การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความลึกโฟกัสและความเสถียรของการเชื่อมในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์

ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ลำแสงเลเซอร์จะถูกโฟกัสด้วยระบบออปติกไปยังพื้นผิวหรือภายในชิ้นงาน ทำให้เกิดบริเวณที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ความลึกโฟกัส (DOF) ในฐานะพารามิเตอร์สำคัญที่ใช้อธิบายการกระจายพลังงานในเชิงพื้นที่ของลำแสงเลเซอร์ มีอิทธิพลโดยตรงต่อการเกิดหลุมหลอมเหลว พฤติกรรมการจับคู่พลังงาน และความเสถียรโดยรวมของการเชื่อม การเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างความลึกโฟกัสและความเสถียรของการเชื่อมจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปรับแต่งช่วงการทำงานของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้เหมาะสม

1. นิยามและความหมายทางฟิสิกส์ของความลึกโฟกัส

ความลึกโฟกัส (DOF) หมายถึงช่วงแนวแกนตามทิศทางการแพร่กระจายของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งขนาดของจุดโฟกัสยังคงอยู่ภายในช่วงความแปรผันที่ยอมรับได้ โดยทั่วไปจะนิยามเป็นระยะทางที่เส้นผ่านศูนย์กลางของจุดโฟกัสเพิ่มขึ้นจนถึงค่าที่กำหนดไว้ (เช่น 1.2 หรือ 1.5 เท่า) ของเส้นผ่านศูนย์กลางจุดโฟกัสต่ำสุด

ในเชิงออปติก ความลึกของโฟกัสมีปัจจัยหลักที่มีผลดังนี้:

ความยาวคลื่นเลเซอร์

ระยะโฟกัสของเลนส์รวมแสง

คุณภาพลำแสง (ปัจจัย M²)

เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงเริ่มต้น

ความลึกของโฟกัสที่มากขึ้นจะทำให้การกระจายพลังงานตามแนวแกนค่อยเป็นค่อยไปมากขึ้น ในขณะที่ความลึกของโฟกัสที่น้อยลงจะทำให้เกิดการรวมตัวของพลังงานสูงขึ้น แต่มีความไวต่อการเบี่ยงเบนตำแหน่งมากกว่า

2. แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับความเสถียรของการเชื่อม

ความเสถียรของการเชื่อมโดยทั่วไปหมายถึงความสม่ำเสมอของพฤติกรรมบ่อหลอม พลังงานที่ป้อนเข้า และการเกิดรอยเชื่อมในกระบวนการเชื่อม ภายใต้สภาวะการเชื่อมที่มีเสถียรภาพ ความกว้างของรอยเชื่อม ความลึกของการเจาะ พฤติกรรมสะเก็ดเชื่อม และสถานะพลาสมาจะคงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ

ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อความเสถียรของการเชื่อม ได้แก่:

กำลังเลเซอร์และการเปลี่ยนแปลงของกำลัง

การเบี่ยงเบนตำแหน่งโฟกัส

การยึดชิ้นงานและการความเรียบผิว

ความเร็วในการผสม

สภาวะก๊าซป้องกัน

ในปัจจัยเหล่านี้ การเบี่ยงเบนเล็กเล็กในตำแหน่งโฟกัสมักถูกขยายผ่านความลึกของโฟกัส ซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อความมั่นเสถียรของการเชื่อม

3. กลไกที่ความลึกของโฟกัสส่งอิทธิพลต่อความมั่นเสถียรของการเชื่อม
3.1 ความลึกของโฟกัสและความทolerance ของตำแหน่งโฟกัส

ในการผลิตที่เป็นจริง การแปรผันของความสูงชิ้นงาน การเสียรูปจากความร้อน และข้อผิดพลาดในการยึดชิ้นงานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่่อความลึกของโฟกัสใหญ่ การเบี่ยงเบนตำแหน่งโฟกัสในระดับปานกลางจะส่งผลต่อขนาดจุดและความหนาดังน้อย ทำให้ลักษณะของหลอมเหลวยังคงเสถียร

ในทางตรงกันข้า ระบบที่มีความลึกของโฟกัสน้อยจะมีความไวต่อการเปลี่ยนตำแหน่งโฟกัสอย่างมาก แม้การเบี่ยงเบนเล็กเล็กก็สามารถทำให้ความหนาดังเกิดการผันผวนอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลต่อความลึกของการเจาะไม่สม่ำเสมอ ความกว้างของรอยเชื่อมไม่สม่ำเสมอ หรือข้อบกพร่องต่างๆ เช่น การไม่หลอมรวมอย่างเพียงพอ หรือการไหม้ทะลุ

