สารานุกรมฉบับย่อ: หลักการและการประยุกต์ใช้กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์
ระดับพลังงาน
สสารประกอบด้วยอะตอม และอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส พลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมนั้นไม่ใช่ค่าสุ่ม
กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งอธิบายโลกในระดับจุลภาค บอกเราว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานคงที่ ระดับพลังงานที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับพลังงานของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน กล่าวคือ วงโคจรที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสจะมีพลังงานสูงกว่า
นอกจากนี้ วงโคจรแต่ละวงยังสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้จำนวนสูงสุดที่กำหนดไว้ ตัวอย่างเช่น วงโคจรต่ำสุด (ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด) สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 ตัว ในขณะที่วงโคจรที่สูงกว่าสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 8 ตัว และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป
การเปลี่ยนผ่าน
อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งได้โดยการดูดซับหรือปล่อยพลังงาน
ตัวอย่างเช่น เมื่ออิเล็กตรอนดูดซับโฟตอน มันอาจกระโดดจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานสูง ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงสามารถลดระดับลงไปสู่ระดับพลังงานต่ำได้โดยการปล่อยโฟตอน
ในกระบวนการเหล่านี้ พลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดกลืนหรือปล่อยออกมาจะเท่ากับผลต่างพลังงานระหว่างสองระดับเสมอ เนื่องจากพลังงานของโฟตอนเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่นของแสง ดังนั้นแสงที่ถูกดูดกลืนหรือปล่อยออกมาจึงมีสีคงที่
หลักการสร้างเลเซอร์
การดูดซึมที่ถูกกระตุ้น
การดูดกลืนแบบกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่ออะตอมในสถานะพลังงานต่ำดูดซับรังสีจากภายนอกและเปลี่ยนไปสู่สถานะพลังงานสูง อิเล็กตรอนสามารถกระโดดจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานสูงได้โดยการดูดซับโฟตอน
การปล่อยตัวแบบกระตุ้น
การปล่อยแสงแบบกระตุ้น หมายความว่า อิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูง ภายใต้ "การกระตุ้น" หรือ "การเหนี่ยวนำ" ของโฟตอน จะเปลี่ยนระดับพลังงานไปสู่ระดับพลังงานต่ำ และปล่อยโฟตอนที่มีความถี่เดียวกันกับโฟตอนที่ตกกระทบ
คุณสมบัติสำคัญของการปล่อยแสงแบบกระตุ้นคือ โฟตอนที่เกิดขึ้นใหม่นั้นเหมือนกับโฟตอนดั้งเดิมทุกประการ: ความถี่เดียวกัน ทิศทางเดียวกัน และแยกแยะไม่ได้เลย ในลักษณะนี้ โฟตอนหนึ่งตัวจะกลายเป็นโฟตอนที่เหมือนกันสองตัวผ่านกระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้นเพียงครั้งเดียว ซึ่งหมายความว่าแสงจะถูกทำให้แรงขึ้นหรือขยายให้ใหญ่ขึ้น ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการสร้างเลเซอร์
การปล่อยโดยธรรมชาติ
การปล่อยแสงโดยธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงลดระดับพลังงานลงสู่ระดับที่ต่ำกว่าโดยไม่มีอิทธิพลภายนอก ทำให้เกิดการปล่อยแสง (รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า) ในระหว่างการเปลี่ยนระดับพลังงาน พลังงานของโฟตอนคือ E = E2 − E1 ซึ่งเป็นผลต่างของพลังงานระหว่างสองระดับ
