การเปรียบเทียบผลการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถทำได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์แบบต่อเนื่องหรือแบบพัลส์ หลักการของการเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งการเชื่อมออกเป็น การเชื่อมแบบนำความร้อน และการเชื่อมแบบเลเซอร์เจาะลึก เมื่อความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่า 10⁴~10⁵ วัตต์/ตารางเซนติเมตร จะเป็นการเชื่อมแบบนำความร้อน ในกรณีนี้ ความลึกของการเจาะจะตื้นและความเร็วในการเชื่อมจะช้า เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 10⁵~10⁷ วัตต์/ตารางเซนติเมตร พื้นผิวโลหะจะเว้าเป็น "รู" เนื่องจากความร้อน ทำให้เกิดการเชื่อมแบบเจาะลึก ซึ่งมีลักษณะเด่นคือ ความเร็วในการเชื่อมสูงและอัตราส่วนความลึกต่อความลึกสูง หลักการของการนำความร้อนการเชื่อมด้วยเลเซอร์หลักการคือ: รังสีเลเซอร์จะให้ความร้อนแก่พื้นผิวที่จะทำการประมวลผล และความร้อนจากพื้นผิวจะแพร่กระจายไปยังภายในผ่านการนำความร้อน โดยการควบคุมพารามิเตอร์ของเลเซอร์ เช่น ความกว้างของพัลส์เลเซอร์ พลังงาน กำลังสูงสุด และความถี่ในการทำซ้ำ ชิ้นงานจะหลอมละลายจนเกิดเป็นแอ่งหลอมเหลวตามต้องการ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบทะลุทะลวงลึกโดยทั่วไปจะใช้ลำแสงเลเซอร์ต่อเนื่องเพื่อเชื่อมต่อวัสดุเข้าด้วยกัน กระบวนการทางโลหะวิทยาและกายภาพของมันคล้ายคลึงกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมาก กล่าวคือ กลไกการแปลงพลังงานจะเกิดขึ้นผ่านโครงสร้าง "รูเจาะ"

ภายใต้การฉายแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเพียงพอ วัสดุจะระเหยและเกิดเป็นรูเล็กๆ ขึ้น รูเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยไอระเหยนี้จะมีลักษณะคล้ายวัตถุดำ ดูดซับพลังงานจากลำแสงที่ตกกระทบเกือบทั้งหมด อุณหภูมิสมดุลในรูจะสูงถึงประมาณ 2500 องศาเซลเซียส°ค. ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากผนังด้านนอกของรูที่มีอุณหภูมิสูง ทำให้โลหะที่อยู่รอบรูหลอมเหลว รูเล็กๆ จะเต็มไปด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเหยอย่างต่อเนื่องของวัสดุผนังภายใต้การฉายรังสีของลำแสง ผนังของรูเล็กๆ จะถูกล้อมรอบด้วยโลหะหลอมเหลว และโลหะเหลวจะถูกล้อมรอบด้วยวัสดุที่เป็นของแข็ง (ในกระบวนการเชื่อมแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่และการเชื่อมด้วยเลเซอร์นำความร้อน พลังงานจะถูกส่งไปยังพื้นผิวของชิ้นงานก่อน แล้วจึงถูกส่งผ่านไปยังภายใน) การไหลของของเหลวภายนอกผนังรูและความตึงผิวของชั้นผนังจะสอดคล้องกับแรงดันไอน้ำที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในโพรงรู และรักษาสมดุลแบบไดนามิก ลำแสงจะเข้าสู่รูเล็กๆ อย่างต่อเนื่อง และวัสดุภายนอกรูเล็กๆ จะไหลอย่างต่อเนื่อง ขณะที่ลำแสงเคลื่อนที่ รูเล็กๆ จะอยู่ในสภาวะการไหลที่เสถียรเสมอ

กล่าวคือ รูเล็กๆ และโลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบผนังรูจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วของลำแสงนำร่อง โลหะหลอมเหลวจะเติมเต็มช่องว่างที่เหลืออยู่หลังจากเจาะรูเล็กๆ ออกไป และควบแน่นตามนั้น จนเกิดเป็นรอยเชื่อม กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ทำให้ความเร็วในการเชื่อมสามารถทำได้หลายเมตรต่อนาทีได้อย่างง่ายดาย

หลังจากทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับความหนาแน่นของกำลัง การนำความร้อนในการเชื่อม และการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกแล้ว ขั้นต่อไปเราจะทำการวิเคราะห์เปรียบเทียบความหนาแน่นของกำลังและเฟสทางโลหะวิทยาของเส้นผ่านศูนย์กลางแกนที่แตกต่างกัน

การเปรียบเทียบผลการทดลองการเชื่อมโดยใช้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเลเซอร์ทั่วไปที่มีจำหน่ายในท้องตลาด:

ความหนาแน่นของพลังงาน ณ ตำแหน่งจุดโฟกัสของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางต่างกัน

จากมุมมองของความหนาแน่นของพลังงาน ภายใต้พลังงานที่เท่ากัน ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็กเท่าไร ความสว่างของเลเซอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น และพลังงานก็จะยิ่งเข้มข้นมากขึ้น หากเปรียบเทียบเลเซอร์กับมีดคม ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็กเท่าไร เลเซอร์ก็จะยิ่งคมมากขึ้นเท่านั้น ความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 14 ไมโครเมตรนั้นมากกว่าเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกน 100 ไมโครเมตรถึง 50 เท่า และความสามารถในการประมวลผลก็สูงกว่า ในขณะเดียวกัน ความหนาแน่นของพลังงานที่คำนวณได้ในที่นี้เป็นเพียงค่าเฉลี่ยอย่างง่ายเท่านั้น การกระจายพลังงานจริงจะเป็นการกระจายแบบเกาส์เซียนโดยประมาณ และพลังงานที่จุดศูนย์กลางจะมีค่ามากกว่าความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ยหลายเท่า

แผนภาพแสดงการกระจายพลังงานเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

สีในแผนภาพการกระจายพลังงานแสดงถึงการกระจายพลังงาน ยิ่งสีแดงมากเท่าไหร่ พลังงานก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น พลังงานสีแดงแสดงถึงบริเวณที่มีพลังงานกระจุกตัวอยู่ จากการวิเคราะห์การกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางต่างกัน จะเห็นได้ว่าทั้งลำแสงเลเซอร์ด้านหน้าไม่คมและด้านหน้าคม ยิ่งแกนกลางเล็กเท่าไหร่ พลังงานก็จะยิ่งกระจุกตัวอยู่ที่จุดเดียวมากขึ้นเท่านั้น ลำแสงก็จะยิ่งคมและมีอำนาจทะลุทะลวงสูงขึ้น

การเปรียบเทียบผลการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนต่างกัน

การเปรียบเทียบเลเซอร์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางต่างกัน:

(1) การทดลองใช้ความเร็ว 150 มม./วินาที การเชื่อมแบบโฟกัส และวัสดุคืออลูมิเนียมซีรีส์ 1 หนา 2 มม.

(2) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางใหญ่ขึ้น ความกว้างของการหลอมก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และความหนาแน่นของกำลังต่อหน่วยก็จะยิ่งน้อยลง เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางเกิน 200 ไมโครเมตร การเชื่อมให้ได้ความลึกในโลหะผสมที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น อะลูมิเนียมและทองแดง จะทำได้ยาก และการเชื่อมแบบเจาะลึกที่สูงขึ้นจะทำได้ก็ต่อเมื่อใช้กำลังสูงเท่านั้น

(3) เลเซอร์แกนเล็กมีความหนาแน่นพลังงานสูงและสามารถเจาะรูบนพื้นผิวของวัสดุได้อย่างรวดเร็วด้วยพลังงานสูงและมีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม ในขณะเดียวกัน พื้นผิวของรอยเชื่อมจะหยาบ และความน่าจะเป็นที่รูจะยุบตัวสูงในระหว่างการเชื่อมด้วยความเร็วต่ำ และรูจะปิดลงในระหว่างรอบการเชื่อม รอบการเชื่อมยาว และมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยตำหนิและรูพรุน เหมาะสำหรับการประมวลผลด้วยความเร็วสูงหรือการประมวลผลด้วยวิถีการแกว่ง

(4) เลเซอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่จะมีจุดแสงขนาดใหญ่กว่าและมีพลังงานกระจายตัวมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการหลอมพื้นผิวด้วยเลเซอร์ การเคลือบ การอบอ่อน และกระบวนการอื่นๆ