
การเชื่อมจุดเป็นวิธีการเชื่อมต่อที่รวดเร็วและประหยัดต้นทุน เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อชิ้นส่วนแผ่นบางด้วยรอยต่อแบบซ้อนทับที่ไม่ต้องการความแน่นหนาของอากาศ การเชื่อมจุดมีหลายประเภท เช่น การเชื่อมจุดด้วยความต้านทาน การเชื่อมจุดด้วยไฟฟ้า และการเชื่อมจุดด้วยกาวการเชื่อมจุดแบบผสมและการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ ปัจจุบัน การเชื่อมจุดด้วยความต้านทานไฟฟ้าถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิต ยกตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ การประกอบชิ้นส่วนตัวถังรถยนต์ต้องใช้จุดเชื่อมถึง 3,000-4,000 จุด ซึ่งต้องใช้หุ่นยนต์ 250-300 ตัว พร้อมด้วยระบบควบคุมและอุปกรณ์เสริมอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การเชื่อมจุดด้วยความต้านทานไฟฟ้ามีความยืดหยุ่นต่ำ ด้วยการพัฒนาทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็ว วงจรการปรับปรุงรูปทรงและโครงสร้างของชิ้นส่วนยานยนต์จึงสั้นลงมาก การอัปเกรดผลิตภัณฑ์และรุ่นใหม่ๆ จึงต้องการเทคโนโลยีการเชื่อมจุดแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพและยืดหยุ่น ดังนั้น เทคโนโลยีการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์จึงค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจและคาดว่าจะถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตในอุตสาหกรรมยานยนต์ ในด้านการบินและอวกาศ การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ก็กำลังได้รับการทดสอบในฐานะเทคโนโลยีทางเลือกเช่นกัน เป็นเวลานานแล้วที่การเชื่อมต่อแบบซ้อนทับของผลิตภัณฑ์การบินและอวกาศโดยทั่วไปใช้การตอกหมุด ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตหลายขั้นตอนและภาระงานหนัก ด้วยการใช้งานวัสดุใหม่ๆ ที่เพิ่มมากขึ้น เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมไทเทเนียม และวัสดุคอมโพสิต การนำเทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่มาใช้แทนวิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิมจึงกลายเป็นกระแสหลัก ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต แต่ยังช่วยลดน้ำหนักโครงสร้างและตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบโครงสร้างแบบใหม่ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ด้านการบินและอวกาศ ความแม่นยำสูงและความยืดหยุ่นสูงของการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ทำให้มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการผลิตจริง โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการบิน ซึ่งสามารถใช้แทนกระบวนการแบบดั้งเดิม เช่น การเชื่อมจุดด้วยความต้านทานและการตอกหมุดได้
I. คำจำกัดความและลักษณะเฉพาะของการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์
คำนิยาม
การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ หมายถึงกระบวนการหลอมและเชื่อมชิ้นงานโดยใช้พัลส์เลเซอร์เดี่ยว (t > 1 มิลลิวินาที) หรือพัลส์เลเซอร์หลายพัลส์ในตำแหน่งเดียวกัน
การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์โดยพื้นฐานแล้วคล้ายกับกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบอื่นๆ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือไม่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างลำแสงเลเซอร์กับชิ้นงานในระหว่างการเชื่อมจุด การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ การเชื่อมแบบนำความร้อนและการเชื่อมแบบรูเจาะ ในการเชื่อมจุดแบบนำความร้อน เลเซอร์จะสามารถหลอมโลหะได้โดยไม่ทำให้โลหะระเหย วิธีนี้เหมาะสำหรับการเชื่อมโลหะที่มีความหนาน้อยกว่า 0.5 มม. เช่น การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ Nd:YAG ของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ในการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์แบบรูเจาะ เลเซอร์สามารถเข้าไปในส่วนภายในของวัสดุโดยตรงผ่านรูเจาะ ทำให้เพิ่มอัตราการใช้พลังงานเลเซอร์และได้ความลึกในการทะลุทะลวงที่มากขึ้น การเชื่อมจุดด้วยความต้านทานแบบดั้งเดิมจะหลอมชิ้นงานเพื่อสร้างจุดเชื่อมโดยใช้ความร้อนจากความต้านทานที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ในขณะที่แหล่งความร้อนของการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์มาจากรังสีเลเซอร์ ส่งผลให้รูปร่างของจุดเชื่อมแตกต่างกันอย่างมาก
