สาเหตุและวิธีการควบคุมรูพรุนจากแก๊สในรอยเชื่อมเลเซอร์

ข้อที่ 1. บทนำ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อได้เปรียบ เช่น ความหนาแน่นของพลังงานสูง โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดเล็ก การเกิดรอยเชื่อมมีคุณภาพดี และการบิดเบี้ยวน้อย จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตแผ่นโลหะ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การผลิตแบตเตอรี่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุตสาหกรรมยานยนต์ อย่างไรก็ตาม ในการประยุกต์ใช้งานการเชื่อมจริง ข้อบกพร่องจากฟองอากาศ (porosity) มักเกิดขึ้นภายในหรือบนพื้นผิวของรอยเชื่อมบ่อยครั้ง เนื่องจากปัจจัยร่วมกันของวัสดุ อุปกรณ์ และกระบวนการ ข้อบกพร่องเหล่านี้ส่งผลเสียต่อความแข็งแรง ความหนาแน่น และคุณภาพด้านรูปลักษณ์ของรอยเชื่อม ดังนั้น จึงจำเป็นต้องวิเคราะห์กลไกการเกิดฟองอากาศ และเสนอมาตรการควบคุมที่มีประสิทธิภาพ เพื่อปรับปรุงความเสถียรของการเชื่อมและคุณภาพของผลิตภัณฑ์

II. สาเหตุหลักของฟองอากาศในรอยเชื่อม

ฟองอากาศในการเชื่อมมักเกิดจากการกักตัวของก๊าซ การตกตะกอนของก๊าซที่ละลายอยู่ หรือการกลายเป็นไอของวัสดุ สาเหตุสำคัญ ได้แก่:

1. ความสกปรกบนพื้นผิวของวัสดุ

เมื่อพื้นผิวที่ต้องเชื่อมมีน้ำมัน ความชื้น สนิม หรือสารเคลือบ สารเหล่านี้จะสลายตัวภายใต้อุณหภูมิสูงและสร้างก๊าซที่เข้าสู่ลูกปูนหลอม เช่น

การปนเปื้อนด้วยน้ำมัน → สร้างก๊าซไฮโดรคาร์บอน

ความชื้น → สร้าง H₂ และ O₂

สารเคลือบ → สลายตัวเป็นก๊าซอินทรีย์หรืออนินทรีย์

หากลูกปูนหลอมแข็งตัวเร็ว ก๊าซเหล่านี้จะไม่สามารถระเหยออกทันและเกิดเป็นรูพรุน

2. ปริมาณก๊าซในวัสดุมีค่าสูง

วัสดุบางชนิดมีปริมาณไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน หรือสิ่งเจือปนสูงกว่าปกติ ซึ่งอาจตกตะกอนและกลายเป็นฟองในระหว่างกระบวนการหลอม เช่น

โลหะผสมอลูมิเนียมไวต่อกับไฮโดรเจน

เหล็กกล้าไวต่อกับออกซิเจน

โลหะผสมทองแดงไวต่อกับไนโตรเจน

หากเวลาของบ่อหลอมไม่เพียงพอหรือการระบายความร้อนเร็วเกินไป ก๊าซจะถูกกักอยู่ภายในและก่อให้เกิดรูพรุน

3. พลังงานเลเซอร์ป้อนเข้าไม่เพียงพอหรือไม่คงที่

หากความหนาแน่นของพลังงานไม่เพียงพอ บ่อหลอมจะตื้นและมีความสามารถในการไหลต่ำ ทำให้ก๊าซไม่สามารถระเหยออกได้อย่างเหมาะสม การเปลี่ยนแปลงของพลังงานยังอาจทำให้การปิดผนึกบ่อหลอมไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการกักตัวของฟองอากาศ

ลักษณะทั่วไปที่พบได้ ได้แก่:

การเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟเลเซอร์

จุดโฟสเบี่ยงเบนจนทำให้ความหนาแน่นของพลังงานลดลง

ความเร็วในการเชื่อมสูงเกินไป ทำให้การเจาะทะลุไม่สมบูรณ์

4. การปกคลุมด้วยก๊าซป้องกันไม่เหมาะสม

การป้องกันไม่เพียงพอหรือทิศทางของการป้องกันผิดพลาด ทำให้อากาศเข้าสู่บ่อหลอมและเกิดปฏิกิริยากับก๊าซ ขณะที่การไหลของก๊าซมากเกินไปอาจทำให้เกิดการปั่นป่วนหรือกักอากาศเข้ามา

ปัญหาทั่วไป ได้แก่:

การไหลของอาร์กอนมากเกินไปจนก่อให้เกิดการหมุนวน

แก๊สไม่ตรงตำแหน่งทำให้การป้องกันไม่สมบูรณ์

หัวพ่นถูกปนเปื้อนจนทำให้สนามการไหลเกิดความผิดปกติ

5. ความไม่เข้ากันระหว่างวัสดุเติมและโลหะฐาน

ในการเชื่อมด้วยลวดเติม หากองค์ประกอบของลวดเติม เนื้อแก๊ส หรือความสะอาดไม่เหมาะสม อาจนำแก๊สหรือสิ่งเจือปนเพิ่มเติมเข้ามาได้

ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่

ลวดเชื่อมที่มีความชื้นหรือดูดซับความชื้นได้ง่าย

สภาพการจัดเก็บที่ไม่เหมาะสม

การทำความสะอาดลวดไม่เพียงพอ

III. อันตรายหลักจากฟองในรอยเชื่อม

ข้อบกพร่องจากฟองอากาศมีผลต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์โดยหลักผ่าน:

