กลไกและวิธีการระงับการเกิดสะเก็ดไฟจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์

นิยามของข้อบกพร่องจากการกระเด็นของโลหะหลอมเหลว: การกระเด็นของโลหะหลอมเหลวในงานเชื่อม หมายถึง หยดโลหะหลอมเหลวที่กระเด็นออกมาจากบ่อหลอมระหว่างกระบวนการเชื่อม หยดเหล่านี้อาจตกลงบนพื้นผิวงานโดยรอบ ทำให้พื้นผิวขรุขระและไม่สม่ำเสมอ และอาจทำให้คุณภาพของบ่อหลอมลดลง ส่งผลให้เกิดรอยบุ๋ม รอยแตก และข้อบกพร่องอื่นๆ บนพื้นผิวรอยเชื่อม ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อม

การกระเด็นของโลหะหลอมเหลวในงานเชื่อม หมายถึงหยดโลหะหลอมเหลวที่กระเด็นออกมาจากบ่อหลอมระหว่างกระบวนการเชื่อม หยดเหล่านี้อาจตกลงบนพื้นผิวชิ้นงานโดยรอบ ทำให้พื้นผิวขรุขระและไม่สม่ำเสมอ และอาจทำให้คุณภาพของบ่อหลอมลดลง ส่งผลให้เกิดรอยบุ๋ม รอยแตก และข้อบกพร่องอื่นๆ บนพื้นผิวรอยเชื่อม ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อม

การจำแนกประเภทการกระเด็น:

รอยหยดขนาดเล็ก: หยดโลหะแข็งตัวที่ปรากฏอยู่บริเวณขอบรอยเชื่อมและบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งส่วนใหญ่มีผลต่อลักษณะภายนอกแต่ไม่มีผลต่อประสิทธิภาพการใช้งาน โดยทั่วไปแล้ว เกณฑ์ในการแยกแยะคือ หยดโลหะต้องมีขนาดเล็กกว่า 20% ของความกว้างของรอยเชื่อม

รอยเชื่อมขนาดใหญ่: มีการสูญเสียคุณภาพปรากฏให้เห็นเป็นรอยบุ๋ม รอยแตก รอยเว้า ฯลฯ บนพื้นผิวของรอยเชื่อม ซึ่งอาจนำไปสู่ความเค้นและความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลต่อประสิทธิภาพของรอยเชื่อม โดยจะเน้นที่ข้อบกพร่องประเภทนี้เป็นหลัก

กระบวนการเกิดการกระเด็น:

การกระเด็นของโลหะหลอมเหลวเกิดขึ้นจากการที่โลหะหลอมเหลวพุ่งเข้าไปในบ่อหลอมเหลวในทิศทางที่ตั้งฉากกับพื้นผิวของโลหะหลอมเหลวเนื่องจากความเร่งสูง สามารถเห็นได้ชัดเจนในภาพด้านล่าง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลำโลหะหลอมเหลวพุ่งขึ้นจากโลหะหลอมเหลวและแตกตัวเป็นหย droplets ก่อให้เกิดการกระเด็น

ฉากเหตุการณ์กระเด็น

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบ่งออกเป็น การเชื่อมโดยใช้การนำความร้อน และการเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึก

การเชื่อมด้วยการนำความร้อนแทบไม่มีการกระเด็นของโลหะ: การเชื่อมด้วยการนำความร้อนส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวของวัสดุไปยังภายใน โดยแทบไม่มีการกระเด็นของโลหะเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ กระบวนการนี้ไม่เกี่ยวข้องกับการระเหยของโลหะอย่างรุนแรงหรือปฏิกิริยาทางโลหะวิทยาเชิงกายภาพ

การเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกเป็นสถานการณ์หลักที่ทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะ: การเชื่อมแบบทะลุทะลวงลึกเกี่ยวข้องกับการใช้เลเซอร์เข้าถึงวัสดุโดยตรง ถ่ายเทความร้อนไปยังวัสดุผ่านรูเล็กๆ และปฏิกิริยาของกระบวนการมีความรุนแรง ทำให้เป็นสถานการณ์หลักที่ทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะ

ดังแสดงในรูปข้างต้น นักวิชาการบางท่านใช้การถ่ายภาพความเร็วสูงร่วมกับกระจกใสทนความร้อนสูงเพื่อสังเกตสถานะการเคลื่อนที่ของรูเชื่อมในระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ พบว่าเลเซอร์จะกระทบกับผนังด้านหน้าของรูเชื่อมเป็นหลัก ผลักของเหลวให้ไหลลงด้านล่าง ผ่านรูเชื่อมและไปถึงส่วนท้ายของบ่อหลอมเหลว ตำแหน่งที่เลเซอร์ตกกระทบภายในรูเชื่อมไม่คงที่ และเลเซอร์อยู่ในสภาวะการดูดกลืนแบบเฟรสเนลภายในรูเชื่อม อันที่จริงแล้ว มันเป็นสภาวะของการหักเหและการดูดกลืนหลายครั้ง ซึ่งช่วยรักษาการคงอยู่ของของเหลวในบ่อหลอมเหลว ตำแหน่งของการหักเหของเลเซอร์ในแต่ละกระบวนการจะเปลี่ยนแปลงไปตามมุมของผนังรูเชื่อม ทำให้รูเชื่อมอยู่ในสภาวะการเคลื่อนที่แบบบิด ตำแหน่งการฉายแสงเลเซอร์จะหลอมเหลว ระเหย ถูกแรงกระทำ และเสียรูป ดังนั้นการสั่นแบบเพริสตัลติกจึงเคลื่อนไปข้างหน้า

