ผลกระทบของสิ่งปนเปื้อนในระบบออปติกของเครื่องเชื่อมเลเซอร์ต่อคุณภาพการเชื่อม

ข้อที่ 1. บทนำ

เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการปิดผนึกแบตเตอรี่ลิเธียม การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ และการแปรรูปโลหะ เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความแม่นยำในการเชื่อม และการบิดเบี้ยวต่ำ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการทำงานระยะยาว ระบบออพติกของเครื่องเชื่อมเลเซอร์มักจะเกิดการปนเปื้อนจากควัน สะเก็ดการเชื่อม น้ำมัน และความชื้น ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพการถ่ายทอดลำแสง และในท้ายที่สุดทำให้ความเสถียรของการเชื่อมลดลง การปนเปื้อนของชิ้นส่วนออพติกได้กลายเป็นปัจจัยที่อาจส่งผลกระทบโดยไม่คาดคิดต่อคุณภาพการเชื่อม จึงควรแก้ไขปัญหานี้ทั้งในด้านกระบวนการผลิตและการบำรุงรักษา

II. บทบาทของระบบออพติกในเครื่องเชื่อมเลเซอร์

ระบบออพติกทั่วไปประกอบด้วย:

หน้าต่างเอาต์พุตเลเซอร์

ตัวขยายลำแสงแบบขนาน (Collimator/beam expander)

กาลวานอมิเตอร์สแกน (ถ้ามี)

เลนส์โฟกัส หรือ เลนส์ F-Theta

เลนส์ป้องกัน (เพื่อปกป้องชิ้นส่วนออพติก)

หน้าที่หลักของระบบออพติคอลคือการส่งผ่านและโฟกัสลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงไปยังบริเวณที่ต้องการเชื่อมอย่างแม่นยำ ดังนั้นความสะอาดและการส่งผ่านแสงของพื้นผิวออพติคอลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของการถ่ายเทพลังงานในระหว่างการเชื่อม

III. แหล่งที่มาหลักของสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวออพติคอล

สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวออพติคอลส่วนใหญ่เกิดจากแหล่งต่อไปนี้:

ควันและหยดน้ำควบแน่น
ไอโลหะที่เกิดจากการเชื่อมที่อุณหภูมิสูงจะควบแน่นกลายเป็นอนุภาคและสะสมอยู่บนพื้นผิวออพติคอล

การเกาะติดของสะเก็ดละอองเหล็กหลอมเหลว
ในระหว่างการเชื่อมแบบเจาะลึกหรือกระบวนการที่ไม่มั่นคง หยดของเหลวอาจกระเด็นไปเกาะติดที่เลนส์ป้องกัน

ความชื้นและฟิล์มน้ำมัน
มาจากเครื่องอัดอากาศที่มีน้ำมัน น้ำยาหล่อเย็นรั่ว หรือความชื้นในอากาศ ซึ่งสามารถสร้างฟิล์มบางที่ทำให้การส่งผ่านแสงลดลง

คราบปลายนิ้วมือและสารตกค้างจากการทำความสะอาด
การสัมผัสของมนุษย์หรือตัวทำละลายที่ไม่เหมาะสมสามารถก่อให้เกิดการปนเปื้อนซ้ำบนพื้นผิวออปติกได้

สารปนเปื้อนเหล่านี้อาจปรากฏในรูปแบบของฝุ่น ฟิล์มน้ำมัน อนุภาคของแข็ง หรือรอยไหม้

IV. กลไกที่สารปนเปื้อนบนพื้นผิวออปติกส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อม

สารปนเปื้อนบนพื้นผิวออปติกส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อมโดยหลักๆ ดังต่อไปนี้:

1. การลดทอนพลังงานเลเซอร์

สารปนเปื้อนจะลดประสิทธิภาพการถ่ายโอนลำแสง ทำให้พลังงานในการเชื่อมไม่เพียงพอ อาการที่พบบ่อย ได้แก่:

การเจาะทะลุของการเชื่อมไม่เพียงพอ

การไม่หลอมรวมกันอย่างสมบูรณ์ หรือรอยเชื่อมที่อ่อนแอ

รอยต่อการเชื่อมมีสีคล้ำหรือไม่ต่อเนื่อง

ช่องช่วงกระบวนการแคบลง

วัสดุที่ไวต่อระดับพลังงาน (เช่น อลูมิเนียม ทองแดง แท็บแบตเตอรี่) จะได้รับผลกระทบมากกว่า

2. การบิดเบือนของลำแสงและการเลื่อนจุดโฟกัส

การปนเปื้อนเปลี่ยนแปลงลักษณะการแพร่กระจายของลำแสง ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของจุดโฟกัสหรือการกระจายพลังงานไม่สม่ำเสมอ ซึ่งอาจนำไปสู่:

ความกว้างของการเชื่อมที่ไม่สม่ำเสมอ

เส้นทางการเชื่อมเบี่ยงเบน

การสั่นสะเทือนของหลุมหลอมเหลวเพิ่มขึ้น

ความเสถียรของการเชื่อมลดลง

ในการเชื่อมความแม่นยำสูง การเลื่อนตัวของจุดโฟกัสเพียงไม่กี่สิบถึงหลายร้อยไมครอนสามารถส่งผลต่ออัตราผลผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ

3. ความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นต่อความเสียหายจากความร้อนต่อชิ้นส่วนออพติคัล

สิ่งปนเปื้อนดูดซับพลังงานเลเซอร์และสร้างความร้อนในท้องที่ ซึ่งอาจก่อให้เกิด:

