เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการเชื่อมแบบดั้งเดิมการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อได้เปรียบที่ไม่มีใครเทียบได้ในความแม่นยำในการเชื่อม ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ ระบบอัตโนมัติ และด้านอื่นๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านรถยนต์ พลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ และถือว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการผลิตที่มีแนวโน้มมากที่สุดในศตวรรษที่ 21
1. ภาพรวมของคานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์
คานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์คือการใช้วิธีการทางแสงเพื่อแยกเลเซอร์เดียวกันออกเป็นลำแสงสองลำแยกกันสำหรับการเชื่อม หรือใช้เลเซอร์สองประเภทที่แตกต่างกันมารวมกัน เช่น เลเซอร์ CO2 เลเซอร์ Nd: YAG และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง ทั้งหมดสามารถรวมกันได้ มีการเสนอเพื่อแก้ปัญหาการปรับตัวของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้เข้ากับความแม่นยำในการประกอบ ปรับปรุงเสถียรภาพของกระบวนการเชื่อม และปรับปรุงคุณภาพของการเชื่อม คานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถปรับสนามอุณหภูมิการเชื่อมได้อย่างสะดวกและยืดหยุ่นโดยการเปลี่ยนอัตราส่วนพลังงานของลำแสง ระยะห่างของลำแสง และแม้แต่รูปแบบการกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์ทั้งสองลำ เปลี่ยนรูปแบบการดำรงอยู่ของรูกุญแจและรูปแบบการไหลของโลหะเหลวในสระหลอมเหลว ช่วยให้กระบวนการเชื่อมมีทางเลือกมากขึ้น มันไม่เพียงแต่มีข้อดีที่ใหญ่เท่านั้นการเชื่อมด้วยเลเซอร์การเจาะ ความเร็วที่รวดเร็ว และความแม่นยำสูง แต่ยังเหมาะกับวัสดุและข้อต่อที่เชื่อมยากแบบธรรมดาอีกด้วยการเชื่อมด้วยเลเซอร์.
สำหรับคานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์อันดับแรกเราจะหารือเกี่ยวกับวิธีการใช้งานเลเซอร์ลำแสงคู่ บทความที่ครอบคลุมแสดงให้เห็นว่ามีสองวิธีหลักในการเชื่อมลำแสงคู่: การโฟกัสแบบส่งผ่านและการโฟกัสแบบสะท้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สามารถทำได้โดยการปรับมุมและระยะห่างของเลเซอร์สองตัวผ่านกระจกโฟกัสและกระจกปรับแนว อีกวิธีหนึ่งทำได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์แล้วโฟกัสผ่านกระจกสะท้อนแสง กระจกส่องผ่าน และกระจกรูปทรงลิ่มเพื่อให้ได้ลำแสงคู่ สำหรับวิธีแรกจะมีสามรูปแบบหลักๆ รูปแบบแรกคือการจับคู่เลเซอร์สองตัวผ่านเส้นใยนำแสง และแยกออกเป็นสองลำแสงที่แตกต่างกันภายใต้กระจกคอลลิเมตติ้งและกระจกโฟกัสเดียวกัน อย่างที่สองคือเลเซอร์สองตัวจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ผ่านหัวเชื่อมตามลำดับ และลำแสงคู่จะเกิดขึ้นโดยการปรับตำแหน่งเชิงพื้นที่ของหัวเชื่อม วิธีที่สามคือลำแสงเลเซอร์ถูกแยกผ่านกระจก 1 และ 2 สองตัวก่อน จากนั้นจึงโฟกัสด้วยกระจกโฟกัส 3 และ 4 สองตัวตามลำดับ ตำแหน่งและระยะห่างระหว่างจุดโฟกัสทั้งสองจุดสามารถปรับได้โดยการปรับมุมของกระจกโฟกัสทั้งสองบานที่ 3 และ 4 วิธีที่สองคือการใช้เลเซอร์โซลิดสเตตเพื่อแยกแสงเพื่อให้ได้ลำแสงคู่ จากนั้นจึงปรับมุมและ ระยะห่างผ่านกระจกเปอร์สเปคทีฟและกระจกโฟกัส สองภาพสุดท้ายในแถวแรกด้านล่างแสดงระบบสเปกโทรสโกปีของเลเซอร์ CO2 กระจกแบนจะถูกแทนที่ด้วยกระจกรูปทรงลิ่มและวางไว้ด้านหน้ากระจกโฟกัสเพื่อแยกแสงเพื่อให้ได้แสงคู่ขนาน