การเปรียบเทียบที่กล่าวถึงข้างต้นใช้กระจกใสทนความร้อนสูง ซึ่งในความเป็นจริงแล้วเทียบเท่ากับภาพตัดขวางของบ่อหลอมเหลว อย่างไรก็ตาม สภาวะการไหลของบ่อหลอมเหลวนั้นแตกต่างจากสถานการณ์จริง ดังนั้น นักวิชาการบางท่านจึงใช้เทคโนโลยีการแช่แข็งอย่างรวดเร็ว ในระหว่างกระบวนการเชื่อม บ่อหลอมเหลวจะถูกแช่แข็งอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้สภาวะ ณ ขณะนั้นภายในรูเจาะ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าเลเซอร์กำลังกระทบกับผนังด้านหน้าของรูเจาะ ทำให้เกิดเป็นขั้นบันได เลเซอร์จะกระทำต่อร่องขั้นบันไดนี้ ผลักบ่อหลอมเหลวให้ไหลลงด้านล่าง เติมเต็มช่องว่างของรูเจาะในขณะที่เลเซอร์เคลื่อนที่ไปข้างหน้า และด้วยเหตุนี้จึงได้แผนภาพทิศทางการไหลโดยประมาณของการไหลภายในรูเจาะของบ่อหลอมเหลวในความเป็นจริง ดังแสดงในรูปด้านขวา แรงดันย้อนกลับของโลหะที่เกิดจากการกัดเซาะด้วยเลเซอร์ของโลหะเหลวจะผลักดันให้บ่อหลอมเหลวไหลผ่านผนังด้านหน้า รูเจาะเคลื่อนที่ไปยังส่วนท้ายของแอ่งหลอมเหลว พุ่งขึ้นด้านบนเหมือนน้ำพุจากด้านหลังและกระทบกับพื้นผิวของแอ่งหลอมเหลวส่วนท้าย ในขณะเดียวกัน เนื่องจากแรงตึงผิว (ยิ่งอุณหภูมิแรงตึงผิวต่ำ แรงกระแทกยิ่งมาก) โลหะเหลวในแอ่งหลอมเหลวส่วนท้ายจะถูกดึงด้วยแรงตึงผิวให้เคลื่อนที่ไปยังขอบของแอ่งหลอมเหลวและแข็งตัวอย่างต่อเนื่อง โลหะเหลวที่สามารถแข็งตัวได้ในอนาคตจะไหลเวียนกลับลงไปยังส่วนท้ายของรูเจาะ และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป

แผนภาพแสดงการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์: A: ทิศทางการเชื่อม; B: ลำแสงเลเซอร์; C: รูเจาะ; D: ไอโลหะ, พลาสมา; E: ก๊าซป้องกัน; F: ผนังด้านหน้าของรูเจาะ (การเจียรเพื่อเตรียมการหลอม); G: การไหลในแนวนอนของวัสดุหลอมเหลวผ่านทางเดินของรูเจาะ; H: ส่วนต่อประสานการแข็งตัวของบ่อหลอม; I: เส้นทางการไหลลงของบ่อหลอม

กระบวนการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์และวัสดุ: เลเซอร์จะกระทำต่อพื้นผิวของวัสดุ ทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรง วัสดุจะถูกทำให้ร้อน หลอมเหลว และระเหยไปก่อน ในระหว่างกระบวนการระเหยอย่างรุนแรง ไอโลหะจะเคลื่อนที่ขึ้นด้านบน ทำให้เกิดแรงดันย้อนกลับลงด้านล่างแก่แอ่งหลอมเหลว ส่งผลให้เกิดรูเล็กๆ เลเซอร์จะเข้าไปในรูเล็กๆ นั้น และเกิดกระบวนการปล่อยและดูดซับหลายครั้ง ส่งผลให้มีไอโลหะไหลเข้ามาอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษารูเล็กๆ นั้นไว้ เลเซอร์จะกระทำต่อผนังด้านหน้าของรูเป็นหลัก และการระเหยส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ผนังด้านหน้าของรู แรงดันย้อนกลับจะผลักโลหะเหลวจากผนังด้านหน้าของรูให้เคลื่อนที่ไปรอบๆ รูไปยังส่วนท้ายของแอ่งหลอมเหลว ของเหลวที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงรอบๆ รูจะกระทบกับแอ่งหลอมเหลวขึ้นด้านบน ทำให้เกิดคลื่นนูน จากนั้น ด้วยแรงตึงผิว มันจะเคลื่อนที่ไปยังขอบและแข็งตัวเป็นวัฏจักรเช่นนี้ การกระเด็นส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นที่ขอบของช่องเปิดรูปกุญแจ และโลหะเหลวบนผนังด้านหน้าจะไหลผ่านช่องเปิดรูปกุญแจด้วยความเร็วสูงและพุ่งชนตำแหน่งของแอ่งหลอมเหลวที่ผนังด้านหลัง