การเปรียบเทียบการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบโหมดเดี่ยว โหมดหลายโหมด แบบวงแหวน และแบบไฮบริด

การเชื่อมโลหะเป็นกระบวนการนำโลหะสองชนิดขึ้นไปมาเชื่อมต่อกันโดยใช้ความร้อน โดยทั่วไปการเชื่อมโลหะจะเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่โลหะจนถึงจุดหลอมเหลว เพื่อให้โลหะพื้นฐานละลายและเติมเต็มช่องว่างระหว่างรอยต่อ ทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่แข็งแรง การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการเชื่อมต่อที่ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อน

ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่แบบเคสสี่เหลี่ยม: แกนแบตเตอรี่เชื่อมต่อกันด้วยเลเซอร์ผ่านชิ้นส่วนหลายชิ้น ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทั้งหมด ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อวัสดุ ประสิทธิภาพการผลิต และอัตราความบกพร่อง เป็นสามประเด็นที่อุตสาหกรรมให้ความสำคัญมาก ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อวัสดุสามารถสะท้อนได้จากความลึกและความกว้างของการทะลุทะลวงทางโลหะวิทยา (ซึ่งเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์) ประสิทธิภาพการผลิตส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการประมวลผลของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ และอัตราความบกพร่องส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเลือกแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ ดังนั้น บทความนี้จึงกล่าวถึงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ทั่วไปในท้องตลาด พร้อมทั้งทำการเปรียบเทียบอย่างง่าย ๆ ของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์หลายชนิด โดยหวังว่าจะช่วยนักพัฒนาด้านกระบวนการผลิตท่านอื่น ๆ

เพราะการเชื่อมด้วยเลเซอร์โดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการแปลงแสงเป็นความร้อน ซึ่งมีพารามิเตอร์สำคัญหลายประการดังต่อไปนี้: คุณภาพลำแสง (BBP, M2, มุมการกระจายแสง), ความหนาแน่นของพลังงาน, เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง, รูปแบบการกระจายพลังงาน, หัวเชื่อมแบบปรับได้, ช่วงกระบวนการประมวลผล และวัสดุที่สามารถประมวลผลได้ โดยส่วนใหญ่จะใช้ในการวิเคราะห์และเปรียบเทียบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จากมุมมองเหล่านี้

การเปรียบเทียบเลเซอร์แบบซิงเกิลโหมดและมัลติโหมด

คำจำกัดความของโหมดเดี่ยวและหลายโหมด:

โหมดเดี่ยว (Single mode) หมายถึงรูปแบบการกระจายพลังงานเลเซอร์แบบเดียวบนระนาบสองมิติ ในขณะที่โหมดหลาย (Multi-mode) หมายถึงรูปแบบการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่ที่เกิดจากการซ้อนทับของรูปแบบการกระจายหลายแบบ โดยทั่วไปแล้ว ค่าคุณภาพลำแสง M2 สามารถใช้ตัดสินได้ว่าเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์เป็นแบบโหมดเดี่ยวหรือโหมดหลาย: M2 น้อยกว่า 1.3 คือเลเซอร์โหมดเดี่ยวบริสุทธิ์ M2 ระหว่าง 1.3 ถึง 2.0 คือเลเซอร์กึ่งโหมดเดี่ยว (few-mode) และ M2 มากกว่า 2.0 คือเลเซอร์โหมดหลาย

เพราะการเชื่อมด้วยเลเซอร์โดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการแปลงแสงเป็นความร้อน ซึ่งมีพารามิเตอร์สำคัญหลายประการดังต่อไปนี้: คุณภาพลำแสง (BBP, M2, มุมการกระจายแสง), ความหนาแน่นของพลังงาน, เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง, รูปแบบการกระจายพลังงาน, หัวเชื่อมแบบปรับได้, ช่วงกระบวนการประมวลผล และวัสดุที่สามารถประมวลผลได้ โดยส่วนใหญ่จะใช้ในการวิเคราะห์และเปรียบเทียบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จากมุมมองเหล่านี้

การเปรียบเทียบเลเซอร์แบบซิงเกิลโหมดและมัลติโหมด

คำจำกัดความของโหมดเดี่ยวและหลายโหมด:

