การเชื่อมด้วยเลเซอร์สร้างรอยต่อที่แข็งแรงกว่าวิธีแบบดั้งเดิมได้อย่างไร

จุดประสงค์ของการมีรอยต่อที่แข็งแรงและทนทานมากยิ่งขึ้น ทำให้บริษัทหลายแห่งเริ่มใช้เทคโนโลยีขั้นสูงอย่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ บริษัทจำนวนมากให้ความสำคัญกับทั้งความแข็งแรงของรอยต่อและความแม่นยำ ซึ่งทำให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์กลายเป็นทางออกที่ดีที่สุด แม้ว่าการเชื่อมแบบ MIG, TIG และการเชื่อมแบบต้านทานยังคงถูกใช้งานในอุตสาหกรรม แต่การเชื่อมด้วยเลเซอร์ยังคงมีข้อได้เปรียบมากกว่า

ในอุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยาน การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นที่นิยมใช้มากที่สุด ความแม่นยำของการเชื่อมด้วยเลเซอร์เกิดจากหลักฟิสิกส์ที่ซับซ้อนของกระบวนการรวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับวัสดุ บทความนี้จะอธิบายเหตุผลว่าทำไมความแข็งแรงของการเชื่อมจึงแตกต่างกันไปตามวิธีการที่ใช้ในการสร้างขึ้น

บทนำเกี่ยวกับการเชื่อมด้วยเลเซอร์

กระบวนการเชื่อมที่ใช้เพื่อเชื่อมชิ้นส่วนวัสดุสองชิ้นหรือมากกว่านั้นโดยใช้เลเซอร์ เลเซอร์มีหลายโหมดและเน้นไปที่การนำความร้อนและการเชื่อมแบบนำความร้อน และการเชื่อมแบบเจาะลึก ในกระบวนการเชื่อมแบบนำความร้อน ซึ่งใช้สำหรับการเชื่อมแผ่นวัสดุบางพิเศษ หรืองานที่ต้องการการเจาะลึกน้อยมากหรือไม่ต้องการเลย พลังงานเลเซอร์จะถูกรักษาระดับค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 105-106W/cm ² ) ในกรณีนี้ ชิ้นงานจะละลาย แต่ไม่ถึงขั้นกลายเป็นไอ

ความร้อนที่ผิวจะถูกถ่ายเทผ่านการนำความร้อนเข้าสู่ด้านในของวัสดุ ซึ่งทำให้เกิดหลุมเชื่อมที่หลอมละลายแล้วแข็งตัวและยึดชิ้นส่วนทั้งสองเข้าด้วยกัน ความกว้างและความลึกของการเชื่อมมีความเหมาะสมสำหรับจุดประสงค์ด้านความสวยงามมากกว่าจุดประสงค์ด้านโครงสร้าง

เทคนิคการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่เรียกว่าการเชื่อมแบบคีย์โฮล (keyhole welding) ทำงานที่ความหนาแน่นของพลังงานการเชื่อมสูงมาก (106 -107 วัตต์/ซม.2) ซึ่งช่วยเพิ่มข้อดีของการเชื่อมเจาะลึก (deep penetration welding) เมื่อแสงเลเซอร์กระทบจุดเฉพาะบนวัสดุ มันจะทำให้วัสดุถึงจุดเดือดอย่างรวดเร็ว (จุดกลายเป็นไอ) จากนั้นโลหะจะได้รับความร้อน และไอของโลหะจะถูกดันออกไปเนื่องจากแรงดันภายนอกต่างๆ ทำให้เกิดโพรงลึกแคบที่เรียกว่า 'คีย์โฮล' ไอของโลหะที่เกิดขึ้นจะดันโลหะในสถานะของเหลวออกด้านข้างและสร้างโพรงลึกแคบ หรือที่เรียกว่าคีย์โฮล ซึ่งทำให้พลังงานเลเซอร์สามารถแทรกซึมเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ลึกกว่าที่การนำความร้อนบนพื้นผิววัสดุจะทำได้ คีย์โฮลเป็นลักษณะเฉพาะของการเชื่อมเจาะลึก โดยโลหะในสถานะของเหลวจะได้รับความร้อนที่ด้านหน้าของคีย์โฮล และเมื่อลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นเชื่อม โลหะของเหลวจะไหลล้อมรอบด้านข้างและแข็งตัวที่ด้านหลัง ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ลึกและแคบอย่างยิ่ง

อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างที่ 10:1 โดยใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์และเทคนิคการเจาะรู (keyhole) แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยเมื่อใช้การเชื่อมแบบดั้งเดิม อัตราส่วนดังกล่าวมีความสำคัญเกินกว่าเพียงแค่ความลึกของการซึมผ่าน เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตที่ช่วยกระจายแรงได้ดีขึ้นตลอดแนวรอยต่อที่ทำการเชื่อม ต่างจากกระบวนการเชื่อมอาร์กแบบดั้งเดิมที่ให้แนวเชื่อมตื้นและกว้าง ซึ่งอาจทำให้เกิดการรวมตัวของแรงบนพื้นผิว การเชื่อมด้วยเลเซอร์ 'ที่มีแนวเชื่อมลึกและแคบ ช่วยให้แรงถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอบนความหนาของวัสดุ ซึ่งช่วยเสริมความแข็งแรงของรอยต่อในสัดส่วนที่โดดเด่นมาก

ความแข็งแรงของรอยต่อจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาในเชิงบวกที่ยังคงรักษานิสัยเฉพาะของวัสดุพื้นฐานไว้ การลดลงของเทคนิคและวิธีการเชื่อมที่ใช้ในการปฏิบัติงาน ส่งผลให้เขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) มีขนาดเล็กลง ซึ่งการเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการเชื่อม MIG และ TIG อย่างชัดเจน

ช่วงเวลาไม่กี่วินาทีที่มีความร้อนจะสร้างผลในการเพิ่มความแข็งแรงหลายประการ มันช่วยลดความเครียดตกค้างและการบิดเบี้ยวในชิ้นส่วนที่เชื่อม ในกระบวนการเชื่อมแบบอื่น การป้อนความร้อนทำให้ชิ้นส่วนที่เชื่อมเกิดการขยายตัวและหดตัวทางความร้อนอย่างไม่สมดุล ส่งผลให้เกิดความเครียดตกค้างและชิ้นส่วนบิดเบี้ยว โซนของความเครียดตกค้างนี้อาจส่งผลเสียอย่างร้ายแรงต่อความสมบูรณ์ทางโครงสร้างของการประกอบชิ้นส่วนที่เชื่อม 'ความเครียดตกค้างเหล่านี้ยังสามารถกระตุ้นให้เกิดรอยแตกจากความล้าได้เนื่องจากการรับแรงซ้ำๆ ชิ้นส่วนที่รับแรงซ้ำๆ จะต้องผ่านการกลึงแก้ไขจำนวนมาก เนื่องจากการบิดเบี้ยว อย่างไรก็ตาม การบิดเบี้ยวในกรณีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีน้อยกว่ามาก ดังนั้นเราจึงสามารถมุ่งเน้นไปที่คุณลักษณะอื่นๆ แทนที่จะเป็นความแข็งแรงในมิติของชิ้นส่วน

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ยังช่วยในกระบวนการให้ความร้อนและระบายความร้อน ทำให้สามารถพัฒนาโครงสร้างเกรนที่ละเอียดขึ้นได้ โลหะที่มีเกรนละเอียดมักจะมีความแข็งแรงและทนทานมากกว่า จึงช่วยเสริมความแข็งแกร่งของชิ้นส่วนหนึ่งศึกษาวิจัยยืนยันว่า การเชื่อมด้วยเลเซอร์กับเหล็กกล้าไร้สนิมเกี่ยวข้องกับการเกิดลักษณะเป็นหลุมหลอมเหลว (melt pool) ซึ่งเกิดการจำลองตัวเองขึ้น การจำลองตัวเองนี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในไมโครสตรัคเจอร์ของเหล็กกล้าไร้สนิม จึงช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกล 'ของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งเป็นสิ่งตรงข้ามกับเทคนิคการเชื่อมแบบดั้งเดิม ที่กระบวนการเย็นตัวช้าจะทำให้เกิดโครงสร้างเกรนหยาบและรอยต่อที่อ่อนแอ

หนึ่งในตัวอย่างที่ดีที่สุดของข้อได้เปรียบด้านความแข็งแรงคือการใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์กับวัสดุความแข็งแรงสูงรุ่นใหม่ล่าสุด โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติที่ถูกออกแบบมา โลหะผสมความแข็งแรงสูงขั้นสูงหลายชนิดได้รับคุณสมบัติทางกลจากเทคโนโลยีการแปรรูปด้วยความร้อนระดับสูง วัสดุเหล่านี้เคยผ่านกระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซเคิลโดยใช้การเชื่อมแบบเดิม ซึ่งทำให้มีโครงสร้างจุลภาคที่ถูกออกแบบไว้ โครงสร้างจุลภาคนี้มีคุณลักษณะที่พึงประสงค์แต่ได้รับการเปลี่ยนแปลงไป ในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ คุณสมบัติของโลหะต้นฉบับจะถูกรักษาไว้ เนื่องจากความแข็งแรงของวัสดุเดิมยังคงอยู่และถูกคงไว้ในชิ้นส่วนที่ถูกเชื่อม

