การเชื่อมแผ่นหนาอย่างเชี่ยวชาญด้วยเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำที่มีเสถียรภาพ

ทำไม เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ จำเป็นต่อการเชื่อมแผ่นหนาที่มีความน่าเชื่อถือ

ขีดจำกัดการจัดการความร้อน: เหตุใดเลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยอากาศจึงล้มเหลวเมื่อความหนาของแผ่นเกิน 20 มม.

เมื่อทำงานกับแผ่นโลหะที่หนาเกินกว่าประมาณ 20 มม. ระบบเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศจะถึงขีดจำกัดทางความร้อนค่อนข้างเร็ว การระบายความร้อนแบบพาสซีฟไม่เพียงพอที่จะจัดการกับความร้อนที่สะสมมากจากการเชื่อมเจาะลึก สิ่งที่เกิดขึ้นต่อมาคือ เกิดการบิดเบือนลำแสง พลังงานไม่เสถียร และชิ้นส่วนออปติคัลราคาแพงเริ่มเสื่อมสภาพเร็วกว่าที่คาดไว้มาก ยกตัวอย่างเช่น เลเซอร์กำลัง 1500 วัตต์แบบระบายความร้อนด้วยอากาศ มาตรฐาน สามารถเชื่อมได้ลึกประมาณ 1.5 ถึง 2 มม. ต่อรอบ ก่อนที่อุณหภูมิจะสูงเกินไปจนไม่สบายใจ และคุณภาพลำแสงลดลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเราผ่านขนาด 20 มม. ไปแล้ว การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะควบคุมไม่ได้ ส่งผลให้ผลลัพธ์ไม่สม่ำเสมอ และอาจทำให้ชิ้นงานและอุปกรณ์เสียหายได้

• เลนส์ความร้อนที่ทำให้ลำแสงกระจายตัว
• ชิ้นส่วนออปติคัลสึกหรอเร็วขึ้น จำเป็นต้องเปลี่ยนบ่อย
• พลังงานขาออกลดลงมากกว่า 15% ระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่อง

ปัญหาเหล่านี้ทำให้ต้องใช้กลยุทธ์หลายรอบ ซึ่งเพิ่มเวลาไซเคิลได้สูงถึง 70% และเพิ่มความเสี่ยงต่อการหลอมรวมไม่เพียงพอ รูพรุน และการบิดเบี้ยว ในทางตรงกันข้าม เลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำจะใช้ระบบทำความเย็นแบบแอคทีฟเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของชิ้นส่วนภายในช่วง ±0.5°C ทำให้สามารถเชื่อมแบบผ่านเดียวที่มีเสถียรภาพและกำลังสูงบนวัสดุที่มีความหนาได้

การตรวจสอบในภาคอุตสาหกรรม: ประสิทธิภาพของเลเซอร์กำลัง 12 กิโลวัตต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำบนเหล็ก Q690

ระบบเลเซอร์กำลัง 12 กิโลวัตต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำสามารถเชื่อมเจาะทะลุเต็มรูปแบบบนเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง Q690 หนา 30 มม. ซึ่งเป็นวัสดุที่พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์การทำเหมืองแร่และโครงสร้างพื้นฐาน แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพอย่างชัดเจน การทดลองยืนยันว่า

• การเกิดโพรงกุญแจ (keyhole) อย่างมั่นคงที่ความเร็วในการเคลื่อนที่ 2.4 เมตร/นาที
• อัตราการเกิดรูพรุนต่ำกว่า 0.2% ซึ่งทำได้จากการปรับโหมดพัลส์แบบซิงโครไนซ์
• ลดขนาดของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ลง 38% เมื่อเทียบกับการเชื่อมอาร์กแบบดั้งเดิม

