อิทธิพลของพารามิเตอร์ก๊าสป้องกันต่อกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูง ความร้อนที่ใช้ต่ำ และคุณสมบัติที่ไม่ต้องสัมผัส การเชื่อมจึงกลายเป็นหนึ่งในกระบวนการหลักในการผลิตที่แม่นยำในยุคปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ปัญหาต่างๆ เช่น การเกิดออกซิเดชัน รูพรุน และการเผาไหม้ของธาตุต่างๆ ที่เกิดจากการสัมผัสของบ่อหลอมเหลวกับบรรยากาศในระหว่างการเชื่อม ทำให้คุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานของรอยเชื่อมลดลงอย่างมาก ในฐานะที่เป็นตัวกลางหลักในการควบคุมสภาพแวดล้อมการเชื่อม การเลือกชนิด อัตราการไหล และโหมดการเป่าของก๊าซป้องกันจำเป็นต้องพิจารณาควบคู่ไปกับคุณลักษณะของวัสดุ (เช่น กิจกรรมทางเคมี การนำความร้อน) และความหนาของแผ่นโลหะ

ประเภทของก๊าซป้องกัน

หน้าที่หลักของก๊าซปกคลุมคือ การแยกออกซิเจน การควบคุมพฤติกรรมของบ่อหลอม และการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทพลังงาน โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางเคมี ก๊าซปกคลุมสามารถแบ่งออกเป็นก๊าซเฉื่อย (อาร์กอน ฮีเลียม) และก๊าซแอคทีฟ (ไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์) ก๊าซเฉื่อยมีความเสถียรทางเคมีสูงและสามารถป้องกันการออกซิเดชันของบ่อหลอมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ความแตกต่างอย่างมากในคุณสมบัติทางความร้อนส่งผลกระทบต่อผลการเชื่อมอย่างมาก ตัวอย่างเช่น อาร์กอน (Ar) มีความหนาแน่นสูง (1.784 กก./ลบ.ม.) และสามารถสร้างชั้นเคลือบที่เสถียรได้ แต่ค่าการนำความร้อนต่ำ (0.0177 วัตต์/เมตร·เคลวิน) ทำให้บ่อหลอมเย็นตัวช้าและรอยเชื่อมไม่ลึก ในทางตรงกันข้าม ฮีเลียม (He) มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าอาร์กอนถึงแปดเท่า (0.1513 W/m·K) และสามารถเร่งการเย็นตัวของบ่อหลอมเหลวและเพิ่มการแทรกซึมของรอยเชื่อมได้ แต่ความหนาแน่นต่ำ (0.1785 kg/m³) ทำให้มีแนวโน้มที่จะรั่วไหลออกไป จึงต้องใช้ปริมาณการไหลที่สูงขึ้นเพื่อรักษาผลการป้องกันไว้ ก๊าซแอคทีฟ เช่น ไนโตรเจน (N₂) สามารถเพิ่มความแข็งแรงของรอยเชื่อมได้ด้วยการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งในบางสถานการณ์ แต่การใช้งานมากเกินไปอาจทำให้เกิดรูพรุนหรือการตกตะกอนของเฟสที่เปราะบางได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ การแพร่ของไนโตรเจนเข้าไปในบ่อหลอมเหลวอาจรบกวนสมดุลของเฟสเฟอร์ไรต์/ออสเทนไนต์ ส่งผลให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง

ภาพที่ 1 การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของเหล็กกล้าไร้สนิม 304L (ด้านบน): การป้องกันด้วยก๊าซอาร์กอน; (ด้านล่าง): การป้องกันด้วยก๊าซไนโตรเจน

จากมุมมองของกลไกกระบวนการ พลังงานไอออนไนเซชันสูงของฮีเลียม (24.6 eV) สามารถยับยั้งผลของเกราะป้องกันพลาสมาและเพิ่มการดูดซับพลังงานเลเซอร์ ทำให้ความลึกในการทะลุทะลวงเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน พลังงานไอออนไนเซชันต่ำของอาร์กอน (15.8 eV) มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดกลุ่มเมฆพลาสมา ซึ่งต้องใช้การเบลอภาพหรือการปรับจังหวะพัลส์เพื่อลดการรบกวน นอกจากนี้ ปฏิกิริยาเคมีระหว่างก๊าซที่ออกฤทธิ์กับบ่อหลอมเหลว (เช่น ไนโตรเจนทำปฏิกิริยากับ Cr ในเหล็ก) อาจเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของรอยเชื่อม และจำเป็นต้องเลือกอย่างระมัดระวังโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุ

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้วัสดุ:

• เหล็ก: ในการเชื่อมแผ่นเหล็กบาง (<3 มม.) ก๊าซอาร์กอนสามารถรับประกันผิวสำเร็จที่เรียบเนียน โดยมีชั้นออกไซด์หนาเพียง 0.5 ไมโครเมตร สำหรับรอยเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำขนาด 1.5 มม. สำหรับแผ่นเหล็กหนา (>10 มม.) จำเป็นต้องเติมก๊าซฮีเลียม (He) ในปริมาณเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความลึกของการแทรกซึม

• เหล็กกล้าไร้สนิม: การป้องกันด้วยอาร์กอนสามารถป้องกันการสูญเสียธาตุ Cr ได้ โดยรอยเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม 304 หนา 3 มม. ที่มีปริมาณ Cr 18.2% จะใกล้เคียงกับ 18.5% ของโลหะพื้นฐาน สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ จำเป็นต้องใช้ส่วนผสมของ Ar-N₂ (N₂ ≤ 5%) เพื่อปรับสมดุลอัตราส่วน การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้ส่วนผสมของ Ar-2% N₂ สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ 2205 หนา 8 มม. อัตราส่วนเฟอร์ไรต์/ออสเทนไนต์จะคงที่ที่ 48:52 โดยมีความแข็งแรงดึง 780 MPa ซึ่งสูงกว่าการป้องกันด้วยอาร์กอนบริสุทธิ์ (720 MPa)

• โลหะผสมอะลูมิเนียม: แผ่นบาง (<3 มม.): การสะท้อนแสงสูงของโลหะผสมอะลูมิเนียมทำให้มีอัตราการดูดซับพลังงานต่ำ และฮีเลียมที่มีพลังงานไอออนไนเซชันสูง (24.6 eV) สามารถทำให้พลาสมามีเสถียรภาพได้ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า เมื่อโลหะผสมอะลูมิเนียม 6061 หนา 2 มม. ถูกปกป้องด้วยฮีเลียม ความลึกของการทะลุทะลวงจะถึง 1.8 มม. เพิ่มขึ้น 25% เมื่อเทียบกับอาร์กอน และอัตราการเกิดรูพรุนต่ำกว่า 1% สำหรับแผ่นหนา (>5 มม.): แผ่นโลหะผสมอะลูมิเนียมหนาต้องการพลังงานสูง และส่วนผสมของฮีเลียม-อาร์กอน (He:Ar = 3:1) สามารถสร้างสมดุลระหว่างความลึกของการทะลุทะลวงและต้นทุนได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมแผ่น 5083 หนา 8 มม. ความลึกของการทะลุทะลวงจะถึง 6.2 มม. ภายใต้การปกป้องด้วยก๊าซผสม เพิ่มขึ้น 35% เมื่อเทียบกับก๊าซอาร์กอนบริสุทธิ์ และต้นทุนการเชื่อมลดลง 20%

หมายเหตุ: ข้อความต้นฉบับมีข้อผิดพลาดและความไม่สอดคล้องกันอยู่บ้าง คำแปลที่ให้มานี้อ้างอิงจากข้อความต้นฉบับที่แก้ไขแล้วและมีความสอดคล้องกัน

อิทธิพลของอัตราการไหลของก๊าซอาร์กอน

อัตราการไหลของก๊าซอาร์กอนส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการปกคลุมของก๊าซและพลศาสตร์ของไหลในบ่อหลอม เมื่ออัตราการไหลไม่เพียงพอ ชั้นก๊าซจะไม่สามารถแยกอากาศได้อย่างสมบูรณ์ และขอบบ่อหลอมมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันและการเกิดรูพรุนของก๊าซ เมื่ออัตราการไหลสูงเกินไป อาจทำให้เกิดการไหลปั่นป่วน ซึ่งสามารถชะล้างพื้นผิวบ่อหลอมและนำไปสู่การยุบตัวของรอยเชื่อมหรือการกระเด็น ตามเลขเรย์โนลด์ของกลศาสตร์ของไหล (Re = ρvD/μ) การเพิ่มอัตราการไหลจะเพิ่มความเร็วการไหลของก๊าซ เมื่อ Re > 2300 การไหลแบบราบเรียบจะเปลี่ยนเป็นการไหลแบบปั่นป่วน ซึ่งจะทำลายเสถียรภาพของบ่อหลอม ดังนั้น การกำหนดอัตราการไหลวิกฤตจึงจำเป็นต้องวิเคราะห์ผ่านการทดลองหรือการจำลองเชิงตัวเลข (เช่น CFD)

รูปที่ 2 ผลกระทบของอัตราการไหลของก๊าซที่แตกต่างกันต่อรอยเชื่อม

ควรปรับการเพิ่มประสิทธิภาพการไหลควบคู่ไปกับค่าการนำความร้อนของวัสดุและความหนาของแผ่น:

• สำหรับเหล็กและเหล็กกล้าไร้สนิม: สำหรับแผ่นเหล็กบาง (1-2 มม.) อัตราการไหลที่เหมาะสมคือ 10-15 ลิตร/นาที สำหรับแผ่นหนา (>6 มม.) ควรเพิ่มอัตราการไหลเป็น 18-22 ลิตร/นาที เพื่อลดการเกิดออกซิเดชันที่ส่วนท้าย ตัวอย่างเช่น เมื่ออัตราการไหลของเหล็กกล้าไร้สนิม 316L หนา 6 มม. อยู่ที่ 20 ลิตร/นาที ความสม่ำเสมอของความแข็งในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) จะดีขึ้น 30%