ประสิทธิภาพในการผลิตและความยืดหยุ่นของกระบวนการ

นอกจากข้อดีทางเทคนิคที่ชัดเจนในเรื่องความแข็งแรงของรอยต่อซึ่งเกิดจากการจัดตำแหน่งรอยต่อตามแนวขอบของชิ้นงานแล้ว การเชื่อมด้วยเลเซอร์ยังได้พิสูจน์ให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่สำคัญในกระบวนการผลิต ทำให้การนำกระบวนการนี้มาใช้มีความน่าสนใจมากยิ่งขึ้นในการผลิตยุคใหม่ กระบวนการนี้ทำงานได้เร็วกว่ากระบวนการเชื่อมแบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถทำความเร็วในการเชื่อมได้มากกว่า 200 นิ้วต่อนาที และการเชื่อมแบบ MIG มีอัตราความเร็วอยู่ที่ 20 ถึง 40 นิ้วต่อนาที การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงสามารถทำความเร็วได้มากกว่า 200 นิ้วต่อนาที กระบวนการที่เร็วกว่านี้ทำให้เร็วกว่ากระบวนการแบบเดิมส่วนใหญ่ จนถึงจุดที่งานที่อาจใช้เวลาหลายชั่วโมง สามารถเสร็จสิ้นภายในไม่กี่นาทีด้วยกระบวนการนี้ อีกหนึ่งกรณีศึกษาที่บันทึกไว้แสดงให้เห็นถึงการนำการเชื่อมด้วยเลเซอร์มาใช้ ซึ่งเวลาที่ใช้ในการเชื่อมประตูที่เดิมใช้เวลาประมาณสิบชั่วโมง ลดลงเหลือเพียง 40 นาที

เรื่องประสิทธิภาพนั้นน่าประทับใจยิ่งขึ้นเมื่อเราพิจารณาถึงการลดความจำเป็นหรือปริมาณของกระบวนการต่อเนื่องหลังการผลิต งานเชื่อมโดยทั่วไปมักต้องใช้กระบวนการตกแต่งผิวจำนวนมากเพื่อให้ได้พื้นผิวที่ปราศจากการบิดงอ ซึ่งรวมถึงการเจียร การกลึง และการดัดตรง โดยขั้นตอนเหล่านี้ในกระบวนการผลิตไม่ก่อให้เกิดรายได้เพิ่มเติมจากมูลค่าที่เพิ่มเข้าไปในกระบวนการ อย่างไรก็ตาม แผ่นลามิเนตที่เชื่อมกัน เมื่อทำโดยใช้เทคนิครังสีเลเซอร์ จะได้โครงสร้างลามิเนตที่เชื่อมกันอย่างแน่นหนา ในขณะเดียวกันก็ยังคงขอบและพื้นผิวที่คมชัดและสะอาดอยู่ด้วย ซึ่งมักมีความสำคัญอย่างยิ่งในกรณีที่โครงสร้างที่เชื่อมด้วยเลเซอร์จำเป็นต้องเคลือบผิวในขั้นตอนถัดไป เนื่องจากการเคลือบต้องอาศัยลักษณะเฉพาะของพื้นผิว เช่น ขอบที่ปราศจากการบิดงอ ร่วมกับการลดขั้นตอนการผลิตรองลง ทำให้สามารถประหยัดเวลาได้มาก

