ข้อจำกัดของเครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์คืออะไร

เครื่องเชื่อมเลเซอร์เป็นอุปกรณ์แปรรูปชนิดหนึ่งที่ใช้ลำแสงเลเซอร์ความหนาแน่นพลังงานสูงเพื่อให้เกิดการต่อวัสดุ โดยมีพลังงานที่รวมศูนย์ การควบคุมปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าได้ และรูปร่างรอยเชื่อมที่มีเสถียรภาพ จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการต่อชิ้นส่วนโครงสร้างโลหะและชิ้นส่วนความแม่นยำสูง ในทางปฏิบัติ เลเซอร์สามารถเชื่อมได้ดีเยี่ยม แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการ

I. ข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์
1. การประชุม ความหนาแน่นของพลังงานสูง

ลำแสงเลเซอร์มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งสามารถสร้างหลุมหลอมเหลวในพื้นที่จำกัดได้ทันที เพื่อให้เกิดการเชื่อมแบบเจาะลึกหรือการเชื่อมแบบนำความร้อน มีความเหมาะสมกับชิ้นงานที่ต้องการควบคุมโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนอย่างเข้มงวด

2. ความร้อนป้อนต่ำและการบิดเบี้ยวต่ำ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีปริมาณความร้อนรวมต่ำ และมีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) แคบ ช่วยลดการบิดเบี้ยวของชิ้นงาน ทำให้เหมาะกับชิ้นส่วนผนังบางและชิ้นส่วนความแม่นยำสูง

3. ความเร็วในการเชื่อมสูง

การเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความเร็วในการเชื่อมสูง เหมาะสำหรับสายการผลิตแบบอัตโนมัติ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต

4. คุณภาพการเชื่อมสูง

รอยเชื่อมมีลักษณะแคบ อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างสูง และมีการเจาะลึกที่สม่ำเสมอ จึงสามารถตอบสนองข้อกำหนดของข้อต่อเชื่อมที่ต้องการความแข็งแรงสูง

5. การประมวลผลแบบไม่สัมผัส

หัวเชื่อมไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับชิ้นงานระหว่างการเชื่อม ทำให้เหมาะกับโครงสร้างที่ซับซ้อน หรือข้อต่อเชื่อมที่เข้าถึงได้ยาก

II. ข้อจำกัดของเครื่องเชื่อมเลเซอร์
1. ต้องการความแม่นยำสูงในการประกอบ

ลำแสงเลเซอร์มีขนาดจุดเล็กและไวต่อช่องว่างในการเชื่อม ความแม่นยำในการจัดตำแหน่ง และค่าความคลาดเคลื่อนของมิติ ช่องว่างที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดหลอมละลายไม่เสถียร การหลอมรวมไม่สมบูรณ์ หรือโครงสร้างพังทลาย

2. ความไวต่อสภาพผิววัสดุ

วัสดุที่มีการสะท้อนสูง (เช่น ทองแดง อลูมิเนียม ทอง และเงิน) มีการดูดซับเลเซอร์ช่วงอินฟราเรดต่ำ ทำให้เกิดการสะท้อนได้ง่ายและพลังงานที่ถ่ายโอนไม่เพียงพอ คราบน้ำมันและชั้นออกไซด์บนผิววัสดุยังส่งผลต่อความสม่ำเสมอของการเชื่อม

3. อุปกรณ์มีต้นทุนสูง

แหล่งกำเนิดเลเซอร์ ชิ้นส่วนออปติก และระบบระบายความร้อนมีราคาสูง ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนชิ้นส่วนออปติกสูงกว่าอุปกรณ์เชื่อมแบบดั้งเดิม

4. ต้องการสภาพแวดล้อมการทำงานที่เข้มงวด

ระบบเลเซอร์ต้องการสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิคงที่ และต้องหลีกเลี่ยงฝุ่นและไอหมอกน้ำมันที่อาจเข้าสู่เส้นทางแสง เครื่องจักรกำลังสูงต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำและแหล่งจ่ายไฟที่มั่นคง

5. ต้องการมาตรการป้องกันความปลอดภัยอย่างเข้มงวด

รังสีเลเซอร์ สะเก็ดที่กระจายตัว และแสงสะท้อน อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงได้ ผู้ปฏิบัติงานต้องสวมแว่นตาป้องกันและใช้อุปกรณ์ล้อมรอบหรือม่านนิรภัยแสง

6. การตรวจสอบรอยเชื่อมที่ยากลำบาก

การเชื่อมเจาะลึกจะให้รอยเชื่อมที่แคบและลึก ทำให้ข้อบกพร่องภายใน เช่น รูพรุน โพรงหดตัว และการซึมลึกไม่เพียงพอ ตรวจพบได้ยากด้วยสายตา จำเป็นต้องใช้การทดสอบแบบไม่ทำลายด้วยรังสีเอกซ์หรืออัลตราโซนิก