• สำหรับโลหะผสมอะลูมิเนียม: ค่าการนำความร้อนสูงต้องการอัตราการไหลสูงเพื่อยืดระยะเวลาการป้องกัน สำหรับโลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 หนา 3 มม. อัตราการเกิดรูพรุนจะต่ำที่สุด (0.3%) เมื่ออัตราการไหลอยู่ที่ 25-30 ลิตร/นาที อย่างไรก็ตาม สำหรับแผ่นที่มีความหนามากเป็นพิเศษ (>10 มม.) จำเป็นต้องใช้ร่วมกับการเป่าแบบผสมเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดการไหลปั่นป่วน

อิทธิพลของโหมดการเป่าแก๊ส

โหมดการเป่าแก๊สส่งผลโดยตรงต่อรูปแบบการไหลของบ่อหลอมเหลวและผลการลดข้อบกพร่องโดยการควบคุมทิศทางและการกระจายตัวของกระแสแก๊ส โหมดการเป่าแก๊สควบคุมการไหลของบ่อหลอมเหลวโดยการเปลี่ยนแปลงความชันของแรงตึงผิวและการไหลแบบมารังโกนี (Marangoni flow) การเป่าด้านข้างสามารถชักนำให้บ่อหลอมเหลวไหลไปในทิศทางเฉพาะ ลดรูพรุนและสิ่งเจือปนในตะกรัน การเป่าแบบผสมผสานสามารถปรับปรุงความสม่ำเสมอของการเชื่อมโดยการปรับสมดุลการกระจายพลังงานผ่านการไหลของแก๊สหลายทิศทาง

วิธีการเป่าลมหลักๆ ได้แก่:

• การเป่าแบบโคแอกเซียล: กระแสแก๊สจะถูกส่งออกมาในแนวเดียวกับลำแสงเลเซอร์ ครอบคลุมบริเวณหลอมเหลวอย่างสมมาตร เหมาะสำหรับการเชื่อมความเร็วสูง ข้อดีคือกระบวนการมีความเสถียรสูง แต่กระแสแก๊สอาจรบกวนการโฟกัสของเลเซอร์ ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้การเป่าแบบโคแอกเซียลกับแผ่นเหล็กชุบสังกะสีสำหรับยานยนต์ (1.2 มม.) ความเร็วในการเชื่อมสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 40 มม./วินาที และอัตราการกระเด็นของโลหะมีค่าน้อยกว่า 0.1

• การเป่าด้านข้าง: การไหลของก๊าซจะถูกส่งเข้ามาจากด้านข้างของบ่อหลอมเหลว ซึ่งสามารถใช้เพื่อกำจัดพลาสมาหรือสิ่งสกปรกที่ด้านล่างได้อย่างมีทิศทาง เหมาะสำหรับการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึก ตัวอย่างเช่น เมื่อเป่าเหล็กกล้า Q345 หนา 12 มม. ในมุม 30° การทะลุทะลวงของรอยเชื่อมจะเพิ่มขึ้น 18% และอัตรารูพรุนที่ด้านล่างจะลดลงจาก 4% เหลือ 0.8%

• การเป่าแบบผสมผสาน: การผสมผสานการเป่าแบบแกนร่วมและการเป่าด้านข้าง สามารถยับยั้งการเกิดออกซิเดชันและการรบกวนจากพลาสมาได้พร้อมกัน ตัวอย่างเช่น สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 หนา 3 มม. ด้วยการออกแบบหัวฉีดคู่ อัตราความพรุนลดลงจาก 2.5% เหลือ 0.4% และความแข็งแรงดึงสูงถึง 95% ของวัสดุพื้นฐาน

อิทธิพลของก๊าสปกคลุมต่อคุณภาพการเชื่อมนั้นเกิดจากการควบคุมการถ่ายโอนพลังงาน อุณหพลศาสตร์ของบ่อหลอม และปฏิกิริยาเคมีเป็นหลัก:

1. การถ่ายเทพลังงาน: ค่าการนำความร้อนสูงของฮีเลียมช่วยเร่งการเย็นตัวของบ่อหลอมเหลว ลดความกว้างของบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ในขณะที่ค่าการนำความร้อนต่ำของอาร์กอนช่วยยืดระยะเวลาการคงอยู่ของบ่อหลอมเหลว ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการขึ้นรูปพื้นผิวของแผ่นบาง

2. ความเสถียรของบ่อหลอม: การไหลของก๊าซส่งผลต่อการไหลของบ่อหลอมผ่านแรงเฉือน และอัตราการไหลที่เหมาะสมสามารถช่วยลดการกระเด็นของโลหะได้ ในขณะที่อัตราการไหลที่มากเกินไปจะทำให้เกิดกระแสน้ำวน ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องในการเชื่อม

3. การป้องกันทางเคมี: ก๊าซเฉื่อยจะแยกออกซิเจนและป้องกันการออกซิเดชันของธาตุโลหะผสม (เช่น Cr, Al) ในขณะที่ก๊าซที่ออกฤทธิ์ (เช่น N₂) จะเปลี่ยนคุณสมบัติของรอยเชื่อมผ่านการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งหรือการก่อตัวของสารประกอบ แต่จำเป็นต้องควบคุมความเข้มข้นอย่างแม่นยำ