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงเมื่อใช้ร่วมกับระบบโรงงานที่มีการดำเนินงานโดยอัตโนมัติ ซึ่งจะยิ่งเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น ระบบหุ่นยนต์สามารถชี้และเคลื่อนย้ายลำแสงเลเซอร์ไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องสัมผัสชิ้นงาน และเน้นย้ำอีกครั้งว่า ไม่มีการสัมผัสทางกายภาพกับชิ้นงาน ในหลายกรณีแหล่งกำเนิดเลเซอร์หนึ่งแหล่งสามารถใช้ร่วมกับสถานีปฏิบัติงานหลายสถานีได้ โดยอาศัยการแบ่งลำแสง (beam-splitting configuration) ซึ่งในทางกลับกันจะช่วยเพิ่มความเป็นอิสระให้กับระบบปฏิบัติการเลเซอร์ ความเป็นอิสระนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถรักษาระบบสายการผลิตไว้ได้โดยไม่จำเป็นต้องหยุดพักหรือปรับเปลี่ยนบ่อยครั้ง เช่นเดียวกัน ลักษณะการไม่สัมผัสของกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้ไม่มีปัญหาเครื่องมือสึกหรอที่มักเกิดขึ้นในระบบการเชื่อมแบบดั้งเดิม ส่งผลให้ระบบทำงานได้ดีขึ้นในระยะยาว ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาในการดำเนินงานของระบบโดยไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษา ยกเว้นการดูแลรักษาพื้นฐานเกี่ยวกับออปติกส์

ความสามารถในการปรับใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์กับวัสดุหลากหลายประเภทและต่างความหนา ยิ่งเพิ่มข้อได้เปรียบให้กับกระบวนการนี้มากขึ้น กระบวนการนี้สามารถทำงานได้ทั้งกับวัสดุบางๆ ที่มีความหนาน้อยกว่าหนึ่งมิลลิเมตร ไปจนถึงส่วนประกอบเหล็กที่มีความหนา 25 มิลลิเมตร ในเพียงแค่รอบเดียว ความสามารถนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้หลายรอบในการเชื่อม ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นในเทคนิคการเชื่อมแบบดั้งเดิมสำหรับวัสดุที่หนา นอกจากนี้ ความสามารถของเลเซอร์เชื่อมในการทำงานกับวัสดุที่ท้าทาย เช่น ไทเทเนียม อลูมิเนียม และโลหะผสมชนิดต่างๆ ที่ระบบการเชื่อมอื่นไม่สามารถจัดการได้นั้น ถือว่าน่าประทับใจมาก

อีกหนึ่งประโยชน์ที่สำคัญของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือคุณภาพการเชื่อมที่สม่ำเสมอ ซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับความน่าเชื่อถือของความแข็งแรงของรอยต่อ โดยกระบวนการนี้ให้ระดับการควบคุมที่สูงแก่ผู้ปฏิบัติงาน ด้วยเซ็นเซอร์ขั้นสูงที่คอยติดตามองค์ประกอบสำคัญของกระบวนการเชื่อมอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ ระบบต่างๆ ที่ใช้ในการตรวจสอบมักแบ่งออกเป็นสามประเภท ประเภทแรกคือระบบที่ใช้ก่อนการเชื่อม ซึ่งทำหน้าที่ติดตามแนวต่อเพื่อให้มั่นใจว่าลำแสงเลเซอร์จะจัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ ประเภทที่สองคือในช่วงระหว่างการเชื่อม ซึ่งระบบตรวจสอบที่ติดตั้งกล้องจะติดตามและวิเคราะห์บริเวณหลุมเชื่อมและหลุมแกน ส่วนประเภทสุดท้ายคือระบบที่ใช้หลังการเชื่อม ซึ่งทำหน้าที่ประเมินรอยต่อเพื่อตรวจสอบว่าตรงตามมาตรฐานคุณภาพหรือไม่

การควบคุมระดับนี้ทำได้ยากกว่ามากเมื่อใช้วิธีการเชื่อมแบบดั้งเดิม เนื่องจากทักษะและความสม่ำเสมอของผู้ปฏิบัติงานมนุษย์มีความสำคัญมากขึ้น ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมการเชื่อมแบบดั้งเดิมได้มากกว่า แต่ในกรณีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เครื่องจักรจะทำงานโดยอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ หลังจากที่เครื่องจักรเรียนรู้พารามิเตอร์การเชื่อมแล้ว พารามิเตอร์เหล่านั้นจะถูกทำซ้ำอย่างแม่นยำในการผลิตชิ้นส่วน ไม่ว่าจะผลิตจำนวนหนึ่งพันหรือหนึ่งล้านชิ้น ส่วนต่อเชื่อมทุกชิ้นจะมีคุณสมบัติทางกลชุดเดียวกัน ในอุตสาหกรรมที่ไม่สามารถยอมรับความล้มเหลวของการเชื่อมได้ เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์ ชิ้นส่วนความปลอดภัยในยานยนต์ หรือการบินและอวกาศ ความสม่ำเสมอนี้จึงมีความสำคัญและเป็นที่ชื่นชมมากกว่าตัวชิ้นส่วนที่ถูกเชื่อมเอง