รอยไหม้จากเลนส์ป้องกันหรือการลอกของชั้นเคลือบ

จุดไหม้บนตัวขยายลำแสงหรือเลนส์สแกน

ความเสียหายต่อหน้าต่างส่งออกเลเซอร์

ความเสียหายทางออพติกมักไม่สามารถย้อนกลับได้ และจำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วน ซึ่งจะเพิ่มต้นทุน

4. ความผิดปกติและไม่เสถียรของกระบวนการเชื่อม

การปนเปื้อนทางออพติกอาจทำให้เกิด:

การเดือดของหลุมหลอมเหลวไม่สม่ำเสมอ

ปริมาณรูพรุนเพิ่มขึ้น

รอยเชื่อมหยาบหรือรอยเว้า

ระบบแจ้งเตือนหรือการผันผวนของพลังงาน

ในสายการผล้าอัตโนมัติ ปัญหาดังกล่าวส่งผลกระทบโดยตรงต่อความสม่ำเสมอและการผลิต

ข. ความแตกต่างของความไวต่อวัสดุ (โดยไม่มีตารางเปรียบเทียบ)

วัสดุที่ใช้ในการเชื่อมแต่ละประเภทมีความไวต่อการปนเปื้อนทางแสงแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น:

อลูมิเนียม: มีการสะท้อนแสงสูงและไวต่อพลังงานไม่เพียงพออย่างมาก; แม้สิ่งปนเปื้อนเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดการขาดการเจาะลึกหรือรอยบุ๋มที่ขอบได้

ทองแดงหรือแท็บแบตเตอรี่: ต้องการพลังงานที่มีเสถียรภาพสูง; การปนเปื้อนทำให้เกิดรอยเชื่อมอ่อนแอ ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าและประสิทธิภาพการชาร์จ-ปล่อยของแบตเตอรี่

เหล็กกล้าไร้สนิม: สิ่งปนเปื้อนทำให้ผิวเชื่อมขรุขระ รอยเชื่อมมีสีคล้ำ และการเจาะลึกไม่สม่ำเสมอ

เหล็กกล้าคาร์บอน: ก่อให้เกิดสะเก็ดมากขึ้น และทำให้เลนส์ออปติกปนเปื้อนอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ต้องเปลี่ยนเลนส์ป้องกันบ่อยขึ้นและกระบวนการไม่เสถียร

ความเสี่ยงเหล่านี้สามารถอธิบายได้อย่างเพียงพอโดยใช้ข้อความ โดยไม่จำเป็นต้องใช้แผนภูมิหรือการเปรียบเทียบภาพ

VI. วิธีการตรวจจับและประเมินผล

สามารถตรวจสอบการปนเปื้อนทางแสงได้ด้วยวิธีต่อไปนี้:

การตรวจสอบด้วยสายตา: ใช้แสงที่ส่องในมุมเอียงเพื่อสังเกตคราบสิ่งสกปรกบนพื้นผิวของเลนส์

การตรวจสอบการลดลงของพลังงาน: ติดตามความเบี่ยงเบนของกำลังขับออกตลอดระยะเวลา

ข้อมูลคุณภาพการเชื่อม: ตรวจสอบความลึกของการซึมผ่านและลักษณะผิวภายนอก

บันทึกสัญญาณเตือนกระบวนการ: สังเกตสัญญาณเตือนความไม่เสถียรของพลังงานการเชื่อม

สถานที่ที่มีอุปกรณ์ขั้นสูงอาจใช้อุปกรณ์ตรวจสอบด้วยกล้องแนวร่วมแกนหรืออุปกรณ์ตรวจสอบกำลังเลเซอร์สำหรับการวินิจฉัย

VII. กลยุทธ์การป้องกันและการบำรุงรักษา

สามารถควบคุมการปนเปื้อนทางออปติกได้โดยการบริหารจัดการกระบวนการและการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน:

ใช้เลนส์ป้องกันและเปลี่ยนอย่างสม่ำเสมอ

เพิ่มก๊าซป้องกันแบบเป่าข้างหรือแบบร่วมแกน

ใช้ก๊าซช่วยเหลือที่มีความบริสุทธิ์สูง (อาร์กอน/ไนโตรเจน)

ติดตั้งระบบดูดควันเพื่อลดการสะสมของสิ่งปนเปื้อน

ปรับพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อลดการกระเด็นของละอองโลหะ

ใช้อะลกอฮอล์ชนิดพิเศษและผ้าเช็ดเลนส์สำหรับการทำความสะอาด

จัดทำระบบติดตามการส่งผ่านของแสงและการจัดการอายุการใช้งานของชิ้นส่วน

แนวทางปฏิบัติเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมที่ต้องการความสม่ำเสมอสูง เช่น การผลิตแบตเตอรี่

VIII. สรุป

การปนเปื้อนของระบบออปติกเป็นปัจจัยแฝงสำคัญที่ส่งผลให้คุณภาพการเชื่อมด้วยเลเซอร์ลดลง โดยมีลักษณะซ่อนเร้น สะสมได้ และก่อให้เกิดความเสียหาย การเสริมการตรวจสอบการปนเปื้อน การปรับพารามิเตอร์กระบวนการ และการจัดทำขั้นตอนการบำรุงรักษา จะช่วยยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนออปติก และปรับปรุงความมั่นคงและความสม่ำเสมอของการเชื่อม ในขณะที่เทคโนโลยีเลเซอร์ขยายตัวเข้าสู่ภาคการผลิตแบบความแม่นยำสูง การจัดการการปนเปื้อนของออปติกจะกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่ออัตราผลผลิตและการควบคุมต้นทุน