ความรู้เกี่ยวกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ หัวข้อที่สอง: การเชื่อมแบบแกว่งด้วยเลเซอร์ – การควบคุมข้อบกพร่อง

เลเซอร์เป็นเครื่องมือประมวลผลขั้นสูงที่มีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านการเชื่อมโลหะในอุตสาหกรรม แม้ว่าเทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์แบบดั้งเดิมจะสามารถควบคุมข้อบกพร่องเหล่านี้ได้ในระดับหนึ่ง แต่ผลลัพธ์มักถูกจำกัดด้วยพารามิเตอร์และกระบวนการเชื่อมที่ตายตัว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การปรากฏตัวของเทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์แบบแกว่งได้นำเสนอทางออกใหม่สำหรับการควบคุมข้อบกพร่องในการเชื่อม โดยการนำการแกว่งของลำแสงเลเซอร์มาใช้ในระหว่างกระบวนการเชื่อม เทคโนโลยีนี้สามารถปรับปรุงคุณลักษณะไดนามิกของบ่อหลอมโลหะได้อย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมให้ดียิ่งขึ้น เทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์แบบแกว่งนั้นอาศัยการควบคุมลำแสงเลเซอร์อย่างแม่นยำและเทคโนโลยีการแกว่งเป็นหลัก เพื่อให้ได้การเชื่อมที่มีประสิทธิภาพและคุณภาพสูง

ปรับปรุงรูปลักษณ์:

ระหว่างกระบวนการเชื่อมลำแสงเลเซอร์จะถูกแกว่งอย่างรวดเร็วและแม่นยำเพื่อให้ครอบคลุมพื้นที่เชื่อมทั้งหมด เมื่อลำแสงเคลื่อนที่ไปตามทิศทางการเชื่อม มันจะสั่นในรูปแบบต่างๆ เช่น วงกลม รูปเลข 8 และเกลียว Chen และคณะได้ใช้เลเซอร์แบบแกว่งในการเชื่อมโลหะผสมอะลูมิเนียมต่างชนิดกัน และเมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมโดยไม่ใช้เลเซอร์แบบแกว่ง พบว่ารูปร่างของรอยเชื่อมด้านหน้าและด้านหลังของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งนั้นดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด นอกจากนี้ การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งในแนวขวางยังช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับตัวของช่องว่างในร่องได้อีกด้วย ในชิ้นงานที่มีการเชื่อมต่อที่เป็นตัวนำไฟฟ้าบางชนิด จำเป็นต้องขยายพื้นที่กระแสเกิน และจำเป็นต้องขยายพื้นผิวการเชื่อมต่อโลหะ จึงจำเป็นต้องใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งเพื่อให้พื้นผิวการเชื่อมต่อโลหะมีรูปร่างเป็นตัว “U”

1. (a) และ (b) สถิติของรูปร่างหน้าตัดรอยเชื่อมและขนาดรอยเชื่อมภายใต้โหมดการแกว่งที่แตกต่างกัน (c) การขึ้นรูปพื้นผิวด้านบนของรอยเชื่อมภายใต้โหมดการแกว่งที่แตกต่างกัน

ปรับปรุงการเชื่อมติดผนังด้านข้างที่ไม่ดี:

ปัญหาการไม่หลอมรวมของผนังด้านข้างเกิดขึ้นได้ง่ายในการเชื่อมเลเซอร์แบบช่องแคบแบบดั้งเดิมสำหรับแผ่นโลหะหนาปานกลาง ซึ่งเกิดจากการกระจายพลังงานเลเซอร์ที่ไม่สม่ำเสมอในบริเวณปากร่อง ทำให้ความร้อนที่บริเวณกลางร่องมีมาก ในขณะที่ความร้อนที่ผนังด้านข้างของร่องมีน้อย ส่งผลให้การเชื่อมไม่เป็นไปอย่างราบรื่น มาตรการสำคัญในการแก้ปัญหาการไม่หลอมรวมของผนังด้านข้างคือการเพิ่มความร้อนที่ส่งไปยังผนังด้านข้าง ในกระบวนการเชื่อมเลเซอร์ การกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์บนพื้นผิวชิ้นงานอย่างเหมาะสมยิ่งขึ้นสามารถทำได้โดยการปรับการแกว่งของลำแสง เมื่อความกว้างของร่องเปลี่ยนไป จะต้องปรับแอมพลิจูดของการแกว่งของลำแสงให้ตรงกับความกว้างของร่อง เพื่อให้เกิดการส่งความร้อนไปยังผนังด้านข้างอย่างมีประสิทธิภาพ

2. ภาพมาโครของรอยเชื่อมตั้งแต่ชั้นแรก (L1) ถึงชั้นที่เจ็ด (L7) สำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์โดยมีหรือไม่มีการสั่น

ลดข้อบกพร่องของรูพรุน:

