเวณที่ทำการเชื่อม แต่ขนาดของหัวฉีดจะต้องจำกัดให้อยู่ในระดับที่สามารถปกป้องเลนส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และป้องกันไม่ให้ไอโลหะปนเปื้อนหรือเศษโลหะกระเด็นมาทำลายเลนส์ อัตราการไหลของก๊าซก็จำเป็นต้องควบคุมให้เหมาะสม มิฉะนั้น การไหลแบบชั้น (laminar flow) ของก๊าซป้องกันจะเปลี่ยนเป็นการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ทำให้อากาศภายนอกไหลเข้าไปในแนวเชื่อมและสุดท้ายจะก่อให้เกิดรูพรุน (porosity)

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกัน สามารถใช้วิธีการเป่าก๊าซป้องกันเพิ่มเติมจากด้านข้าง โดยฉีดก๊าซป้องกันเข้าไปโดยตรงในรูเจาะ (pinhole) ของการเชื่อมแบบแทรกลึกผ่านหัวฉีดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าภายใต้มุมที่กำหนด ก๊าซป้องกันไม่เพียงแต่ยับยั้งเมฆพลาสม่าบนพื้นผิวชิ้นงานเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อพลาสม่าภายในรูเจาะและกระบวนการเกิดรูเจาะอีกด้วย ซึ่งจะช่วยเพิ่มความลึกของการเชื่อมให้มากยิ่งขึ้น และทำให้ได้รอยเชื่อมที่มีอัตราส่วนระหว่างความลึกต่อความกว้างตามที่ต้องการอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จำเป็นต้องควบคุมอัตราการไหลและทิศทางของก๊าซอย่างแม่นยำ มิฉะนั้นอาจเกิดการไหลแบบปั่นป่วน (turbulence) ได้ง่าย ซึ่งจะส่งผลให้บริเวณแนวหลอมละลายเสียหายและทำให้กระบวนการเชื่อมไม่เสถียร

ระยะโฟกัสเลนส์

ระหว่างการเชื่อม เลเซอร์มักจะถูกโฟกัส โดยทั่วไปจะใช้เลนส์ที่มีความยาวโฟกัส 63–254 มม. (2.5 ”~10”ขนาดของจุดโฟกัสที่ถูกโฟกัสไว้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความยาวโฟกัส; ยิ่งความยาวโฟกัสสั้นลง จุดโฟกัสจะยิ่งเล็กลงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ความยาวโฟกัสยังส่งผลต่อความลึกของการโฟกัส (depth of focus) ซึ่งหมายความว่า ความลึกของการโฟกัสจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับความยาวโฟกัส ดังนั้น ความยาวโฟกัสที่สั้นลงสามารถเพิ่มความหนาแน่นของกำลัง (power density) ได้ แต่เนื่องจากความลึกของการโฟกัสตื้นมาก ระยะห่างระหว่างเลนส์กับชิ้นงานจึงจำเป็นต้องควบคุมให้แม่นยำอย่างยิ่ง และความลึกในการเจาะทะลุก็ยังถูกจำกัดด้วยเช่นกัน เนื่องจากผลกระทบจากเศษโลหะที่กระเด็น (spatter) และโหมดลำแสงเลเซอร์ที่เกิดขึ้นระหว่างการเชื่อม ความยาวโฟกัสที่สั้นที่สุดซึ่งใช้งานจริงในการเชื่อมมักอยู่ที่ 126 มม. (5 นิ้ว) ”เมื่อรอยต่อ (joint) มีขนาดใหญ่ หรือเมื่อจำเป็นต้องเพิ่มขนาดรอยเชื่อมโดยการขยายขนาดของจุดโฟกัส สามารถเลือกใช้เลนส์ที่มีความยาวโฟกัส 254 มม. (10 นิ้ว) ”ในกรณีนี้ เพื่อให้บรรลุผลของหลุมลึก (keyhole effect) ที่มีความลึกในการเจาะทะลุสูง จำเป็นต้องใช้กำลังเอาต์พุตของเลเซอร์ที่สูงขึ้น (ความหนาแน่นของกำลังที่สูงขึ้น)

เมื่อกำลังเลเซอร์เกิน 2 กิโลวัตต์ โดยเฉพาะสำหรับ 10.6 μ ลำแสงเลเซอร์ CO2 ความยาวคลื่น 10.6 ไมครอน เนื่องจากการใช้วัสดุออปติกพิเศษในระบบออปติก จึงมักใช้การสะท้อนเพื่อโฟกัส (reflection focusing) เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อเลนส์โฟกัส กระจกเงาทองแดงขัดมันมักถูกใช้เป็นตัวสะท้อน เนื่องจากคุณสมบัติในการระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงมักแนะนำให้ใช้กับการโฟกัสลำแสงเลเซอร์กำลังสูง