โหมดเดี่ยว (Single mode) หมายถึงรูปแบบการกระจายพลังงานเลเซอร์แบบเดียวบนระนาบสองมิติ ในขณะที่โหมดหลาย (Multi-mode) หมายถึงรูปแบบการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่ที่เกิดจากการซ้อนทับของรูปแบบการกระจายหลายแบบ โดยทั่วไปแล้ว ค่าคุณภาพลำแสง M2 สามารถใช้ตัดสินได้ว่าเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์เป็นแบบโหมดเดี่ยวหรือโหมดหลาย: M2 น้อยกว่า 1.3 คือเลเซอร์โหมดเดี่ยวบริสุทธิ์ M2 ระหว่าง 1.3 ถึง 2.0 คือเลเซอร์กึ่งโหมดเดี่ยว (few-mode) และ M2 มากกว่า 2.0 คือเลเซอร์โหมดหลาย

ดังแสดงในรูป: รูป b แสดงการกระจายพลังงานของโหมดพื้นฐานเดี่ยว และการกระจายพลังงานในทิศทางใดๆ ที่ผ่านจุดศูนย์กลางของวงกลมจะมีลักษณะเป็นเส้นโค้งเกาส์เซียน รูป a แสดงการกระจายพลังงานแบบหลายโหมด ซึ่งเป็นการกระจายพลังงานเชิงพื้นที่ที่เกิดจากการซ้อนทับกันของโหมดเลเซอร์เดี่ยวหลายโหมด ผลลัพธ์ของการซ้อนทับแบบหลายโหมดคือเส้นโค้งแบบยอดแบน

เลเซอร์แบบซิงเกิลโหมดทั่วไป: IPG YLR-2000-SM ​​โดย SM เป็นตัวย่อของ Single Mode การคำนวณใช้ค่าโฟกัสแบบขนาน 150-250 ในการคำนวณขนาดจุดโฟกัส ความหนาแน่นพลังงานอยู่ที่ 2000 วัตต์ และใช้ความหนาแน่นพลังงานโฟกัสเพื่อการเปรียบเทียบ

การเปรียบเทียบระหว่างโหมดเดี่ยวและโหมดหลายโหมดการเชื่อมด้วยเลเซอร์ผลกระทบ

เลเซอร์แบบโหมดเดี่ยว: มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็ก ความหนาแน่นพลังงานสูง ความสามารถในการทะลุทะลวงสูง บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก คล้ายกับมีดคม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมแผ่นโลหะบางและการเชื่อมความเร็วสูง และสามารถใช้ร่วมกับเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าเพื่อประมวลผลชิ้นส่วนขนาดเล็กและชิ้นส่วนที่มีการสะท้อนแสงสูง (ชิ้นส่วนสะท้อนแสงมาก) เช่น หูยึด ชิ้นส่วนเชื่อมต่อ ฯลฯ ดังแสดงในรูปด้านบน เลเซอร์แบบโหมดเดี่ยวมีรูเจาะขนาดเล็กและปริมาตรของไอโลหะแรงดันสูงภายในจำกัด ดังนั้นโดยทั่วไปจึงไม่มีข้อบกพร่อง เช่น รูพรุนภายใน ที่ความเร็วต่ำ ลักษณะที่ปรากฏจะหยาบหากไม่มีการเป่าลมป้องกัน ที่ความเร็วสูงจะมีการเพิ่มการป้องกัน คุณภาพการประมวลผลก๊าซดี ประสิทธิภาพสูง รอยเชื่อมเรียบเนียน และอัตราผลผลิตสูง เหมาะสำหรับการเชื่อมซ้อนและการเชื่อมทะลุทะลวง

เลเซอร์แบบมัลติโหมด: มีแกนกลางขนาดใหญ่ ความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่าเลเซอร์แบบซิงเกิลโหมดเล็กน้อย ใบมีดทู่ รูเจาะขนาดใหญ่ โครงสร้างโลหะหนา อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างต่ำกว่า และที่กำลังไฟเท่ากัน ความลึกในการเจาะจะต่ำกว่าเลเซอร์แบบซิงเกิลโหมด 30% ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับงานเชื่อมชนและงานแปรรูปแผ่นโลหะหนาที่มีช่องว่างในการประกอบขนาดใหญ่