3.2 อิทธิพลของความลึกของโฟกัสต่อความมั่นเสถียรเชิงพลวัตของหลอมเหลว

ลำแสงเลเซอร์ที่มีความลึกของโฟกัสมากกว่าจะแสดงการกระจายพลังงานตามแนวแกนที่เรียบกว่า ส่งผลทำให้ลักษณะของหลอมเหลวตอบสนองต่อการรบกวนพลังงานช้ากว่า ช่วยยับยั้งการสั่นไม่เสถียรของหลอมเหลวและการเกิดสะเก็ดโลหะ

เมื่่อความลึกของโฟกัสต่ำ พลังงานจะถูกรวมไว้ในพื้นที่แคบ ทำให้เกิดความชันของอุณหภูมิที่สูงภายในหลอมเหลว สิ่งนี้เพิ่มการกลายเป็นไอของโลหะและความผันผวนของแรงดันถอยกลับ ทำให้มีความเป็นไปว่าเกิดความไม่เสถียรของหลอมเหลว การเปลี่ยนแปลงลักษณะของแนวเชื่อม และการเกิดสะเก็ดโลหะมากขึ้น

3.3 ความลึกของโฟกัสและความความทนทานของกระบวนการ

ในงานเชื่อมเลเซอร์ที่ใช้ระบบอัตตาจริย์หรือความเร็วสูง ความทนทานต่อการรบกวนจากภายนอกมีความสำคัญโดยเฉพาะ ความลึกของโฟกัสที่มากกว่าจะเพิ่มความทนทานของกระบวนการ ทำให้กระบวนการเชื่อมน้อยไวต่อความคลาดของชิ้นงาน ความบิดเบี้ยวจากความร้อน และการสั่นสะเทือนเชิงกล จึงเพิ่มความสม่ำเสมอโดยรวมของงานเชื่อม

4. ความเกี่ยวข้องของความลึกของโฟกัสในโหมดเชื่อมต่างๆ
4.1 โหมดเชื่อมแบบนำความร้อน

ในการเชื่อมแบบโหมดการนำความร้อนภายใต้สภาวะความเข้มข้นของพลังงานต่ำ การมีระยะโฟกัสที่ลึกกว่าจะช่วยให้การป้อนความร้อนมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และทำให้พื้นผิวรอยเชื่อมเรียบเนียนขึ้น โครงสร้างนี้ให้ความมั่นคงที่ดี และเหมาะสมกับการเชื่อมแผ่นบางและการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง

4.2 โหมดการเชื่อมแบบคีย์โฮล

การเชื่อมแบบคีย์โฮลอาศัยความเข้มข้นของพลังงานสูงเพื่อสร้างและรักษาหลอดไอน้ำที่มีเสถียรภาพ ในโหมดนี้ หากมีระยะโฟกัสที่ใหญ่เกินไป จะทำให้ความเข้มข้นของพลังงานสูงสุดลดลง ส่งผลให้การสร้างคีย์โฮลทำได้ยากขึ้น ในขณะที่ระยะโฟกัสที่เล็กเกินไปจะเพิ่มความไวต่อข้อผิดพลาดของตำแหน่งโฟกัส ดังนั้นจึงจำเป็นต้องออกแบบให้มีความสมดุลระหว่างความหนาแน่นของพลังงานและความทนทานต่อตำแหน่งโฟกัส

5. ความสำคัญทางวิศวกรรมของการปรับแต่งระยะโฟกัส

ในการออกแบบกระบวนการที่ใช้ในทางปฏิบัติ ไม่ควรเพิ่มหรือลดความลึกของโฟกัสโดยไม่เลือกปัจจัยอย่างใดอย่างใด แต่ต้องปรับค่าความลึกของโฟกัสอย่างเหมาะสมตามประเภทของวัสดุ ช่วงความหนา ความเร็วในการเชื่อม และความแม่นยำของระบบ โดยการเลือกความยาวโฟกัสอย่างเหมาะสม ควบคุมคุณภาพของลำรังสี และจับคู่พารามิเตอร์การเชื่อมอย่างถูกต้อง จะสามารถรักษาความหนาแน่นของพลังงานในระดับเพียงพอ ขณะปรับปรุงความมั่นคงและความสม่ำเสมอของการเชื่อม

ความลึกของโฟกัสเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่เชื่อมโยงลักษณะทางแสงของเลเซอร์กับความมั่นคงของกระบวนการเชื่อม โดยความลึกของโฟกัสที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มความทนต่อการเบี่ยงเบนตำแหน่งโฟกัสและสิ่งรบกวนภายนอก ทำให้การเชื่อมมีความมั่นคงดีขึ้น ในทางกลับ ความลึกของโฟกัสที่เล็กลงจะทำให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น แต่ต้องการความแม่นยำของระบบที่เข้มงวดมากกว่า การบรรลุสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความลึกของโฟกัสกับการรวมพลังงานเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มั่นคงและมีคุณภาพสูง