ระบบสามารถรักษาระดับเสถียรภาพของพลังงานไว้ที่ประมาณ 98% ระหว่างการทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานาน ซึ่งช่วยกำจัดปัญหาการตกของค่าผลลัพธ์ที่มักเกิดขึ้นในระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ สำหรับวัสดุเช่น เหล็ก Q690 ที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง สมรรถนะที่คงที่แบบนี้จึงมีความสำคัญมาก เพราะความร้อนที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้เกิดรอยแตกได้ การตรวจสอบตัวอย่างรอยเชื่อมหลังการทดสอบแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างเม็ดผลึกมีความสม่ำเสมอกันแทบทั่วทั้งชิ้นงาน และมีค่าความต้านทานแรงดึงอยู่ที่ประมาณ 540 เมกกะปาสกาล ซึ่งสูงกว่ามาตรฐานที่กำหนดไว้ใน ASME Section IX และ EN 15614-1 สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงงานหนัก

การบรรลุการเจาะลึกเต็มที่ด้วยการเชื่อมแบบคีย์โฮลที่มีเสถียรภาพ โดยใช้เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ

เกณฑ์ขั้นต่ำของความเข้มข้นพลังงานและข้อกำหนดความมั่นคงของลำแสง สำหรับการสร้างคีย์โฮลที่ปราศจากข้อบกพร่องในเหล็กหนา 30–50 มม.

การเริ่มต้นทำรูเจาะกุญแจให้ถูกต้องในเหล็กหนา จำเป็นต้องใช้ความเข้มของพลังงานอย่างน้อย 1.5 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร แต่หากเกิน 3.0 เมกะวัตต์/ซม² แล้ว สิ่งต่างๆ จะเริ่มไม่มั่นคงอย่างรวดเร็ว นี่คือจุดที่เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำมีประโยชน์ มันสามารถรักษารอยโฟกัสขนาดเล็กไว้ระหว่าง 0.1 ถึง 0.3 มม. ซึ่งเป็นสิ่งที่เราต้องการเพื่อรักษารูระเหยให้สม่ำเสมอตลอดชิ้นงานที่มีความหนา 30 ถึง 50 มม. พลังลำแสงก็ไม่ควรมีการผันผวนมากเช่นกัน การศึกษาพบว่าเมื่อค่าผันผวนเกิน 2% ปัญหาโพรงอากาศจะเพิ่มขึ้นประมาณ 40% ในชิ้นส่วนเหล็ก Q690 เมื่อทำงานตัดลึก 40 มม. การใช้การสั่นสะเทือนลำแสงความถี่ต่ำจะสร้างความแตกต่างอย่างมาก ความถี่ประมาณ 50 เฮิรตซ์หรือน้อยกว่า โดยการเคลื่อนที่ไม่เกิน 1 มม. จะช่วยให้โลหะหลอมเหลวรไหลได้ดีขึ้น และลดปัญหาสะเก็ดโลหะกระเด็น ข้อดีที่สุดคือ มันไม่รบกวนโครงสร้างของรูเจาะกุญแจระหว่างกระบวนการ

การปรับโหมดพัลส์และการส่งลำแสงแบบประสานกับระบบระบายความร้อน เพื่อกำจัดปัญหาโพรงอากาศและสะเก็ดกระเด็น

เมื่อคลื่นสัญญาณแบบพัลส์ถูกทำให้สอดคล้องกับรอบการไหลของสารหล่อเย็น จะช่วยลดแรงกระแทกจากความร้อนได้อย่างมาก การทดสอบแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้สามารถลดปริมาณรูพรุนได้ประมาณ 60% ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการ การปรับเปลี่ยนพัลส์ในช่วงความถี่ 100 ถึง 500 เฮิรตซ์ มีบทบาทสำคัญในการรักษาความมั่นคงของผนังคีย์โฮล และป้องกันไม่ให้ฟองไอระเหยถูกดักอยู่ภายใน โดยการจัดเวลาการปล่อยลำแสงเลเซอร์ให้ตรงกับช่วงที่การไหลของสารหล่อเย็นสูงสุด จะช่วยให้กำลังงานคงที่ตลอดพื้นผิวของชิ้นงาน ความร่วมมือในการควบคุมเหล่านี้ช่วยลดปริมาณสะเก็ดโลหะลงต่ำกว่าห้าอนุภาคต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งถือว่าประทับใจมาก นอกจากนี้เขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนยังแคบลงประมาณ 22% เมื่อเทียบกับระบบปกติที่ไม่มีการประสานงานอย่างเหมาะสม สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ที่ทำงานกับโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงและมีความหนาเกิน 30 มิลลิเมตร ซึ่งความแม่นยำมีความสำคัญมาก

การลดขนาดเขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนและการบิดเบี้ยว โดยใช้การควบคุมเลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างแม่นยำ

ตัวชี้วัดการลดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ): ลดลง 38% ที่ความหนา 25 มม. โดยใช้เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำ 8 กิโลวัตต์

การจัดการอุณหภูมิที่ดีขึ้นทำให้เลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำสามารถลดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) และลดการบิดงอของวัสดุขณะเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งช่วยคงคุณสมบัติทางกลที่สำคัญไว้ได้เมื่อทำงานกับวัสดุที่มีความหนา เมื่อนำไปทดสอบกับแผ่นวัสดุที่มีความหนา 25 มม. ระบบทั้งหมดสามารถลดความกว้างของพื้นที่ HAZ ลงได้ประมาณ 38% เมื่อเทียบกับเทคนิคเดิม แล้วสิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรในทางปฏิบัติ? วัสดุยังคงความแข็งแรงไว้ในบริเวณที่สำคัญ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าระดับความแข็งยังคงเหลือประมาณ 95% ของค่าเดิมที่ระยะเพียง 1.5 มม. จากแนวเชื่อม ดังนั้นความสมบูรณ์ของชิ้นงานจึงไม่ถูกกระทบมากเท่ากับวิธีการแบบดั้งเดิม

ปัจจัยสามประการที่เกี่ยวข้องกันและเป็นตัวกำหนดความแม่นยำนี้:

• การควบคุมอุณหภูมิ : ระบบหมุนเวียนสารหล่อเย็นแบบวงจรปิดควบคุมอุณหภูมิของเลเซอร์ไดโอดภายใน ±0.5°C
• การเพิ่มประสิทธิภาพความหนาแน่นของพลังงาน : การโฟกัสลำแสงอย่างแม่นยำจำกัดปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไป ทำให้การกระจายความร้อนออกไปด้านข้างลดลง
• เสถียรภาพของกระบวนการ : การผันผวนของกำลังไฟฟ้าต่ำกว่า 2% ช่วยป้องกันการร้อนเกินที่จุดเฉพาะที่และการขยายตัวไม่สม่ำเสมอ

ผลลัพธ์คือการลดขั้นตอนการแก้ไขหลังการเชื่อมลงได้ถึง 60% ทำให้เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำมีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับภาชนะรับแรงดัน เวทีนอกชายฝั่ง และแอปพลิเคชันที่ต้องการความแข็งแรงสูงอื่น ๆ ซึ่งอยู่ภายใต้มาตรฐาน ASME BPVC และ DNV-OS-F101

การรับประกันเสถียรภาพกระบวนการแบบครบวงจร: จากความสม่ำเสมอของลำแสงเลเซอร์ไปจนถึงความสมบูรณ์ของการเชื่อม