เงื่อนไขสำหรับการสร้างเลเซอร์
ตัวกลางเพิ่มกำลังเลเซอร์
การสร้างเลเซอร์ต้องใช้ตัวกลางเพิ่มกำลังที่เหมาะสม ซึ่งอาจเป็นก๊าซ ของเหลว ของแข็ง หรือสารกึ่งตัวนำ หัวใจสำคัญคือการทำให้เกิดการผกผันของประชากรในตัวกลาง ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเกิดเลเซอร์ ระดับพลังงานที่ไม่เสถียรนั้นมีประโยชน์อย่างมากต่อการผกผันของประชากร
แหล่งสูบน้ำ
เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร ระบบอะตอมจะต้องถูกกระตุ้นให้มีจำนวนอนุภาคในระดับพลังงานสูงขึ้น
วิธีการทั่วไปได้แก่:
- การสูบจ่ายด้วยไฟฟ้า: การปล่อยก๊าซโดยใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์สูง
- การปั๊มด้วยแสง: การฉายรังสีด้วยแหล่งกำเนิดแสงแบบพัลส์
- การสูบน้ำด้วยความร้อน การสูบน้ำด้วยสารเคมี เป็นต้น
วิธีการเหล่านี้โดยรวมเรียกว่าการสูบฉีด การสูบฉีดอย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาระดับอนุภาคที่ระดับบนให้มากกว่าระดับล่าง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์เลเซอร์ที่เสถียร
ตัวเรโซเนเตอร์
ด้วยตัวกลางขยายสัญญาณและแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสม การผกผันของประชากรสามารถเกิดขึ้นได้ แต่ความเข้มของการปล่อยแสงแบบกระตุ้นนั้นอ่อนเกินไปสำหรับการใช้งานจริง จำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณเพิ่มเติม ซึ่งทำได้โดยใช้ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสง
ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงประกอบด้วยกระจกสะท้อนแสงสูงสองบานที่วางขนานกันที่ปลายทั้งสองด้านของเลเซอร์:
- กระจกสะท้อนภาพทั้งหมดหนึ่งบาน
- กระจกสะท้อนแสงบางส่วนและกระจกส่งผ่านแสงบางส่วน
กระจกสะท้อนสมบูรณ์จะสะท้อนแสงตกกระทบทั้งหมดกลับไปตามเส้นทางเดิม ในขณะที่กระจกสะท้อนบางส่วนจะสะท้อนโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดกลับเข้าไปในตัวกลาง ส่วนโฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าเกณฑ์จะส่งผ่านไปเป็นแสงเลเซอร์ที่ขยายแล้ว
แสงสั่นไหวไปมาในตัวเรโซเนเตอร์ ก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ขยายตัวเหมือนหิมะถล่มจนเกิดเป็นแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง
โคมไฟปั๊มคืออะไร?
หลอดซีนอนเป็นหลอดปล่อยประจุไฟฟ้าแบบใช้ก๊าซเฉื่อย โดยทั่วไปมีรูปทรงเป็นท่อตรง ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า ท่อควอตซ์ และก๊าซซีนอน (Xe) บรรจุอยู่ภายใน
ขั้วไฟฟ้าทำจากโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง ประสิทธิภาพการปล่อยอิเล็กตรอนสูง และการกระเด็นต่ำ หลอดไฟทำจากกระจกควอตซ์ที่มีความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และมีการส่งผ่านแสงสูง บรรจุด้วยก๊าซซีนอน
แท่งเลเซอร์ Nd:YAG คืออะไร?
Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet) เป็นวัสดุเลเซอร์แบบแข็งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
YAG เป็นผลึกทรงลูกบาศก์ที่มีความแข็งสูง คุณภาพทางแสงดีเยี่ยม และการนำความร้อนสูง ไอออนนีโอดีเมียมไตรวาเลนต์จะเข้าไปแทนที่ไอออนอิตเทรียมไตรวาเลนต์บางส่วนในโครงผลึก จึงเป็นที่มาของชื่อ อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนตที่เจือด้วยนีโอดีเมียม (neodymium-doped yttrium aluminum garnet)
คุณลักษณะของเลเซอร์
ความสอดคล้องที่ดี