ตำแหน่งโฟกัส

ระหว่างการเชื่อม ตำแหน่งของจุดโฟกัสเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความหนาแน่นของพลังงานให้เพียงพอ การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งสัมพัทธ์ของจุดโฟกัสเทียบกับผิวชิ้นงานจะส่งผลโดยตรงต่อความกว้างและความลึกของการเชื่อม รูปที่ 2-6 แสดงผลกระทบของตำแหน่งจุดโฟกัสต่อความลึกของการเจาะทะลุ (penetration depth) และความกว้างของการเชื่อมของเหล็กกล้าเกรด 1018

ในแอปพลิเคชันการเชื่อมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่ จุดโฟกัสมักถูกจัดวางไว้ที่ตำแหน่งประมาณหนึ่งในสี่ของความหนาชิ้นงานใต้ผิวชิ้นงาน เพื่อให้บรรลุความลึกของการเจาะทะลุที่ต้องการ

ตำแหน่งลำแสงเลเซอร์

เมื่อเชื่อมวัสดุที่ต่างกันด้วยเลเซอร์ การควบคุมตำแหน่งของลำแสงเลเซอร์จะมีผลต่อคุณภาพของการเชื่อมขั้นสุดท้าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมแบบปลายชน (butt joints) ซึ่งมีความไวมากกว่าการเชื่อมแบบทับซ้อน (lap joints) ตัวอย่างเช่น ในการเชื่อมเกียร์ทำจากเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งเข้ากับกลองทำจากเหล็กคาร์บอนต่ำ การควบคุมตำแหน่งลำแสงเลเซอร์อย่างเหมาะสมจะทำให้ได้รอยเชื่อมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบของเหล็กคาร์บอนต่ำเป็นหลัก ซึ่งมีความต้านทานต่อการแตกร้าวได้ดีกว่า ในบางแอปพลิเคชัน รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงานที่ต้องการเชื่อมจำเป็นต้องเบี่ยงเบนลำแสงเลเซอร์ในมุมหนึ่ง เมื่อมุมเบี่ยงเบนระหว่างแกนลำแสงกับระนาบของรอยต่ออยู่ภายใน 100 องศา การดูดซับพลังงานเลเซอร์โดยชิ้นงานจะไม่ได้รับผลกระทบ

การควบคุมกำลังเลเซอร์ให้เพิ่มขึ้นและลดลงที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเชื่อม

ในระหว่างการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ ปรากฏการณ์รูเข็ม (pinhole) จะเกิดขึ้นเสมอ ไม่ว่าความลึกของการเชื่อมจะเป็นเท่าใด เมื่อสิ้นสุดกระบวนการเชื่อมและปิดสวิตช์จ่ายพลังงาน จะเกิดหลุมเล็กๆ ที่ปลายรอยเชื่อม นอกจากนี้ เมื่อชั้นรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์ทับซ้อนกับรอยเชื่อมเดิม อาจทำให้เกิดการดูดซับลำแสงเลเซอร์มากเกินไป ส่งผลให้ชิ้นงานเชื่อมร้อนเกินไปหรือเกิดรูพรุน

เพื่อป้องกันปรากฏการณ์เหล่านี้ จึงสามารถตั้งโปรแกรมจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของกำลังไฟให้ปรับเวลาเริ่มต้นและสิ้นสุดของกำลังไฟได้ โดยกล่าวคือ กำลังไฟเริ่มต้นจะถูกเพิ่มขึ้นอัตโนมัติจากศูนย์ไปยังค่ากำลังไฟที่กำหนดภายในระยะเวลาสั้นๆ และปรับระยะเวลาการเชื่อมให้เหมาะสม สุดท้ายนี้ ที่จุดสิ้นสุดของการเชื่อม กำลังไฟจะค่อยๆ ลดลงจากค่าที่กำหนดจนถึงศูนย์

3. ลักษณะ ข้อดี และข้อเสียของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

ลักษณะของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

1) อัตราส่วนความสูงต่อความกว้างสูง 1) **รอยเชื่อมลึกและแคบ:** เนื่องจากโลหะหลอมเหลวเกิดขึ้นรอบๆ โพรงไอน้ำร้อนจัดที่มีลักษณะทรงกระบอก และขยายตัวเข้าสู่ชิ้นงาน ทำให้รอยเชื่อมมีลักษณะลึกและแคบ