หลังจากทำความเข้าใจการใช้งานคานคู่แล้ว เรามาแนะนำหลักการและวิธีการเชื่อมโดยย่อกัน ในคานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์กระบวนการ มีการจัดเรียงลำแสงทั่วไปสามแบบ ได้แก่ การจัดเรียงแบบอนุกรม การจัดเรียงแบบขนาน และการจัดเรียงแบบไฮบริด ผ้าคือมีระยะห่างทั้งทิศทางการเชื่อมและทิศทางการเชื่อมในแนวตั้ง ดังที่แสดงในแถวสุดท้ายของภาพ ตามรูปร่างที่แตกต่างกันของรูเล็กๆ และสระหลอมเหลวที่ปรากฏภายใต้ระยะห่างจุดที่แตกต่างกันในระหว่างกระบวนการเชื่อมแบบอนุกรม พวกมันสามารถแบ่งเพิ่มเติมเป็นการหลอมเดี่ยวได้ มีสามสถานะ: สระ สระหลอมเหลวทั่วไป และสระหลอมเหลวแยก ลักษณะของสระหลอมเหลวเดี่ยวและสระหลอมเหลวแบบแยกจะคล้ายคลึงกับสระหลอมเดี่ยวการเชื่อมด้วยเลเซอร์ดังแสดงในแผนภาพจำลองเชิงตัวเลข มีผลกระทบต่อกระบวนการที่แตกต่างกันสำหรับประเภทต่างๆ
ประเภทที่ 1: ภายใต้ระยะห่างจุดหนึ่ง รูกุญแจลำแสงสองอันจะสร้างรูกุญแจขนาดใหญ่ทั่วไปในสระหลอมเหลวเดียวกัน สำหรับประเภทที่ 1 มีรายงานว่ามีการใช้ลำแสงหนึ่งเพื่อสร้างรูเล็กๆ และอีกลำแสงหนึ่งใช้สำหรับการเชื่อมด้วยความร้อน ซึ่งสามารถปรับปรุงคุณสมบัติโครงสร้างของเหล็กกล้าคาร์บอนสูงและเหล็กโลหะผสมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ประเภทที่ 2: เพิ่มระยะห่างของจุดในสระหลอมเหลวเดียวกัน แยกคานทั้งสองออกเป็นรูกุญแจอิสระสองอัน และเปลี่ยนรูปแบบการไหลของสระหลอมเหลว สำหรับประเภทที่ 2 ฟังก์ชันจะเทียบเท่ากับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสองตัว ลดการกระเด็นของรอยเชื่อมและรอยเชื่อมที่ผิดปกติที่ความยาวโฟกัสที่เหมาะสม
แบบที่ 3: เพิ่มระยะห่างจุดเพิ่มเติมและเปลี่ยนอัตราส่วนพลังงานของคานทั้งสอง เพื่อให้คานหนึ่งในสองลำถูกใช้เป็นแหล่งความร้อนในการดำเนินการก่อนการเชื่อมหรือหลังการเชื่อมในระหว่างกระบวนการเชื่อม และอีกลำแสงหนึ่ง ใช้เพื่อสร้างรูเล็กๆ สำหรับประเภทที่ 3 การศึกษาพบว่าคานทั้งสองก่อให้เกิดรูกุญแจ รูเล็กไม่ยุบง่าย และการเชื่อมไม่ทำให้เกิดรูพรุนง่าย
2. อิทธิพลของกระบวนการเชื่อมต่อคุณภาพการเชื่อม
ผลของอัตราส่วนพลังงานลำแสงอนุกรมต่อการเกิดรอยเชื่อม