7. ข้อจำกัดในการเชื่อมแผ่นหนา

สำหรับวัสดุที่มีความหนามากกว่าค่าหนึ่ง การเชื่อมแบบผ่านเดียวไม่สามารถเจาะลึกทั้งหมดได้ จำเป็นต้องใช้การเชื่อมหลายรอบ หรือการเชื่อมแบบผสมระหว่างเลเซอร์และอาร์ก

8. ความไวต่อการแตกร้าวในวัสดุบางชนิด

เหล็กกล้าคาร์บอนสูง เหล็กกล้าแข็ง และเหล็กหล่อ มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวขณะร้อนหรือการแตกร้าวขณะเย็นลงระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ จำเป็นต้องมีการอุ่นล่วงหน้า การควบคุมการเย็นตัว หรือการปรับคลื่นสัญญาณ

III. วัสดุที่สามารถใช้งานได้และข้อจำกัดของวัสดุ
เหมาะสำหรับวัสดุ:

1.เหล็กไร้ขัด

2.เหล็กคาร์บอน

3.อลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียม

4.ทองแดงและโลหะผสมทองแดง

5.โลหะผสมที่มีส่วนประกอบของนิกเกิล

6.โลหะผสมไทเทเนียม

7.วัสดุแผ่นบางโลหะ

ข้อจำกัดของวัสดุ:

1.วัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง (ทองแดง อลูมิเนียม) ต้องใช้เลเซอร์สีฟ้า/สีเขียว หรือความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น

2.เหล็กกล้าคาร์บอนสูงและเหล็กหล่อเหนียวต้องใช้การให้ความร้อนล่วงหน้า หรือการเชื่อมที่ควบคุมรูปคลื่น

3.วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (พลาสติก เซรามิก) ต้องใช้ชนิดเลเซอร์ที่แตกต่างกัน (เช่น เลเซอร์ CO₂ หรือเลเซอร์พิโคเซกันด์)

IV. สถานการณ์การประยุกต์ใช้งานทั่วไปของการเชื่อมด้วยเลเซอร์

1.การผลิตแบบความแม่นยำสูง: การเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ การปิดผนึกเซ็นเซอร์ การเชื่อมแท็บแบตเตอรี่ลิเธียม

2.การผลิยานยนต์: การเชื่อมโครงตัวถัง การเชื่อมเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง การเชื่อมเปลือกแบตเตอรี่

3.การบินและอวกาศ: การเชื่อมชิ้นส่วนผนังบางจากโลหะผสมนิกเกิลและไทเทเนียม

4. อุปกรณ์ทางการแพทย์: การเชื่อมไมโครอุปกรณ์จากสแตนเลสและไทเทเนียม

5. การผลิตฮาร์ดแวร์: เครื่องใช้ในครัวเรือน เคสโลหะ ด้ามจับ และชิ้นส่วนแผ่นบางอื่นๆ

6. อุตสาหกรรมพลังงานใหม่: การเชื่อมส่วนนำไฟฟ้าทองแดง–อลูมิเนียม การเชื่อมแผ่นลามิเนตสเตเตอร์ของมอเตอร์

V. ข้อกำหนดสภาพแวดล้อมในการทำงาน

1. อุณหภูมิภายในอาคารคงที่ (โดยทั่วไป 15–30°C)

2. ความชื้นปานกลางเพื่อหลีกเลี่ยงการควบแน่น

3. อากาศสะอาด ปราศจากฝุ่นและไอไขมัน

4. แหล่งจ่ายไฟที่มั่นคง ไม่มีการผันผวนของแรงดันไฟฟ้า

5. ระบบเครื่องทำความเย็นเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของเลเซอร์และหัวเชื่อม

6. พื้นที่ปลอดภัยสำหรับเลเซอร์ที่มีอุปกรณ์ป้องกันที่เหมาะสม

เครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์มีข้อดีคือความเร็วสูง ความแม่นยำสูง พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนต่ำ และเหมาะสมกับการใช้งานแบบอัตโนมัติ เครื่องเหล่านี้รองรับวัสดุโลหะหลากหลายประเภท และมีประสิทธิภาพในการเชื่อมที่ต้องการความแม่นยำสูง อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงในการประกอบ ต้องการเงื่อนไขเฉพาะของวัสดุ และพารามิเตอร์สภาพแวดล้อมที่ควบคุมอย่างเข้มงวด อีกทั้งยังมีค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์และการบำรุงรักษาระดับสูง วัสดุบางชนิดอาจมีแนวโน้มเกิดรอยแตกหรือมีปัญหาในการถ่ายเทพลังงาน ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องเลือกประเภทเลเซอร์และกระบวนการเชื่อมที่เหมาะสม โดยพิจารณาจากคุณลักษณะของวัสดุ โครงสร้างชิ้นส่วน ความหนา และข้อกำหนดในการผลิต