แสงจากแหล่งกำเนิดแสงทั่วไปมีทิศทาง เฟส และจังหวะเวลาที่ไม่แน่นอน และไม่สามารถโฟกัสไปยังจุดเดียวได้แม้จะใช้เลนส์ก็ตาม
แสงเลเซอร์มีความสอดคล้องกันสูงมาก กล่าวคือ มีความถี่บริสุทธิ์ แพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกันด้วยเฟสที่สมบูรณ์แบบ และสามารถโฟกัสไปยังจุดเล็กๆ ที่มีพลังงานเข้มข้นสูงได้
การระบุทิศทางที่ยอดเยี่ยม
เลเซอร์มีคุณสมบัติในการกำหนดทิศทางได้ดีกว่าแหล่งกำเนิดแสงอื่นๆ มาก โดยมีลักษณะเกือบเหมือนลำแสงขนาน แม้จะเล็งไปที่ดวงจันทร์ (ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 384,000 กิโลเมตร) เส้นผ่านศูนย์กลางของจุดลำแสงก็มีเพียงประมาณ 2 กิโลเมตรเท่านั้น
ความเป็นโมโนโครมที่ดี
แสงเลเซอร์ที่เกิดจากการปล่อยแสงแบบกระตุ้นมีช่วงความถี่แคบมาก กล่าวโดยง่ายคือ เลเซอร์มีคุณสมบัติความเป็นเอกสีที่ดีเยี่ยม — “สี” ของมันบริสุทธิ์มาก คุณสมบัติความเป็นเอกสีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานประมวลผลด้วยเลเซอร์
ความสว่างสูง
การเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการกำหนดทิศทางที่ดีเยี่ยมและความหนาแน่นของพลังงานสูงของลำแสงเลเซอร์ โดยเลเซอร์จะถูกโฟกัสไปยังพื้นที่เล็กๆ ผ่านระบบออปติคอล ทำให้เกิดแหล่งความร้อนที่มีความเข้มข้นสูงในเวลาอันสั้น ส่งผลให้วัสดุหลอมละลายและเกิดเป็นรอยเชื่อมและแนวเชื่อมที่แข็งแรง
ข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์
เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเชื่อมแบบอื่นๆ การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อดีดังนี้:
- การเชื่อมแบบนี้มีความเข้มข้นของพลังงานสูง ประสิทธิภาพการเชื่อมสูง ความแม่นยำสูง และอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมสูง
- ใช้ความร้อนต่ำ พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก ความเครียดตกค้างและการเสียรูปน้อยที่สุด
- การเชื่อมแบบไม่สัมผัส การส่งสัญญาณผ่านใยแก้วนำแสงที่ยืดหยุ่น การเข้าถึงที่สะดวก และระบบอัตโนมัติสูง
- การออกแบบข้อต่อที่ยืดหยุ่น ช่วยประหยัดวัตถุดิบ
- พลังงานที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ผลการเชื่อมที่เสถียร และรอยเชื่อมที่สวยงาม
กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับวัสดุโลหะ
สแตนเลสสตีล
- สามารถได้ผลลัพธ์ที่ดีได้ด้วยพัลส์รูปคลื่นสี่เหลี่ยมธรรมดา
- ออกแบบรอยเชื่อมให้ห่างจากวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ
- ควรเว้นพื้นที่เชื่อมและขนาดความหนาของชิ้นงานให้เพียงพอ เพื่อความแข็งแรงและรูปลักษณ์ที่สวยงาม
- ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นงานสะอาดและสภาพแวดล้อมแห้งขณะทำการเชื่อม
โลหะผสมอลูมิเนียม
- การสะท้อนแสงสูงต้องการกำลังสูงสุดของเลเซอร์สูง
- มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวระหว่างการเชื่อมจุดด้วยแรงกระตุ้น ทำให้ความแข็งแรงลดลง
- ส่วนประกอบของวัสดุอาจทำให้เกิดการกระเด็นได้ ควรใช้วัตถุดิบคุณภาพสูง
- จะได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าหากใช้ขนาดจุดแสงขนาดใหญ่และความกว้างของพัลส์ที่ยาว
ทองแดงและโลหะผสมทองแดง
- มีค่าการสะท้อนแสงสูงกว่าอะลูมิเนียม จึงต้องใช้กำลังเลเซอร์สูงสุดที่สูงกว่ามาก
- ควรเอียงหัวเลเซอร์ทำมุมเล็กน้อย
- โลหะผสมทองแดง (เช่น ทองเหลือง คิวโปรนิกเกิล เป็นต้น) เชื่อมยากกว่าเนื่องจากมีธาตุผสมอยู่ จึงต้องเลือกพารามิเตอร์อย่างระมัดระวัง
