ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับวัสดุ – ปรากฏการณ์รูกุญแจ

การก่อตัวและการพัฒนาของรูรูปกุญแจ:

นิยามของรูรูปกุญแจ: เมื่อความเข้มของการแผ่รังสีมากกว่า 10⁶ วัตต์/ตารางเซนติเมตร พื้นผิวของวัสดุจะหลอมเหลวและระเหยภายใต้การกระทำของเลเซอร์ เมื่อความเร็วในการระเหยสูงพอ แรงดันย้อนกลับของไอที่เกิดขึ้นจะมากพอที่จะเอาชนะแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของโลหะเหลว ทำให้โลหะเหลวบางส่วนถูกแทนที่ ส่งผลให้แอ่งหลอมเหลวในบริเวณที่ถูกกระตุ้นยุบตัวลงและเกิดเป็นหลุมเล็กๆ ลำแสงเลเซอร์จะกระทำโดยตรงที่ก้นหลุมเล็กๆ ทำให้โลหะหลอมเหลวและกลายเป็นไอต่อไป ไอน้ำแรงดันสูงจะดันโลหะเหลวที่ก้นหลุมให้ไหลไปยังขอบของแอ่งหลอมเหลวอย่างต่อเนื่อง ทำให้รูเล็กๆ ลึกขึ้นเรื่อยๆ กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปจนในที่สุดเกิดเป็นรูคล้ายรูรูปกุญแจในโลหะเหลว เมื่อแรงดันไอของโลหะที่เกิดจากลำแสงเลเซอร์ในรูเล็กๆ ถึงจุดสมดุลกับแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของโลหะเหลว รูเล็กๆ นั้นจะไม่ลึกขึ้นอีกและเกิดเป็นรูเล็กๆ ที่มีความลึกคงที่ ซึ่งเรียกว่า "ปรากฏการณ์รูเล็ก"

เมื่อลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่สัมพันธ์กับชิ้นงาน รูเล็กๆ จะปรากฏเป็นด้านหน้าโค้งไปด้านหลังเล็กน้อย และด้านหลังเป็นรูปสามเหลี่ยมคว่ำเอียงอย่างชัดเจน ขอบด้านหน้าของรูเล็กๆ คือบริเวณที่เลเซอร์ทำงาน มีอุณหภูมิสูงและความดันไอสูง ในขณะที่อุณหภูมิตามขอบด้านหลังค่อนข้างต่ำและความดันไอต่ำ ภายใต้ความแตกต่างของความดันและอุณหภูมินี้ ของเหลวหลอมเหลวจะไหลวนรอบรูเล็กๆ จากด้านหน้าไปด้านหลัง ก่อตัวเป็นกระแสน้ำวนที่ด้านหลังของรูเล็กๆ และในที่สุดก็แข็งตัวที่ขอบด้านหลัง สภาวะไดนามิกของรูเจาะที่ได้จากการจำลองด้วยเลเซอร์และการเชื่อมจริงแสดงอยู่ในรูปด้านบน รูปร่างของรูเล็กๆ และการไหลของของเหลวหลอมเหลวรอบๆ ระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน

เนื่องจากมีรูเล็กๆ อยู่ พลังงานลำแสงเลเซอร์จึงแทรกซึมเข้าไปในเนื้อวัสดุ ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ลึกและแคบ ลักษณะหน้าตัดทั่วไปของรอยเชื่อมเลเซอร์แบบแทรกซึมลึกแสดงอยู่ในรูปด้านบน ความลึกของการแทรกซึมของรอยเชื่อมใกล้เคียงกับความลึกของรูเจาะ (กล่าวคือ ชั้นโลหะวิทยาจะลึกกว่ารูเจาะ 60-100 ไมโครเมตร และมีชั้นของเหลวน้อยกว่าหนึ่งชั้น) ยิ่งความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูง รูเล็กๆ ก็จะยิ่งลึก และความลึกของการแทรกซึมของรอยเชื่อมก็จะยิ่งมากขึ้น ในการเชื่อมเลเซอร์กำลังสูง อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูงสุดของรอยเชื่อมสามารถสูงถึง 12:1