2) **ปริมาณความร้อนนำเข้าต่ำสุด:** เนื่องจากอุณหภูมิภายในรูเปิดสูงมากอย่างยิ่ง กระบวนการหลอมละลายจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ส่งผลให้ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังชิ้นงานต่ำมาก จึงลดการบิดตัวจากความร้อนและเขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (heat-affected zone) ให้น้อยที่สุด

3) **ความหนาแน่นสูง:** รูเปิดที่เต็มไปด้วยไอน้ำร้อนจัดช่วยส่งเสริมการคนของแนวเชื่อมหลอมเหลวและช่วยให้ก๊าซระเหยออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงได้รอยเชื่อมที่ไม่มีรูพรุนและเจาะทะลุทั้งหมด อัตราการเย็นตัวที่สูงหลังการเชื่อมยังช่วยปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของรอยเชื่อมให้ละเอียดยิ่งขึ้น

4) **รอยเชื่อมที่แข็งแรง:** แหล่งความร้อนที่มีความเข้มข้นสูงและการดูดซับส่วนประกอบที่ไม่ใช่โลหะอย่างสมบูรณ์ ช่วยลดปริมาณสิ่งปนเปื้อนและเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปแบบการกระจายตัวของสารเจือปนในบริเวณรอยเชื่อม กระบวนการเชื่อมไม่จำเป็นต้องใช้ขั้วไฟฟ้าหรือลวดเชื่อมเติม จึงทำให้มีสิ่งปนเปื้อนน้อยลงในบริเวณที่หลอมละลาย ส่งผลให้ความแข็งแรงและความเหนียวของรอยเชื่อมเท่ากับหรือแม้แต่สูงกว่าโลหะพื้นฐาน

5) **การควบคุมที่แม่นยำ:** เนื่องจากจุดโฟกัสของลำแสงมีขนาดเล็กมาก จึงสามารถวางตำแหน่งรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ ลำแสงเลเซอร์ไม่มี "ความเฉื่อย" จึงสามารถหยุดและเริ่มต้นใหม่ได้อย่างรวดเร็วในอัตราความเร็วสูง นอกจากนี้ เทคโนโลยีการเคลื่อนย้ายลำแสงด้วยระบบ CNC ยังช่วยให้สามารถเชื่อมชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อนได้ 6) กระบวนการเชื่อมแบบไม่สัมผัสในบรรยากาศปกติ เนื่องจากพลังงานมาจากรังสีโฟตอน จึงไม่มีการสัมผัสทางกายภาพกับชิ้นงาน จึงไม่มีแรงภายนอกใดๆ มากระทำต่อชิ้นงาน อีกทั้งสนามแม่เหล็กและอากาศไม่มีผลต่อลำแสงเลเซอร์

ข้อได้เปรียบของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

1) เนื่องจากความหนาแน่นของกำลังงานของเลเซอร์แบบโฟกัสสูงกว่าวิธีการทั่วไปอย่างมาก ทำให้ความเร็วในการเชื่อมสูง โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนและระดับการบิดเบี้ยวมีขนาดเล็ก และสามารถเชื่อมวัสดุที่ยากต่อการเชื่อม เช่น ไทเทเนียม ได้

2) เนื่องจากลำแสงสามารถส่งผ่านและควบคุมได้ง่าย จึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนหัวเชื่อมและหัวพ่นบ่อยครั้ง และไม่จำเป็นต้องสุญญากาศเหมือนการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ทำให้เวลาหยุดทำงานลดลงอย่างมาก ส่งผลให้อัตราการใช้งานจริง (load factor) และประสิทธิภาพการผลิตสูงขึ้น

3) เนื่องจากผลการทำความบริสุทธิ์และอัตราการเย็นตัวที่สูง รอยเชื่อมจึงมีความแข็งแรง ความเหนียว และสมรรถนะโดยรวมสูง

4) เนื่องจากปริมาณความร้อนเฉลี่ยที่ป้อนเข้าในกระบวนการต่ำ ความแม่นยำในการประมวลผลจึงสูง ช่วยลดต้นทุนการแปรรูปซ้ำ; นอกจากนี้ ต้นทุนการดำเนินงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ก็ต่ำกว่าด้วย จึงช่วยลดต้นทุนการแปรรูปชิ้นงานโดยรวม

5) ความเข้มของลำแสงและการระบุตำแหน่งอย่างแม่นยำสามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การปฏิบัติการแบบอัตโนมัติเป็นไปได้ง่าย

ข้อเสียของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

1) ความลึกในการเชื่อมมีข้อจำกัด

2) ข้อกำหนดที่สูงสำหรับการประกอบชิ้นงาน

3) การลงทุนเริ่มต้นสูงสำหรับระบบเลเซอร์