ข้อบกพร่องทั่วไปในการเชื่อมด้วยเลเซอร์และวิธีแก้ไข
การตั้งค่าพารามิเตอร์ที่ไม่ถูกต้องหรือการใช้งานที่ไม่เหมาะสม มักทำให้เกิดข้อบกพร่องในการเชื่อม ซึ่งรวมถึง:
- การกระเด็นบนพื้นผิว
- รูพรุนภายในรอยเชื่อม
- รอยแตกจากการเชื่อม
- การเสียรูปจากการเชื่อม
เศษโลหะจากการเชื่อม
การกระเด็นของโลหะส่วนใหญ่เกิดจากความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ที่สูงเกินไป กล่าวคือ ชิ้นงานดูดซับพลังงานมากเกินไปในเวลาอันสั้น ส่งผลให้วัสดุระเหยอย่างรุนแรงและเกิดปฏิกิริยาหลอมเหลวอย่างรุนแรง
เศษโลหะกระเด็นทำให้รูปลักษณ์ภายนอกเสียหาย ความแม่นยำในการประกอบลดลง และความแข็งแรงของการเชื่อมลดลง
สาเหตุ
- กำลังสูงสุดของเลเซอร์สูงเกินไป
- รูปแบบคลื่นการเชื่อมที่ไม่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง
- การแยกตัวของวัสดุส่งผลให้เกิดการดูดซับพลังงานสูงเฉพาะจุด
- สิ่งปนเปื้อนหรือสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะบนพื้นผิวชิ้นงาน
- สารที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่อยู่ระหว่างหรือใต้ชิ้นงาน จะก่อให้เกิดก๊าซในระหว่างการเชื่อม
- โครงสร้างกลวงปิดที่ทำให้เกิดการขยายตัวของก๊าซและการกระเด็น
โซลูชัน
- ปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม: ลดกำลังสูงสุด หรือใช้รูปคลื่นแบบสไปค์
- ใช้วัตถุดิบคุณภาพสูงที่ได้มาตรฐาน
- เพิ่มประสิทธิภาพการทำความสะอาดก่อนการเชื่อมเพื่อขจัดน้ำมันและสิ่งสกปรก
- ออกแบบโครงสร้างการเชื่อมให้เหมาะสมที่สุด
ความพรุนภายใน
รูพรุนเป็นข้อบกพร่องที่พบได้บ่อยที่สุดในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ วงจรความร้อนที่รวดเร็วและอายุการหลอมเหลวที่สั้นทำให้ก๊าซไม่สามารถระบายออกได้ ส่งผลให้เกิดรูพรุน
ประเภทที่พบได้ทั่วไป: รูพรุนไฮโดรเจน รูพรุนคาร์บอนมอนอกไซด์ และรูพรุนยุบตัวแบบกุญแจ
รอยแตกจากการเชื่อม
รอยแตกจะลดความแข็งแรงและอายุการใช้งานของรอยเชื่อมลงอย่างมาก การเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ให้ความร้อนและเย็นตัวอย่างรวดเร็วจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดรอยแตก
รอยแตกจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่เป็นรอยแตกที่เกิดจากความร้อน ซึ่งพบได้ทั่วไปในโลหะผสมอะลูมิเนียมและเหล็กกล้าคาร์บอนสูง/เหล็กกล้าผสมสูง
การป้องกัน
- สำหรับวัสดุที่เปราะบาง ให้เพิ่มรูปแบบคลื่นความร้อนก่อนการขึ้นรูปและการทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อลดการแตกร้าว
- ออกแบบรอยต่อให้เหมาะสมเพื่อลดความเค้นในการเชื่อม
- เลือกวัสดุที่มีแนวโน้มการแตกร้าวต่ำกว่าเมื่อใช้งานในประสิทธิภาพที่เทียบเท่ากัน
การเสียรูปจากการเชื่อม
การเสียรูปมักเกิดขึ้นในแผ่นโลหะบาง ชิ้นงานขนาดใหญ่ หรือการเชื่อมหลายจุด ซึ่งส่งผลต่อการประกอบและประสิทธิภาพ สาเหตุเกิดจากการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอและการขยายตัว/หดตัวทางความร้อนที่ไม่คงที่
โซลูชัน
- ปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมเพื่อลดปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น: เพิ่มกำลังสูงสุดในขณะที่ลดความกว้างของพัลส์
- ลดความเร็วในการเชื่อมและความถี่พัลส์ลง เพื่อลดปริมาณความร้อนต่อหน่วยเวลา
- ปรับลำดับการเชื่อมให้เหมาะสมเพื่อให้ความร้อนกระจายอย่างสม่ำเสมอ
วันที่เผยแพร่: 25 กุมภาพันธ์ 2569