เมื่อกำลังเลเซอร์ 2kW ความเร็วในการเชื่อมคือ 45 มม./วินาที ปริมาณการพร่ามัวคือ 0 มม. และระยะห่างของลำแสงคือ 3 มม. รูปร่างพื้นผิวการเชื่อมเมื่อเปลี่ยน RS (RS= 0.50, 0.67, 1.50, 2.00) จะเป็นดังนี้ แสดงในรูป เมื่อ RS=0.50 และ 2.00 รอยเชื่อมจะเว้าแหว่งมากขึ้น และมีการกระเด็นบนขอบของรอยเชื่อมมากขึ้น โดยไม่สร้างรูปแบบเกล็ดปลาตามปกติ เนื่องจากเมื่ออัตราส่วนพลังงานลำแสงน้อยเกินไปหรือใหญ่เกินไป พลังงานเลเซอร์มีความเข้มข้นมากเกินไป ส่งผลให้รูเข็มเลเซอร์สั่นอย่างรุนแรงมากขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อม และแรงดันหดตัวของไอน้ำทำให้เกิดการดีดตัวและการกระเด็นของสารหลอมเหลว สระโลหะในสระหลอมเหลว การป้อนความร้อนที่มากเกินไปทำให้ความลึกของการเจาะทะลุของสระหลอมเหลวที่ด้านอลูมิเนียมอัลลอยด์มีมากเกินไป ทำให้เกิดภาวะซึมเศร้าภายใต้การกระทำของแรงโน้มถ่วง เมื่อ RS=0.67 และ 1.50 รูปแบบเกล็ดปลาบนพื้นผิวการเชื่อมจะสม่ำเสมอ รูปร่างของการเชื่อมจะสวยงามยิ่งขึ้น และไม่มีรอยแตกร้อนจากการเชื่อมที่มองเห็นได้ รูพรุน และข้อบกพร่องในการเชื่อมอื่น ๆ บนพื้นผิวการเชื่อม รูปร่างหน้าตัดของรอยเชื่อมที่มีอัตราส่วนพลังงานลำแสงต่างกัน RS ดังแสดงในรูป หน้าตัดของรอยเชื่อมอยู่ใน "รูปทรงแก้วไวน์" โดยทั่วไป ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการเชื่อมดำเนินการในโหมดการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์ RS มีอิทธิพลสำคัญต่อความลึกในการเจาะ P2 ของรอยเชื่อมที่ด้านอะลูมิเนียมอัลลอยด์ เมื่ออัตราส่วนพลังงานลำแสง RS=0.5, P2 จะเท่ากับ 1203.2 ไมครอน เมื่ออัตราส่วนพลังงานลำแสงเท่ากับ RS=0.67 และ 1.5 P2 จะลดลงอย่างมาก ซึ่งอยู่ที่ 403.3 ไมครอน และ 93.6 ไมครอน ตามลำดับ เมื่ออัตราส่วนพลังงานลำแสงคือ RS=2 ความลึกของการเจาะเชื่อมของหน้าตัดของรอยต่อคือ 1151.6 ไมครอน
ผลของอัตราส่วนพลังงานลำแสงคู่ขนานต่อการเกิดรอยเชื่อม
เมื่อกำลังเลเซอร์อยู่ที่ 2.8kW ความเร็วในการเชื่อมคือ 33 มม./วินาที ปริมาณการพร่ามัวคือ 0 มม. และระยะห่างของลำแสงคือ 1 มม. พื้นผิวการเชื่อมจะได้มาจากการเปลี่ยนอัตราส่วนพลังงานของลำแสง (RS=0.25, 0.5, 0.67, 1.5 , 2, 4) ลักษณะที่ปรากฏจะแสดงในรูป เมื่อ RS=2 รูปแบบเกล็ดปลาบนพื้นผิวของรอยเชื่อมจะค่อนข้างไม่สม่ำเสมอ พื้นผิวของรอยเชื่อมที่ได้จากอัตราส่วนพลังงานลำแสงที่แตกต่างกันอีกห้าส่วนนั้นถูกสร้างขึ้นอย่างดี และไม่มีข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ เช่น รูพรุนและการกระเด็น ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับคานคู่แบบอนุกรมการเชื่อมด้วยเลเซอร์พื้นผิวการเชื่อมโดยใช้คานคู่ขนานมีความสม่ำเสมอและสวยงามมากขึ้น เมื่อ RS=0.25 จะเกิดการยุบตัวเล็กน้อยในแนวเชื่อม เมื่ออัตราส่วนพลังงานของลำแสงค่อยๆ เพิ่มขึ้น (RS=0.5, 0.67 และ 1.5) พื้นผิวของการเชื่อมจะสม่ำเสมอและไม่มีการกดทับเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วนพลังงานของลำแสงเพิ่มขึ้นอีก ( RS=1.50, 2.00) แต่มีรอยกดบนพื้นผิวของรอยเชื่อม เมื่ออัตราส่วนพลังงานลำแสง RS=0.25, 1.5 และ 2 รูปร่างหน้าตัดของการเชื่อมจะเป็น "รูปทรงแก้วไวน์"; เมื่อ RS=0.50, 0.67 และ 1 รูปร่างหน้าตัดของการเชื่อมจะเป็น “รูปทรงกรวย” เมื่อ RS=4 ไม่เพียงแต่จะเกิดรอยแตกร้าวที่ด้านล่างของแนวเชื่อม แต่ยังมีรูพรุนบางส่วนเกิดขึ้นที่ส่วนกลางและส่วนล่างของแนวเชื่อมอีกด้วย เมื่อ RS=2 รูพรุนของกระบวนการขนาดใหญ่จะปรากฏขึ้นภายในรอยเชื่อม