การวิเคราะห์การดูดซึมของพลังงานเลเซอร์โดยรูกุญแจ

ก่อนที่จะเกิดรูเล็กๆ และพลาสมา พลังงานของเลเซอร์จะถูกส่งผ่านเข้าไปในชิ้นงานโดยการนำความร้อนเป็นหลัก กระบวนการเชื่อมจัดเป็นการเชื่อมแบบนำความร้อน (ความลึกในการทะลุทะลวงน้อยกว่า 0.5 มม.) และอัตราการดูดซับพลังงานเลเซอร์ของวัสดุอยู่ที่ระหว่าง 25-45% เมื่อเกิดรูเจาะแล้ว พลังงานของเลเซอร์จะถูกดูดซับโดยส่วนภายในของชิ้นงานเป็นหลักผ่านผลของรูเจาะ และกระบวนการเชื่อมจะกลายเป็นการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึก (ความลึกในการทะลุทะลวงมากกว่า 0.5 มม.) อัตราการดูดซับสามารถสูงถึง 60-90%

ปรากฏการณ์รูเจาะ (Keyhole effect) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับแสงเลเซอร์ในระหว่างกระบวนการต่างๆ เช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์ การตัด และการเจาะ ลำแสงเลเซอร์ที่เข้าสู่รูเจาะจะถูกดูดซับเกือบทั้งหมดผ่านการสะท้อนหลายครั้งจากผนังรู

โดยทั่วไปเชื่อกันว่ากลไกการดูดซับพลังงานของเลเซอร์ภายในรูกุญแจนั้นประกอบด้วยสองกระบวนการ ได้แก่ การดูดซับแบบย้อนกลับและการดูดซับแบบเฟรสเนล

สมดุลแรงดันภายในรูกุญแจ

ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบทะลุทะลวงลึก วัสดุจะเกิดการระเหยอย่างรุนแรง และแรงดันจากการขยายตัวที่เกิดจากไอน้ำอุณหภูมิสูงจะขับไล่โลหะเหลวออกไป ทำให้เกิดรูเล็กๆ ขึ้น นอกจากแรงดันไอและแรงดันการกัดกร่อน (หรือที่เรียกว่าแรงปฏิกิริยาจากการระเหยหรือแรงดันย้อนกลับ) ของวัสดุแล้ว ยังมีแรงตึงผิว แรงดันสถิตของของเหลวที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง และแรงดันไดนามิกของของเหลวที่เกิดจากการไหลของวัสดุหลอมเหลวภายในรูเล็กๆ ในบรรดาแรงดันเหล่านี้ มีเพียงแรงดันไอน้ำเท่านั้นที่รักษารูเล็กๆ ให้เปิดอยู่ ในขณะที่แรงอีกสามแรงพยายามที่จะปิดรูเล็กๆ นั้น เพื่อรักษาเสถียรภาพของรูในระหว่างกระบวนการเชื่อม แรงดันไอจะต้องมีมากพอที่จะเอาชนะแรงต้านอื่นๆ และทำให้เกิดสมดุล รักษาเสถียรภาพของรูในระยะยาว เพื่อความง่าย โดยทั่วไปเชื่อกันว่าแรงที่กระทำต่อผนังรูส่วนใหญ่คือแรงดันการกัดกร่อน (แรงดันย้อนกลับของไอโลหะ) และแรงตึงผิว

ความไม่เสถียรของรูกุญแจ

ที่มา: เลเซอร์กระทำต่อพื้นผิวของวัสดุ ทำให้โลหะจำนวนมากระเหย แรงดันย้อนกลับจะกดลงบนแอ่งหลอมเหลว ทำให้เกิดรูและพลาสมา ส่งผลให้ความลึกของการหลอมเหลวเพิ่มขึ้น ในระหว่างกระบวนการเคลื่อนที่ เลเซอร์จะกระทบกับผนังด้านหน้าของรู และตำแหน่งที่เลเซอร์สัมผัสกับวัสดุจะทำให้วัสดุระเหยอย่างรุนแรง ในขณะเดียวกัน ผนังของรูจะสูญเสียมวล และการระเหยจะก่อให้เกิดแรงดันย้อนกลับที่กดลงบนโลหะเหลว ทำให้ผนังด้านในของรูแกว่งลงและเคลื่อนที่ไปรอบๆ ก้นรูไปยังด้านหลังของแอ่งหลอมเหลว เนื่องจากการแกว่งของแอ่งหลอมเหลวจากผนังด้านหน้าไปยังผนังด้านหลัง ปริมาตรภายในรูจึงเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ความดันภายในของรูจึงเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของพลาสมาที่พ่นออกมา การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของพลาสมานำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการป้องกัน การหักเห และการดูดซับพลังงานเลเซอร์ ส่งผลให้พลังงานของเลเซอร์ที่ไปถึงพื้นผิววัสดุเปลี่ยนแปลงไป กระบวนการทั้งหมดเป็นแบบไดนามิกและเป็นคาบ ส่งผลให้เกิดการเจาะโลหะเป็นรูปฟันเลื่อยและเป็นคลื่นในที่สุด และไม่มีรอยเชื่อมที่เรียบและสม่ำเสมอ รูปด้านบนเป็นภาพตัดขวางของจุดศูนย์กลางของรอยเชื่อมที่ได้จากการตัดตามแนวยาวขนานกับจุดศูนย์กลางของรอยเชื่อม รวมถึงการวัดการเปลี่ยนแปลงความลึกของรูเจาะแบบเรียลไทม์ด้วยไอพีจี-LDD เป็นหลักฐาน