โดยทั่วไปแล้ว พารามิเตอร์ที่ปรับได้ของการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ ได้แก่ กำลังเลเซอร์ เวลาในการเชื่อมจุด และปริมาณการเบลอภาพ สำหรับการเชื่อมจุดโดยใช้โหมดพัลส์ พารามิเตอร์ยังรวมถึงรูปคลื่นพัลส์ ความถี่ และรอบการทำงาน ในบรรดาพารามิเตอร์เหล่านี้ กำลังเลเซอร์มีผลต่อความลึกของการทะลุทะลวงของจุดเชื่อมเป็นหลัก ในขณะที่เวลาในการเชื่อมจุดมีผลกระทบต่อขนาดด้านข้างของจุดเชื่อมมากกว่า โดยทั่วไป ยิ่งเวลาในการทำงานของเลเซอร์นานเท่าใด ขนาดของพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของจุดเชื่อมและขนาดของพื้นผิวหลอมเหลวก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงปริมาณการเบลอภาพมีผลต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดและความหนาแน่นของพลังงานที่กระทำต่อพื้นผิวชิ้นงานเป็นหลัก ดังนั้นจึงมีผลกระทบอย่างมากต่อรูปร่างโดยรวมของจุดเชื่อม
ลักษณะเฉพาะ
- การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อน ให้ผลลัพธ์ที่รวดเร็ว แม่นยำสูง ใช้ความร้อนต่ำ และทำให้ชิ้นงานเสียรูปน้อยที่สุด
- ระดับความอิสระในการกำหนดตำแหน่งการเชื่อมจุดได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ทำให้สามารถเชื่อมจุดได้ทุกตำแหน่งและทำได้อย่างง่ายดายการเชื่อมจุดด้านเดียวซึ่งช่วยเพิ่มอิสระในการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก
- การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์มีข้อกำหนดต่ำสำหรับขนาดของรอยต่อแบบซ้อนทับ มีข้อจำกัดน้อยมากในพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ปริมาณการซ้อนทับของรอยต่อและระยะห่างระหว่างจุดเชื่อม และไม่จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบจากการลัดวงจรของกระแสไฟฟ้า
- สำหรับการเชื่อมแผ่นโลหะที่มีความหนาไม่เท่ากัน วัสดุต่างชนิด และวัสดุพิเศษ (เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม แผ่นเหล็กชุบสังกะสี) การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าวิธีการเชื่อมจุดแบบดั้งเดิม
- ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมจำนวนมาก สามารถปรับเปลี่ยนตามการเปลี่ยนแปลงของผลิตภัณฑ์ได้อย่างรวดเร็ว และตอบสนองความต้องการของตลาดได้

II. การวิเคราะห์ข้อบกพร่องของการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์
รอยแตก รูพรุน และการหย่อนคล้อย เป็นข้อบกพร่องที่พบได้บ่อยที่สุดในการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ ซึ่งจะได้รับการวิเคราะห์ทีละข้อด้านล่าง
1. รอยแตก
รอยแตกแบ่งออกเป็นรอยแตกบนพื้นผิวและรอยแตกตามยาว อัตราการให้ความร้อนและการเย็นตัวระหว่างการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์นั้นเร็วมาก ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิสูงระหว่างบริเวณที่ได้รับความร้อนกับโลหะโดยรอบ ซึ่งทำให้เกิดรอยแตกได้ง่าย การเกิดรอยแตกมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับวัสดุ ตัวอย่างเช่น โลหะผสมอะลูมิเนียมมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกในระหว่างการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์สูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมาก วิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดการเกิดรอยแตกคือการปรับรูปคลื่นพัลส์ให้เหมาะสมเพื่อควบคุมอัตราการเย็นตัวของกระบวนการแข็งตัวของโลหะและลดความเครียดภายใน
2. รูขุมขน
