01
คำนำ
เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง การป้อนความร้อนต่ำ และลักษณะไม่-สัมผัส เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงกลายเป็นหนึ่งในกระบวนการหลักในการผลิตที่มีความแม่นยำสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม ปัญหาต่างๆ เช่น การเกิดออกซิเดชัน ความพรุน และการเผาไหม้ขององค์ประกอบ-ดับ-ที่เกิดจากการสัมผัสกันระหว่างสระเชื่อมและบรรยากาศในระหว่างกระบวนการเชื่อม-จะจำกัดคุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานของตะเข็บเชื่อมอย่างรุนแรง เนื่องจากเป็นตัวกลางสำคัญในการควบคุมสภาพแวดล้อมในการเชื่อม การเลือกประเภทของก๊าซป้องกัน อัตราการไหล และวิธีการจัดส่งจะต้องควบคู่ไปกับคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุอย่างระมัดระวัง (เช่น ปฏิกิริยาทางเคมีและการนำความร้อน) และความหนาของชิ้นงาน
การประมวลผลลำแสงเลเซอร์และอิเล็กตรอน
02
ประเภทของก๊าซป้องกัน
หน้าที่หลักของแก๊สป้องกันคือแยกออกซิเจน ควบคุมพฤติกรรมของสระเชื่อม และเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อพลังงาน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมี ก๊าซป้องกันสามารถแบ่งได้กว้างๆ เป็นก๊าซเฉื่อย (เช่น อาร์กอนและฮีเลียม) และก๊าซแอคทีฟ (เช่น ไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์) ก๊าซเฉื่อยมีความคงตัวทางเคมีสูง ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของสระเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในคุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อผลการเชื่อม ตัวอย่างเช่น อาร์กอน (Ar) มีความหนาแน่นสูง (1.784 กก./ลบ.ม.) ทำให้สามารถสร้างผ้าห่มป้องกันที่มั่นคงเหนือสระเชื่อมได้ ในทางกลับกัน ค่าการนำความร้อนต่ำ (0.0177 W/m·K) ส่งผลให้การเชื่อมเย็นตัวช้าลงและเจาะลึกได้ลึกกว่า ในทางตรงกันข้าม ฮีเลียม (He) มีค่าการนำความร้อนประมาณแปดเท่าของอาร์กอน (0.1513 W/m·K) ดังนั้นจึงช่วยเร่งการระบายความร้อนของสระเชื่อมและเพิ่มความลึกของการเจาะ อย่างไรก็ตาม ด้วยความหนาแน่นต่ำ (0.1785 กก./ลบ.ม.) ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการกระจายตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ต้องมีอัตราการไหลที่สูงขึ้นเพื่อรักษาการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ ก๊าซแอคทีฟ-เช่น ไนโตรเจน (N₂){- ในการใช้งานบางอย่างสามารถเสริมความแข็งแรงของรอยเชื่อมด้วยการเพิ่ม-สารละลายที่เป็นของแข็ง อย่างไรก็ตามการใช้มากเกินไปอาจนำไปสู่ความพรุนหรือการตกตะกอนของเฟสที่เปราะ ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ การละลายไนโตรเจนลงในสระเชื่อมอาจรบกวนสมดุลของเฟสเฟอร์ไรต์-ออสเทนไนต์ ส่งผลให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง
จากมุมมองของกลไกกระบวนการ พลังงานไอออไนเซชันสูงของฮีเลียม (24.6 eV) จะยับยั้งเอฟเฟกต์การป้องกันพลาสมาและเพิ่มการดูดซับพลังงานเลเซอร์ ซึ่งจึงเป็นการเพิ่มความลึกในการเจาะ ในทางกลับกัน พลังงานไอออไนเซชันต่ำของอาร์กอน (15.8 eV) มีแนวโน้มที่จะสร้างพลาสมาพลูม ซึ่งจำเป็นต้องใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การพร่ามัวหรือการปรับพัลส์เพื่อลดสัญญาณรบกวน นอกจากนี้ ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างก๊าซป้องกันและบ่อหลอมเหลว-เช่น การก่อตัวของไนไตรด์ผ่านปฏิกิริยาของไนโตรเจนกับโครเมียมในเหล็ก-อาจทำให้องค์ประกอบการเชื่อมเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นการเลือกใช้แก๊สป้องกันจึงต้องกระทำด้วยความระมัดระวังโดยคำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุเฉพาะด้วย
**ตัวอย่างการใช้งานวัสดุ:**
• **เหล็ก:** ในการเชื่อมแผ่นบาง (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 มม.) อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องเติมฮีเลียม (He) เล็กน้อยเพื่อเพิ่มความลึกของการเจาะ
• **สแตนเลสสตีล:** ชีลด์อาร์กอนช่วยป้องกันการสูญเสียโครเมียม (Cr) ในการเชื่อมบนเหล็กกล้าไร้สนิม 304 หนา 3 มม. ปริมาณ Cr สูงถึง 18.2% (ใกล้กับโลหะฐาน 18.5%) ในทางกลับกัน สแตนเลสดูเพล็กซ์ต้องใช้ส่วนผสม Ar-N₂ (โดยมีค่า N₂ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 5%) เพื่อรักษาอัตราส่วนเฟสที่สมดุล การศึกษาระบุว่าเมื่อเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม 2205 ดูเพล็กซ์หนา 8 มม. โดยใช้ส่วนผสม Ar-2%N₂ อัตราส่วนเฟอร์ไรต์-ต่อ-เฟสออสเทนไนต์จะคงที่ที่ 48:52 ทำให้มีความต้านทานแรงดึง 780 MPa ซึ่งเหนือกว่าด้วยการป้องกันอาร์กอนบริสุทธิ์ (720 MPa)
• **อลูมิเนียมอัลลอยด์:** *แผ่นบาง (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 มม.):* การเชื่อมแผ่นอลูมิเนียมหนาต้องใช้พลังงานสูง ส่วนผสมฮีเลียม-อาร์กอน (He:Ar=3:1) ให้ความสมดุลระหว่างการได้รับความลึกในการเจาะที่เพียงพอและการจัดการต้นทุน ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมเพลต 5083 หนา 8 มม. การป้องกันด้วยส่วนผสมนี้ส่งผลให้มีการเจาะลึก 6.2 มม.-ดีขึ้น 35% เมื่อเทียบกับอาร์กอนบริสุทธิ์- ในขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนการเชื่อมลง 20% ในเวลาเดียวกัน