กลไกการยับยั้งการแกว่งของเลเซอร์ต่อรูพรุนในการเชื่อมนั้นสามารถอธิบายได้จากการปรับปรุงเสถียรภาพของรูเล็กๆ และการปรับปรุงการไหลของโลหะเหลว รูปที่ 3 แสดงพฤติกรรมการไหลของบ่อหลอมเหลวที่แสดงโดยอนุภาคติดตามในระหว่างกระบวนการเชื่อม การแกว่งของลำแสงทำให้รูเล็กๆ เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนวนด้วยความถี่สูงและความเร็วสูง ซึ่งส่งเสริมการไหลล้นของฟองอากาศและมีผล "ดักจับ" รูพรุนที่แข็งตัว ในขณะเดียวกัน การแกว่งของลำแสงจะเพิ่มพื้นที่ของรูเล็กๆ และลดโอกาสที่รูจะยุบตัวเนื่องจากความไม่เสถียรจนเกิดฟองอากาศ

3. (a) และ (b) วิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคติดตามระหว่างการเชื่อม; พื้นที่เปิดรูเจาะ: (c) ไม่มีเลเซอร์แกว่ง (d) เลเซอร์แกว่ง

ลดความเสียหายจากรอยแตก:

รอยแตกร้าวจากความร้อนเป็นข้อบกพร่องชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการเชื่อม เนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ของความเค้นภายในและปัจจัยทางโลหะวิทยา ซึ่งมักพบในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ของการเชื่อม การเกิดรอยแตกร้าวดังกล่าวเกี่ยวข้องกับความเปราะบางของวัสดุที่อุณหภูมิสูง ความเค้นในการเชื่อม และองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความร้อนในกระบวนการเชื่อมได้ โดยสาเหตุหลักมีดังนี้: ประการแรก เนื่องจากพลังงานที่ป้อนเข้าไปในการเชื่อมด้วยเลเซอร์สูง ส่งผลให้บริเวณเชื่อมร้อนและเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิและความเค้นจากความร้อนสูง ประการที่สอง ปฏิกิริยาทางโลหะวิทยาในกระบวนการเชื่อมอาจนำไปสู่การแยกตัวของธาตุเจือปนที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ทำให้เกิดเฟสที่เปราะบางและเพิ่มความไวต่อการเกิดรอยแตกร้าว ประการสุดท้าย การแข็งตัวอย่างรวดเร็วของวัสดุอาจนำไปสู่ความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค และทิศทางการเติบโตของผลึกทรงแท่งจะจากบริเวณหลอมเหลวไปยังศูนย์กลาง ดังแสดงในรูปที่ 4 ในกรณีนี้ ความไวต่อการเกิดรอยแตกร้าวจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

4. โหมดการแข็งตัวของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ (ก) การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม (ข) การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่ง

เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบสั่นสามารถลดหรือขจัดปัญหาการแตกร้าวจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการใช้ลำแสงเลเซอร์แบบสั่น ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบสั่น การสั่นเป็นช่วงๆ ของลำแสงเลเซอร์จะช่วยส่งเสริมการไหลของโลหะในบ่อหลอม ทำให้โครงสร้างจุลภาคมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และเกรนจะเติบโตแบบแกนร่วมในใจกลางบ่อหลอม ดังแสดงในรูปที่ 5 เกรนแบบแกนร่วมเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันการล1ามของรอยแตก และทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนเพื่อป้องกันการล1ามของรอยแตกเพิ่มเติม ในขณะเดียวกัน เลเซอร์แบบสั่นยังช่วยลดการเกิดเฟสเปราะเนื่องจากการแยกตัวของส่วนประกอบ ลดความเสี่ยงของการแตกร้าวจากความร้อน

5. (A) ลักษณะโครงสร้างจุลภาคของการแข็งตัวของรอยเชื่อมเลเซอร์แบบดั้งเดิม (B) ลักษณะโครงสร้างจุลภาคของการแข็งตัวของรอยเชื่อมเลเซอร์แบบแกว่ง (ทวนเข็มนาฬิกา)

เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบหลอมรวมเอง เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งได้รับการยอมรับว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดแนวโน้มการเกิดรูพรุนและปรับปรุงข้อบกพร่องต่างๆ เช่น การไม่หลอมรวมของผนังด้านข้าง เนื่องจากผลของการกวนของลำแสงต่อบ่อหลอมเหลว จึงมีข้อดีอย่างมากในการปรับปรุงความพอดีของช่องว่าง ปรับปรุงความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค และปรับปรุงขนาดของเกรน การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบแกว่งจะทำให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นที่นิยมมากขึ้น และสามารถบรรลุการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงและมีประสิทธิภาพสำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่และรอยเชื่อมที่กว้างขึ้น กล่าวคือ ความแม่นยำของกระบวนการพื้นฐานและการประกอบของผลิตภัณฑ์จะผ่อนคลายลง