ข้อบกพร่องที่เป็นรูพรุน (รู) ในการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นรูพรุนขนาดเล็กและรูพรุนขนาดใหญ่ รูพรุนขนาดเล็กส่วนใหญ่เกิดจากการลดลงของความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในโลหะเหลวระหว่างการแข็งตัวของโลหะ รวมถึงการระเหยอย่างรวดเร็วของโลหะในรูเจาะและการรบกวนของบ่อหลอมเหลว ส่วนรูพรุนขนาดใหญ่ส่วนใหญ่เกิดจากอัตราการเย็นตัวที่เร็วเกินไปในระหว่างการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ ทำให้โลหะรอบๆ รูเจาะมีเวลาไม่เพียงพอในการเติมเต็ม โดยทั่วไป รูพรุนขนาดเล็กมักเกิดขึ้นในการเชื่อมจุดด้วยพัลส์ยาว ในขณะที่รูพรุนขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในการเชื่อมจุดด้วยพัลส์สั้น
ในการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ มักพบรูพรุนอยู่สองตำแหน่งหลัก คือ บริเวณใกล้รอยหลอมเหลวตรงกลางจุดเชื่อม และบริเวณโคนรอยเชื่อม ภาพการหลอมเหลวที่ได้จากการเอกซเรย์แสดงให้เห็นว่า รูพรุนใกล้รอยหลอมเหลวส่วนใหญ่เกิดจากการหดตัวเมื่อรูเจาะปิดตัวลง ส่วนรูพรุนที่โคนรอยเชื่อมส่วนใหญ่เกิดจากการยุบตัวของรูเจาะเนื่องจากการหายไปอย่างรวดเร็วของเลเซอร์หลังจากรูเจาะก่อตัวขึ้น
3. หย่อนคล้อย
การหย่อนตัวเป็นปรากฏการณ์ที่เห็นได้ชัดในการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ การหย่อนตัวตรงกลางของพื้นผิวจุดเชื่อมและการสะสมของโลหะรอบๆ เกิดจากแรงสะท้อนกลับที่เกิดจากการระเหยของโลหะซึ่งดันโลหะเหลวไปยังพื้นผิวจุดเชื่อม ในระหว่างกระบวนการเย็นตัว โลหะที่สะสมอยู่บนพื้นผิวจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วและไม่สามารถเติมเต็มได้อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ การสูญเสียวัสดุที่เกิดจากการระเหยของโลหะอย่างรวดเร็วและการกระเด็นก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เกิดการหย่อนตัวตรงกลาง เวลาพัลส์มีผลกระทบอย่างมากต่อทั้งการหย่อนตัวของพื้นผิวจุดเชื่อมและการเกิดรูพรุน สามารถสร้างจุดเชื่อมที่น่าพอใจได้โดยการปรับรูปคลื่นพัลส์และเวลาให้เหมาะสม
4. ผลกระทบของปริมาณการเบลอภาพต่อจุดเชื่อม
การเปลี่ยนแปลงปริมาณการเบลอภาพจะส่งผลโดยตรงต่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมและความหนาแน่นของพลังงาน เมื่อปริมาณการเบลอภาพเพิ่มขึ้นทั้งในทิศทางลบและบวก หมายความว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมจะเพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานจะลดลง ในระหว่างการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ จะมีความสัมพันธ์กันระหว่างขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมและขนาดของรูเริ่มต้นที่เกิดจากเลเซอร์ที่ตกกระทบชิ้นงาน ในขณะที่ความหนาแน่นของพลังงานจะเป็นตัวกำหนดอัตราการขยายตัวของบ่อหลอม เมื่อค่าสัมบูรณ์ของปริมาณการเบลอภาพมีขนาดเล็ก ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมเลเซอร์จะมีขนาดเล็ก ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูง และอัตราการขยายตัวของบ่อหลอมเหลวของจุดเชื่อมจะเร็ว แต่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเริ่มต้นจะมีขนาดเล็ก ในทางตรงกันข้าม เมื่อปริมาณการเบลอภาพมีขนาดใหญ่ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเริ่มต้นจะมีขนาดใหญ่ แต่อัตราการขยายตัวของบ่อหลอมเหลวจะช้าลง และขนาดของจุดเชื่อมที่ได้อาจไม่ใหญ่ ดังนั้น ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงปริมาณการเบลอภาพ ผลกระทบโดยรวมของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมและความหนาแน่นของพลังงานบนพื้นผิวของจุดเชื่อมจะเป็นตัวกำหนดขนาดของจุดเชื่อม
III. การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์
การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์มีคุณสมบัติเด่นคือ ความเร็วสูง ความลึกในการทะลุทะลวงสูง การเสียรูปน้อย และสามารถทำได้ที่อุณหภูมิห้องหรือภายใต้สภาวะพิเศษด้วยอุปกรณ์เชื่อมแบบง่ายๆ นอกจากนี้ การเกิดขึ้นของเลเซอร์พัลส์ความถี่สูง (ความถี่สูงกว่า 40 พัลส์ต่อวินาที) ทำให้การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางในการประกอบและการเชื่อมชิ้นส่วนขนาดเล็กและขนาดไมโครในกระบวนการผลิตอัตโนมัติจำนวนมาก เมื่อเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ต้องการบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อย เช่น การเชื่อมต่อระหว่างกระจกและโลหะ การเชื่อมต่อข้อต่อในวงจรเซมิคอนดักเตอร์ที่ไวต่อความร้อน และการเชื่อมต่อระหว่างโลหะต่างชนิดในสายไฟ การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์จะมีข้อได้เปรียบมากกว่ากระบวนการเชื่อมจุดแบบดั้งเดิม (เช่น การเชื่อมจุดด้วยความต้านทาน) โดยมีจุดเชื่อมที่ปราศจากมลพิษและคุณภาพการเชื่อมสูง รูปที่ 6-60 แสดงตัวอย่างการประยุกต์ใช้การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ในการผลิตไฟหน้าของรถยนต์: เลเซอร์พัลส์โซลิดสเตท 500 วัตต์สร้างจุดเชื่อมที่คล้ายกันสี่จุดด้วยความถี่พัลส์สูงมาก
เมื่อทำการเชื่อมจุดที่มีความแม่นยำสูงบนโครงสร้างขนาดเล็กโดยใช้พลังงานพัลส์สูง เลเซอร์ Nd:YAG แบบพัลส์มีข้อได้เปรียบทั้งทางเทคนิคและทางเศรษฐกิจ ในการใช้งานเชื่อมจุดทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ จะใช้เลเซอร์โซลิดสเตทแบบพัลส์ที่มีกำลังเฉลี่ย 50 วัตต์ และกำลังพัลส์ > 2 กิโลวัตต์ โดยเลเซอร์สามารถทำงานโดยตรงกับชิ้นงานผ่านใยแก้วนำแสงหรือเลนส์โฟกัสแบบรวมได้ การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์สามารถนำไปใช้กับวัสดุได้หลากหลายประเภท ตัวอย่างเช่น เมื่อทำการเชื่อมจุดแบตเตอรี่ลิเธียม โดยใช้เลเซอร์นีโอไดเมียม (Nd):เทคโนโลยีการเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์ YAGการเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดด้วยใยแก้วนำแสงมีประสิทธิภาพมากกว่าการเชื่อม TIG และการเชื่อมจุดด้วยความต้านทาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากมีการใช้ใยแก้วนำแสงในการส่งผ่านแสงเลเซอร์ระหว่างการผลิต จึงสะดวกในการเคลื่อนย้ายอย่างรวดเร็วและยืดหยุ่นระหว่างโต๊ะทำงานต่างๆ โดยสรุปแล้ว การเชื่อมจุดด้วยเลเซอร์มีลักษณะดังต่อไปนี้:
- เมื่อเพิ่มกำลังเลเซอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเชื่อมจะผันผวนขึ้นลง ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นผิวหลอมเหลวและพื้นผิวด้านล่างจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างหน้าตัดของจุดเชื่อมนั้นไม่ชัดเจน เมื่อระยะเวลาเพิ่มขึ้น ขนาดของจุดเชื่อมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และอัตราการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางพื้นผิวหลอมเหลวจะมากกว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง การเปลี่ยนแปลงปริมาณการเบลอภาพมีผลกระทบอย่างมากต่อขนาดของจุดเชื่อม มันเปลี่ยนแปลงเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดและความหนาแน่นของกำลังเลเซอร์โดยตรง และผลกระทบโดยรวมของปัจจัยทั้งสองนี้จะเป็นตัวกำหนดขนาดของจุดเชื่อม
- ในกรณีที่เลเซอร์ทะลุทะลวงเต็มที่ จะเห็นการยุบตัวอย่างชัดเจนบนพื้นผิวของจุดเชื่อมเลเซอร์ เมื่อกำลังเลเซอร์และระยะเวลาการยิงเพิ่มขึ้น ความลึกของการยุบตัวบนพื้นผิวจุดเชื่อมก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย และเมื่อระยะเวลาการยิงหรือขนาดของช่องว่างมีขนาดใหญ่ พื้นผิวด้านล่างอาจแสดงรอยบุ๋มได้เช่นกัน
- เมื่อช่องว่างเพิ่มขึ้น การเสียรูปโดยรวมของจุดเชื่อม การยุบตัวตรงกลาง และรอยบุ๋มจะเห็นได้ชัดเจน พื้นผิวการหลอมรวมจะหดตัว และความแข็งแรงจะลดลงอย่างรวดเร็ว ปัจจุบัน ในงานเชื่อมตัวต้านทาน แบตเตอรี่ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มักใช้กระบวนการเชื่อมสองจุดพร้อมกัน ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้การออกแบบที่มีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สองแหล่ง
วันที่เผยแพร่: 27 ตุลาคม 2568