กระบวนการเย็นตัวอย่างควบคุมระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ช่วยลดปัญหาข้อบกพร่องของการเชื่อมที่อาจทำให้ข้อต่ออ่อนแอลงได้หลายประการ ปัญหาเรื่องรูพรุนจากแก๊สและการแยกตัวของธาตุผสม ถือเป็นข้อบกพร่องที่ระยะเวลาย่อยเย็นอย่างรวดเร็วของกระบวนการนี้สามารถจำกัดได้ นอกจากนี้ การควบคุมปริมาณพลังงานที่ป้อนเข้าไปยังช่วยกำจัดปัญหารอยเว้าที่ขอบและรอยทะลุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัสดุแผ่นบาง ใช่แล้ว การเชื่อมด้วยเลเซอร์ต้องการความแม่นยำในการจัดแนวข้อต่อสูงกว่าเทคนิคการเชื่อมแบบเดิมบางชนิด แต่ระบบสมัยใหม่ใช้เทคโนโลยีต่างๆ เช่น ลำแสงเลเซอร์ที่สั่นสะเทือนเพื่อปิดผนึกรอยต่อที่กว้างขึ้น และระบบไฮบริดที่รวมการเชื่อมด้วยเลเซอร์กับการป้อนลวดเชื่อมแบบดั้งเดิม เพื่อให้ง่ายต่อการดำเนินการมากขึ้น

ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมยอมรับว่าเทคนิคการเชื่อมแบบดั้งเดิมมีพื้นฐานที่มั่นคงจากช่างผู้ชำนาญงานจำนวนมากและประสบการณ์หลายปี ในขณะที่การเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้และคาดการณ์ได้มากกว่าเนื่องจากการควบคุมกระบวนการที่ดีกว่า เทคโนโลยีเลเซอร์ที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องและมีราคาถูกลงเรื่อยๆ ในตลาดทำให้ข้อเท็จจริงนี้ชัดเจนยิ่งขึ้น โดยเฉพาะกระบวนการที่ต้องไม่มีจุดบกพร่องเลยสามารถใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์ 'ความสม่ำเสมอของเลเซอร์เป็นจุดขายสำคัญ

สรุป

หลักฐานพิสูจน์แล้วว่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์เหนือกว่าวิธีอื่นๆ เมื่อพิจารณาโดยรวมในด้านการเจาะลึก โลหะวิทยา และการควบคุมกระบวนการ เพื่อให้ได้รอยต่อที่แข็งแรงกว่า การเชื่อมแบบเจาะลึกและปรากฏการณ์รูเข็ม (keyhole effect) ช่วยให้การกระจายแรงเครียดดีขึ้น ความบิดเบี้ยวจากความร้อนที่ต่ำและการป้อนความร้อนต่ำช่วยรักษานิสัยเฉพาะของวัสดุพื้นฐานและลดการบิดเบี้ยวให้น้อยที่สุด ประโยชน์รวมกันของเทคโนโลยีเลเซอร์ที่เพิ่มประสิทธิภาพ คุณภาพ และการผลิตในงานเชื่อมที่ต้องการความแข็งแรงของรอยต่อสูง จึงเป็นข้อโต้แย้งที่น่าสนใจ

แน่นอน วิธีการแบบดั้งเดิมยังคงมีคุณค่า —โดยเฉพาะเมื่อต้นทุนอุปกรณ์ต่ำ หรือการประกอบมีปริมาณน้อยและซับซ้อน ทำให้การใช้งานระบบอัตโนมัติไม่เหมาะสม —แต่ผลลัพธ์ด้านความแข็งแรงของงานเชื่อมด้วยเลเซอร์ยากที่จะปฏิเสธได้ โครงการและผลิตภัณฑ์ในปัจจุบันและอนาคตในอุตสาหกรรมการผลิตต้องการสิ่งที่เบากว่า แข็งแกร่งกว่า และน่าเชื่อถือมากขึ้น สิ่งนี้จะทำให้ความจำเป็นในการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีความสำคัญมากยิ่งขึ้น บริษัทที่ใช้โครงการเชื่อมด้วยเลเซอร์และพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ จะก้าวนำหน้าในอุตสาหกรรมของตน ศักยภาพนี้จะทำให้ผลิตภัณฑ์ของพวกเขาเป็นแบบอย่างที่โดดเด่น เนื่องจากเทคโนโลยีการต่อประสานด้วยเลเซอร์ขั้นสูง