แต่ไม่มีรอยแตกปรากฏ เมื่อ RS = 0.5, 0.67 และ 1.5 ความลึกของการเจาะ P2 ของรอยเชื่อมที่ด้านอลูมิเนียมอัลลอยด์มีขนาดเล็กลง และหน้าตัดของรอยเชื่อมนั้นขึ้นรูปได้ดีและไม่มีข้อบกพร่องในการเชื่อมที่ชัดเจน สิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนพลังงานของลำแสงระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ลำแสงคู่แบบคู่ขนานยังส่งผลกระทบที่สำคัญต่อการเจาะทะลุของรอยเชื่อมและข้อบกพร่องในการเชื่อมอีกด้วย
ลำแสงคู่ขนาน – ผลของระยะห่างของลำแสงต่อการเกิดรอยเชื่อม
เมื่อกำลังเลเซอร์อยู่ที่ 2.8kW ความเร็วในการเชื่อมคือ 33 มม./วินาที ปริมาณการพร่ามัวคือ 0 มม. และอัตราส่วนพลังงานลำแสง RS=0.67 ให้เปลี่ยนระยะห่างของลำแสง (d=0.5 มม., 1 มม., 1.5 มม., 2 มม.) เพื่อให้ได้ สัณฐานวิทยาของพื้นผิวเชื่อมตามภาพที่แสดง เมื่อ d = 0.5 มม., 1 มม., 1.5 มม., 2 มม. พื้นผิวของการเชื่อมจะเรียบและเรียบและรูปร่างก็สวยงาม รูปแบบเกล็ดปลาของรอยเชื่อมมีความสม่ำเสมอและสวยงาม และไม่มีรูขุมขน รอยแตก และข้อบกพร่องอื่น ๆ ที่มองเห็นได้ ดังนั้นภายใต้เงื่อนไขระยะห่างของลำแสงทั้งสี่ พื้นผิวการเชื่อมจึงถูกสร้างขึ้นอย่างดี นอกจากนี้ เมื่อ d=2 มม. จะเกิดรอยเชื่อมสองแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลำแสงเลเซอร์คู่ขนานสองลำไม่ทำหน้าที่บนสระหลอมเหลวอีกต่อไป และไม่สามารถสร้างการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์ลำแสงคู่ที่มีประสิทธิภาพได้ เมื่อระยะห่างของลำแสงอยู่ที่ 0.5 มม. รอยเชื่อมจะเป็น "รูปทรงกรวย" ความลึกของการเจาะ P2 ของรอยเชื่อมที่ด้านอลูมิเนียมอัลลอยด์คือ 712.9 ไมครอน และไม่มีรอยแตก รูพรุน และข้อบกพร่องอื่น ๆ ภายในรอยเชื่อม เนื่องจากระยะห่างของลำแสงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความลึกของการเจาะ P2 ของรอยเชื่อมที่ด้านอะลูมิเนียมอัลลอยด์จะลดลงอย่างมาก เมื่อระยะห่างของลำแสงอยู่ที่ 1 มม. ความลึกของการเจาะทะลุของรอยเชื่อมด้านอลูมิเนียมอัลลอยด์จะอยู่ที่ 94.2 ไมครอนเท่านั้น เมื่อระยะห่างของลำแสงเพิ่มขึ้น การเชื่อมจะไม่ก่อให้เกิดการเจาะทะลุด้านอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นเมื่อระยะห่างของลำแสงคือ 0.5 มม. เอฟเฟกต์การรวมตัวของลำแสงคู่จะดีที่สุด เมื่อระยะห่างของลำแสงเพิ่มขึ้น ความร้อนจากการเชื่อมจะลดลงอย่างรวดเร็ว และเอฟเฟกต์การรวมตัวของเลเซอร์สองลำแสงจะค่อยๆ แย่ลง
ความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาของการเชื่อมมีสาเหตุมาจากการไหลและการแข็งตัวของความเย็นที่แตกต่างกันของสระหลอมเหลวในระหว่างกระบวนการเชื่อม วิธีการจำลองเชิงตัวเลขไม่เพียงแต่ทำให้การวิเคราะห์ความเครียดของแหล่งหลอมเหลวเข้าใจง่ายขึ้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนการทดลองอีกด้วย ภาพด้านล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงในสระหลอมด้านข้างด้วยลำแสงเดี่ยว การจัดเรียงที่แตกต่างกัน และระยะห่างของจุด ข้อสรุปหลักได้แก่: (1) ระหว่างคานเดี่ยวการเชื่อมด้วยเลเซอร์กระบวนการ ความลึกของหลุมสระน้ำหลอมเหลวนั้นลึกที่สุด มีปรากฏการณ์การยุบตัวของหลุม ผนังหลุมไม่สม่ำเสมอ และการกระจายของสนามการไหลใกล้กับผนังหลุมไม่สม่ำเสมอ ใกล้พื้นผิวด้านหลังของสระหลอมเหลว การไหลกลับมีความแข็งแรงและมีการไหลย้อนกลับขึ้นที่ด้านล่างของสระหลอมเหลว การกระจายสนามการไหลของสระหลอมเหลวที่พื้นผิวค่อนข้างสม่ำเสมอและช้า และความกว้างของสระหลอมเหลวไม่สม่ำเสมอตามทิศทางความลึก มีการรบกวนที่เกิดจากแรงดันหดตัวของผนังในสระหลอมเหลวระหว่างรูเล็กๆ ในคานคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์และมันคงอยู่ตามทิศทางความลึกของรูเล็กๆ เสมอ เมื่อระยะห่างระหว่างลำแสงทั้งสองยังคงเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงจะค่อยๆ เปลี่ยนจากจุดสูงสุดเดียวไปเป็นสถานะจุดสูงสุดสองเท่า มีค่าต่ำสุดระหว่างยอดเขาทั้งสอง และความหนาแน่นของพลังงานจะค่อยๆ ลดลง (2) สำหรับลำแสงคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์เมื่อระยะห่างระหว่างจุดคือ 0-0.5 มม. ความลึกของรูเล็ก ๆ ของสระหลอมเหลวจะลดลงเล็กน้อย และพฤติกรรมการไหลของสระหลอมเหลวโดยรวมจะคล้ายกับของคานเดี่ยวการเชื่อมด้วยเลเซอร์- เมื่อระยะห่างจุดมากกว่า 1 มม. รูเล็ก ๆ จะถูกแยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์ และในระหว่างกระบวนการเชื่อม เลเซอร์ทั้งสองแทบจะไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน ซึ่งเทียบเท่ากับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ลำแสงเดี่ยวแบบขนานสองครั้งติดต่อกันด้วยกำลัง 1750W แทบไม่มีผลกระทบจากการอุ่นเครื่อง และพฤติกรรมการไหลของสระน้ำหลอมเหลวก็คล้ายคลึงกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ลำแสงเดี่ยว (3) เมื่อระยะห่างระหว่างจุดคือ 0.5-1 มม. พื้นผิวผนังของรูเล็ก ๆ จะเรียบขึ้นในการจัดเรียงทั้งสอง ความลึกของรูเล็ก ๆ จะค่อยๆ ลดลง และด้านล่างจะค่อยๆ แยกออก การรบกวนระหว่างรูเล็กๆ และการไหลของสระหลอมเหลวที่พื้นผิวอยู่ที่ 0.8 มม. ที่แข็งแกร่งที่สุด สำหรับการเชื่อมแบบอนุกรม ความยาวของสระหลอมเหลวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ความกว้างจะใหญ่ที่สุดเมื่อระยะห่างของจุดคือ 0.8 มม. และผลการอุ่นจะชัดเจนที่สุดเมื่อระยะห่างของจุดคือ 0.8 มม. ผลของแรง Marangoni จะค่อยๆ ลดลง และของเหลวที่เป็นโลหะจะไหลไปยังทั้งสองด้านของสระหลอมเหลวมากขึ้น ทำให้การกระจายความกว้างของหลอมเหลวมีความสม่ำเสมอมากขึ้น สำหรับการเชื่อมแบบขนาน ความกว้างของสระหลอมเหลวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และความยาวสูงสุดที่ 0.8 มม. แต่ไม่มีผลในการอุ่นเครื่อง การรีโฟลว์ใกล้พื้นผิวที่เกิดจากแรง Marangoni นั้นมีอยู่เสมอ และการรีโฟลว์ด้านล่างที่ด้านล่างของรูเล็ก ๆ จะค่อยๆหายไป สนามการไหลแบบตัดขวางไม่ดีเท่าที่มีความแข็งแรงแบบอนุกรม การรบกวนแทบจะไม่ส่งผลกระทบต่อการไหลทั้งสองด้านของสระหลอมเหลว และความกว้างของหลอมเหลวมีการกระจายไม่สม่ำเสมอ
เวลาโพสต์: 12 ต.ค. 2023