การได้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้เมื่อเชื่อมแผ่นหนา ต้องอาศัยกระบวนการที่มีเสถียรภาพตลอดทุกขั้นตอน ไม่ใช่แค่เพียงเลเซอร์เท่านั้น การระบายความร้อนด้วยน้ำช่วยจัดการปัญหาความร้อนได้อย่างแน่นอน แต่ความสม่ำเสมอนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสามประการที่ทำงานร่วมกันอยู่ตลอดเวลา ได้แก่ การรักษาระดับกำลังเลเซอร์ให้คงที่ การเตรียมวัสดุให้พร้อมก่อนเริ่มการเชื่อม และระบบควบคุมที่สามารถปรับตัวได้ระหว่างการทำงาน เราพบว่าหากระดับพลังงานผันผวนเกินประมาณ 1.5% มีแนวโน้มสูงที่จะเกิดการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ในแผ่นที่มีความหนาเกิน 25 มม. และข้อบกพร่องประเภทนี้ทำให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการแก้ไขงานใหม่ปีละประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐ สำหรับสายการผลิตส่วนใหญ่ ตามรายงานของสถาบัน Ponemon ในปี 2023 ระบบแบบปรับตัวได้รุ่นล่าสุดในขณะนี้ใช้ไดโอดควบคุมอุณหภูมิร่วมกับเซ็นเซอร์ที่ติดตามรอยต่อไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ ซึ่งสามารถปรับโฟกัสและกำลังไฟโดยอัตโนมัติในระหว่างการเชื่อม เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวให้มีเสถียรภาพ แม้ว่ารอยต่อจะไม่ตรงเป๊ะหรือพื้นผิวมีความแตกต่างกันเล็กน้อย ระบบควบคุมแบบวงจรปิดเหล่านี้สามารถลดปัญหาโพรงอากาศได้ประมาณ 60% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิมที่ควบคุมด้วยมือ นอกจากนี้ หากเพิ่มขั้นตอนมาตรฐานในการประกอบรอยต่อ อัตราการไหลของก๊าซป้องกันที่เหมาะสม (ประมาณ 18 ถึง 22 ลิตรต่อนาที โดยใช้ส่วนผสมของอาร์กอนและฮีเลียม) และการบันทึกค่าตั้งต่างๆ สำหรับสถานการณ์ที่แตกต่างกัน ผู้ผลิตจะเห็นผลลัพธ์ที่ดีขึ้นอย่างมาก บริษัทที่นำแนวทางเหล่านี้ไปใช้โดยทั่วไปสามารถลดของเสียที่เกิดจากความบิดงอได้ประมาณ 35% และรักษาระดับความลึกของการเจาะให้มีความแม่นยำภายใน ±0.2 มม. ตลอดการเชื่อมหลายพันครั้ง ซึ่งสอดคล้องกับผลการศึกษาต่างๆ เกี่ยวกับความเสถียรของการเชื่อมในอุตสาหกรรม

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศถึงไม่มีประสิทธิภาพในการเชื่อมแผ่นหนา

เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศจะถึงขีดจำกัดความร้อนอย่างรวดเร็วในแผ่นที่มีความหนาเกิน 20 มม. ส่งผลให้ลำแสงบิดเบี้ยวและเสถียรภาพของกำลังลดลง ทำให้ผลลัพธ์การเชื่อมไม่สม่ำเสมอ

เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำมีประโยชน์ต่อการเชื่อมแผ่นหนาอย่างไร

เลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิและความคงที่ของกำลังไฟ ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมแบบผ่านเดียวด้วยกำลังสูงบนชิ้นงานที่มีความหนาได้

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักของเลเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำในการเชื่อมชิ้นงานหนาคืออะไร

ตัวชี้วัดสำคัญ ได้แก่ การก่อตัวของคีย์โฮลที่มีเสถียรภาพ อัตราการเกิดรูพรุนที่ลดลง และความกว้างของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนที่แคบลง ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพและความแข็งแรงของโครงสร้างที่ดีขึ้น

การปรับจังหวะการไหลของสารทำความเย็นและการมอดูเลตพัลส์ให้สอดคล้องกันช่วยปรับปรุงการเชื่อมอย่างไร

การไหลที่สอดคล้องกันช่วยลดความเครียดจากความร้อนและการเกิดรูพรุน ในขณะที่การมอดูเลตพัลส์ช่วยรักษาความมั่นคงของคีย์โฮล ซึ่งช่วยยกระดับคุณภาพและความสม่ำเสมอของการเชื่อม