ลดความแข็งแรงและความทนทานต่อการเหนื่อยล้าของรอยเชื่อม

ประสิทธิภาพการปิดผนึกและการกันสิ่งต่างๆ ลดลง

คุณภาพของรูปลักษณ์ภายนอกลดลง

ความน่าเชื่อถือลดลงในงานประยุกต์ใช้งานที่สำคัญ

อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น กล่องแบตเตอรี่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และโครงสร้างที่ต้องกันแก๊สอาจปฏิเสธผลิตภัณฑ์ทั้งหมดเนื่องจากข้อบกพร่องรูพรุน

IV. วิธีการควบคุมข้อบกพร่องรูพรุนจากการเชื่อม

เพื่อปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมด้วยเลเซอร์ จำเป็นต้องดำเนินการปรับให้เหมาะสมในด้านวัสดุ อุปกรณ์ กระบวนการ และสภาพแวดล้อม

1. ดำเนินการเตรียมพื้นผิวอย่างเหมาะสม

การทำความสะอาดพื้นผิวที่จะเชื่อมช่วยลดความเสี่ยงจากปัญหารูพรุนได้อย่างมีนัยสำคัญ วิธีการทั่วไป ได้แก่:

การทำความสะอาดด้วยเครื่องจักร (การเจียร การขัดด้วยแปรง)

การทำความสะอาดด้วยตัวทำละลาย (แอลกอฮอล์ อะซิโตน)

การทำความสะอาดด้วยเลเซอร์ (เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก)

การอบแห้งและกำจัดความชื้น (โดยเฉพาะสำหรับโลหะผสมอลูมิเนียม)

พื้นที่สำคัญ ได้แก่ บริเวณรอยเชื่อมและพื้นที่สัมผัสภายในของข้อต่อแบบทับซ้อน

2. ควบคุมคุณภาพวัสดุและสภาพการจัดเก็บ

ตามลักษณะการดูดซับก๊าซของวัสดุ:

ควรเก็บโลหะผสมอลูมิเนียมให้แห้งเพื่อป้องกันการดูดซับความชื้น

ควรป้องกันชิ้นส่วนทองแดงจากการเกิดออกซิเดชันโดยใช้ก๊าซหรือเคลือบผิว

เหล็กควรหลีกเลี่ยงสนิมอย่างรุนแรงและสิ่งปนเปื้อน

ในการเชื่อมด้วยลวดเติม ลวดจะต้องคงความแห้งและสะอาด

3. เพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์พลังงานเลเซอร์

การจับคู่กระบวนการอย่างเหมาะสมมีความสำคัญต่อการระบายก๊าซ แนวทางการปรับแต่งรวมถึง:

เพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน → ปรับปรุงการเจาะลึกและการไหลเวียน

ลดความเร็วในการเชื่อม → เพิ่มระยะเวลาที่บ่อหลอมเปิดอยู่

ปรับตำแหน่งโฟกัส → เพิ่มความเสถียรของบ่อหลอม

ทำให้ลำแสงเลเซอร์มีเสถียรภาพ → ป้องกันการผันผวนของพลังงาน

ในการเชื่อมแบบเจาะลึก การเบี่ยงเบนโฟกัสในทิศทางลบอาจช่วยเพิ่มการเจาะลึกและพฤติกรรมการไหล

4. ปรับปรุงระบบก๊าซป้องกัน

การปรับแต่งก๊าซป้องกัน ได้แก่:

การเลือกก๊าซที่เหมาะสม (เช่น อาร์กอนสำหรับการเชื่อมอลูมิเนียม)

ควบคุมอัตราการไหลให้เหมาะสม (หลีกเลี่ยงการเกิดแรงกระเพื่อม)

ปรับมุมหัวพ่นและระยะห่างให้เหมาะสม

เพิ่มพื้นที่การป้องกันเพื่อป้องกันการปะปนของอากาศ

สำหรับการเชื่อมอลูมิเนียม มักใช้การป้องกันด้วยแก๊สสองชนิดหรือการปิดล้อมเพื่อลดความพรุน

5. เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบข้อต่อและรูปแบบการเชื่อม

การออกแบบข้อต่อส่งผลต่อพฤติกรรมการระบายก๊าซ:

ควรเลือกใช้ข้อต่อแบบบัทแทนข้อต่อแบบทับซ้อนเมื่อทำได้

จัดทำทางระบายก๊าซสำหรับข้อต่อแบบทับซ้อนหากหลีกเลี่ยงไม่ได้

หลีกเลี่ยงโครงสร้างที่ปิดล้อมซึ่งอาจกักก๊าซไว้ระหว่างการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว

การออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมจะช่วยลดแรงเครียดและเพิ่มประสิทธิภาพการระบายก๊าซ

ข้อที่ 5. บทสรุป

ข้อบกพร่องจากความพรุนในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เป็นข้อบกพร่องทั่วไปที่เกิดจากผลกระทบรวมกันของวัสดุ กระบวนการ และสภาพแวดล้อม กลไกการเกิดข้อบกพร่องนี้มีความสัมพันธ์อย่างซับซ้อนกับหลายปัจจัย การปรับปรุงคุณภาพความสะอาดของวัสดุ การปรับแต่งพารามิเตอร์ของเลเซอร์และก๊าซป้องกันอย่างเหมาะสม ตลอดจนการใช้ออกแบบต่อข้อที่ถูกต้อง สามารถช่วยเพิ่มคุณภาพและสมรรถนะของการเชื่อมได้อย่างมาก ในสภาพแวดล้อมการผลิต การผสานระบบตรวจสอบคุณภาพแบบออนไลน์และระบบควบคุมคุณภาพแบบวงจรปิดสามารถช่วยเพิ่มความมั่นคงของคุณภาพการเชื่อม และสนับสนุนการนำไปใช้งานในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลายยิ่งขึ้น