ความคมชัดของเลเซอร์วงแหวนคอมโพสิต

การเชื่อมแบบไฮบริด: ลำแสงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความยาวคลื่น 915 นาโนเมตร และลำแสงเลเซอร์ไฟเบอร์ที่มีความยาวคลื่น 1070 นาโนเมตร ถูกรวมเข้าด้วยกันในหัวเชื่อมเดียวกัน ลำแสงเลเซอร์ทั้งสองถูกกระจายในแนวแกนเดียวกัน และสามารถปรับระนาบโฟกัสของลำแสงเลเซอร์ทั้งสองได้อย่างยืดหยุ่น ทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติทั้งเซมิคอนดักเตอร์และไฮบริดการเชื่อมด้วยเลเซอร์ความสามารถหลังการเชื่อม ผลลัพธ์ที่ได้คือความสว่างและมีความลึกของเส้นใยการเชื่อมด้วยเลเซอร์.

โดยทั่วไปแล้ว สารกึ่งตัวนำมักใช้ลำแสงขนาดใหญ่ที่มีขนาดมากกว่า 400 ไมโครเมตร ซึ่งมีหน้าที่หลักในการให้ความร้อนแก่วัสดุ หลอมละลายพื้นผิวของวัสดุ และเพิ่มอัตราการดูดซับเลเซอร์ไฟเบอร์ของวัสดุ (อัตราการดูดซับเลเซอร์ของวัสดุจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น)

เลเซอร์แบบวงแหวน: โมดูลเลเซอร์ไฟเบอร์สองโมดูลปล่อยแสงเลเซอร์ ซึ่งจะถูกส่งผ่านไปยังพื้นผิววัสดุโดยใช้ใยแก้วนำแสงแบบผสม (ใยแก้วนำแสงแบบวงแหวนอยู่ภายในใยแก้วนำแสงทรงกระบอก)

ลำแสงเลเซอร์สองลำที่มีจุดเป็นรูปวงแหวน: วงแหวนด้านนอกทำหน้าที่ขยายช่องเปิดของรูเจาะและหลอมวัสดุ ส่วนเลเซอร์วงแหวนด้านในทำหน้าที่กำหนดความลึกในการเจาะ ทำให้การเชื่อมมีการกระเด็นน้อยมาก เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนเลเซอร์วงแหวนด้านในและด้านนอกสามารถปรับให้เข้ากันได้อย่างอิสระ และช่วงการทำงานก็มีความยืดหยุ่นมากกว่าการใช้ลำแสงเลเซอร์เดี่ยว

การเปรียบเทียบผลของการเชื่อมแบบคอมโพสิต-วงกลม

เนื่องจากการเชื่อมแบบไฮบริดเป็นการผสมผสานระหว่างการเชื่อมด้วยการนำความร้อนของสารกึ่งตัวนำและการเชื่อมแบบแทรกซึมลึกด้วยใยแก้วนำแสง ทำให้การแทรกซึมของวงแหวนรอบนอกตื้นกว่า โครงสร้างทางโลหะวิทยาจึงคมชัดและเรียวบางกว่า ในขณะเดียวกัน ลักษณะที่ปรากฏคือการนำความร้อน บ่อหลอมเหลวมีความผันผวนน้อย มีช่วงกว้าง และบ่อหลอมเหลวมีความเสถียรมากขึ้น สะท้อนให้เห็นถึงลักษณะที่เรียบเนียนกว่า

เนื่องจากเลเซอร์วงแหวนเป็นการผสมผสานระหว่างการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกและการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึก วงแหวนด้านนอกจึงสามารถสร้างความลึกในการทะลุทะลวงได้เช่นกัน ซึ่งสามารถขยายช่องเปิดของรูเจาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ กำลังไฟที่เท่ากันจะให้ความลึกในการทะลุทะลวงที่มากกว่าและความหนาของชั้นโลหะที่มากกว่า แต่ในขณะเดียวกัน ความเสถียรของบ่อหลอมเหลวจะน้อยกว่าเล็กน้อย ความผันผวนของเซมิคอนดักเตอร์ใยแก้วนำแสงจะมากกว่าการเชื่อมแบบคอมโพสิตเล็กน้อย และความหยาบจะค่อนข้างมาก