ปรับปรุงทิศทางความเสถียรของรูกุญแจ

ในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบทะลุทะลวงลึก ความเสถียรของรูเล็กๆ นั้นจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการสมดุลของแรงดันต่างๆ ภายในรูเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การดูดซับพลังงานเลเซอร์โดยผนังรูและการระเหยของวัสดุ การพุ่งของไอโลหะออกนอกรูเล็กๆ และการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของรูเล็กๆ และบ่อหลอม ล้วนเป็นกระบวนการที่รุนแรงและรวดเร็วมาก ภายใต้เงื่อนไขกระบวนการบางอย่าง ในบางช่วงเวลาของการเชื่อม มีความเป็นไปได้ที่ความเสถียรของรูเล็กๆ อาจถูกรบกวนในบริเวณเฉพาะ ทำให้เกิดข้อบกพร่องในการเชื่อม ข้อบกพร่องที่พบได้บ่อยที่สุดคือ รูพรุนขนาดเล็ก และการกระเด็นของโลหะที่เกิดจากการยุบตัวของรูเจาะ

แล้วจะทำให้รูกุญแจมีความเสถียรได้อย่างไร?

การเปลี่ยนแปลงของของเหลวในรูเจาะนั้นค่อนข้างซับซ้อนและเกี่ยวข้องกับหลายปัจจัย (สนามอุณหภูมิ สนามการไหล สนามแรง ฟิสิกส์เชิงแสงและอิเล็กทรอนิกส์) ซึ่งสามารถสรุปได้ง่ายๆ เป็นสองประเภท: ความสัมพันธ์ระหว่างแรงตึงผิวและแรงดันย้อนกลับของไอโลหะ แรงดันย้อนกลับของไอโลหะส่งผลโดยตรงต่อการเกิดรูเจาะ ซึ่งมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความลึกและปริมาตรของรูเจาะ ในขณะเดียวกัน ในฐานะที่เป็นสารเพียงชนิดเดียวของไอโลหะที่เคลื่อนที่ขึ้นด้านบนในกระบวนการเชื่อม แรงตึงผิวก็ยังมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการเกิดการกระเด็นของโลหะด้วย แรงตึงผิวส่งผลต่อการไหลของบ่อหลอมเหลว

ดังนั้น กระบวนการเชื่อมเลเซอร์ที่เสถียรจึงขึ้นอยู่กับการรักษาระดับการกระจายตัวของแรงตึงผิวในบ่อหลอมเหลวโดยไม่ให้เกิดความผันผวนมากเกินไป แรงตึงผิวมีความสัมพันธ์กับการกระจายตัวของอุณหภูมิ และการกระจายตัวของอุณหภูมิมีความสัมพันธ์กับแหล่งความร้อน ดังนั้น แหล่งความร้อนแบบผสมและการเชื่อมแบบแกว่งจึงเป็นทิศทางทางเทคนิคที่มีศักยภาพสำหรับกระบวนการเชื่อมที่เสถียร

ปริมาตรของไอโลหะและรูเจาะต้องคำนึงถึงผลกระทบของพลาสมาและขนาดของช่องเปิดรูเจาะด้วย ยิ่งช่องเปิดใหญ่ รูเจาะก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และความผันผวนเล็กน้อยที่จุดต่ำสุดของบ่อหลอมจะมีผลกระทบต่อปริมาตรโดยรวมของรูเจาะและการเปลี่ยนแปลงความดันภายในค่อนข้างน้อย ดังนั้น การปรับโหมดเลเซอร์แบบวงแหวน (จุดวงแหวน) การรวมตัวของอาร์คเลเซอร์ การปรับความถี่ ฯลฯ ล้วนเป็นแนวทางที่สามารถขยายได้