อะไรคือพารามิเตอร์หลักของการเชื่อมเจาะลึกด้วยเลเซอร์ (3)

ก๊าซป้องกัน

ในกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์มักใช้ก๊าซเฉื่อยเพื่อป้องกันสระว่ายน้ำหลอมเหลว เมื่อมีการเชื่อมวัสดุบางชนิดอาจไม่พิจารณาการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิว แต่อาจไม่พิจารณาถึงการป้องกัน อย่างไรก็ตามสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่มักใช้ฮีเลียมอาร์กอนไนโตรเจนและก๊าซอื่น ๆ เพื่อป้องกันชิ้นงานเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันระหว่างการเชื่อม

ฮีเลียมไม่ง่ายที่จะแตกตัวเป็นไอออน (พลังงานไอออไนเซชันที่สูงขึ้น) ซึ่งทำให้เลเซอร์สามารถผ่านได้อย่างราบรื่นและพลังงานของลำแสงจะมาถึงพื้นผิวของชิ้นงานโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง นี่เป็นก๊าซป้องกันที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ แต่มีราคาแพงกว่า

อาร์กอนมีราคาถูกกว่าและหนาแน่นกว่าดังนั้นผลการป้องกันจึงดีกว่า อย่างไรก็ตามมันมีความอ่อนไหวต่อการเกิดไอออนไนซ์ของพลาสมาโลหะที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งป้องกันส่วนหนึ่งของลำแสงไม่ให้ถูกส่งไปยังชิ้นงานลดกำลังแสงเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพในการเชื่อมและยังทำลายความเร็วในการเชื่อมและการเจาะ พื้นผิวของรอยเชื่อมที่ป้องกันโดยอาร์กอนนั้นเรียบกว่าเมื่อได้รับการปกป้องด้วยฮีเลียม

ไนโตรเจนเป็นก๊าซป้องกันที่ถูกที่สุด แต่ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมบางประเภทส่วนใหญ่เกิดจากปัญหาทางโลหะวิทยาเช่นบางครั้งเกิดรูพรุนในพื้นที่ทับซ้อนกัน

หน้าที่ที่สองของการใช้ก๊าซป้องกันคือการปกป้องเลนส์โฟกัสจากการปนเปื้อนของไอโลหะและการกระเด็นของหยดของเหลว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูงเนื่องจากวัสดุที่ดีดออกมามีพลังมากจึงจำเป็นต้องปกป้องเลนส์มากกว่าในขณะนี้

บทบาทที่สามของการป้องกันก๊าซคือการกระจายการป้องกันพลาสมาที่เกิดจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์กำลังสูง ไอของโลหะจะดูดซับพลังงานของลำแสงเลเซอร์และแตกตัวเป็นไอออนในพลาสมาคลาวด์และก๊าซที่ป้องกันรอบ ๆ ไอของโลหะจะแตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อน ถ้ามีพลาสมามากเกินไปพลาสมาจะใช้พลังงานลำแสงเลเซอร์ไปบ้าง พลาสม่ามีอยู่บนพื้นผิวของชิ้นงานเป็นแหล่งพลังงานที่สองซึ่งทำให้ความลึกของการเจาะตื้นขึ้นและพื้นผิวของสระเชื่อมกว้างขึ้น เพิ่มอัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนอีกครั้งโดยการเพิ่มการชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมเป็นกลางเพื่อลดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในพลาสมา อะตอมที่เป็นกลางยิ่งมีน้ำหนักเบาความถี่ในการชนกันก็จะยิ่งสูงขึ้นและอัตราการรวมตัวกันใหม่จะสูงขึ้น ในทางกลับกันเฉพาะก๊าซป้องกันที่มีพลังงานไอออไนเซชันสูงจะไม่เพิ่มความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซเอง

ตารางที่ 1. มวลอะตอม (โมเลกุล) และพลังงานไอออไนเซชันของต่าง ๆ ของก๊าซและโลหะ

จะเห็นได้จากตารางว่าขนาดของพลาสมาสัมพันธ์กับก๊าซป้องกันต่างๆที่ใช้ฮีเลียมมีขนาดเล็กที่สุดตามด้วยไนโตรเจนและใหญ่ที่สุดเมื่อใช้อาร์กอน ขนาดพลาสมาที่ใหญ่ขึ้นความลึกของการเจาะก็จะยิ่งน้อยลง ระดับไอออไนเซชันและความหนาแน่นของก๊าซทำให้ขนาดพลาสมาแตกต่างกัน

ฮีเลียมมีไอออไนเซชันและความหนาแน่นน้อยที่สุด สามารถขับไอโลหะที่เพิ่มขึ้นจากสระโลหะหลอมเหลวได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นการใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซป้องกันสามารถยับยั้งพลาสมาได้มากที่สุดซึ่งจะช่วยเพิ่มความลึกของการเจาะและเพิ่มความเร็วในการเชื่อม เนื่องจากน้ำหนักเบาจึงสามารถหลุดรอดได้และไม่ทำให้เกิดรูขุมขนได้ง่าย แน่นอนจากผลการเชื่อมจริงผลของการป้องกันอาร์กอนก็ไม่เลว อิทธิพลของพลาสมาคลาวด์ต่อการเจาะจะชัดเจนที่สุดในย่านความเร็วในการเชื่อมต่ำ เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้นอิทธิพลของมันจะลดลง

ก๊าซป้องกันจะถูกขับออกทางช่องเปิดของหัวฉีดด้วยความดันที่แน่นอนเพื่อไปยังพื้นผิวของชิ้นงาน รูปร่างอุทกพลศาสตร์ของหัวฉีดและเส้นผ่านศูนย์กลางของเต้าเสียบมีความสำคัญมาก ต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะขับแก๊สป้องกันที่พ่นออกมาปกคลุมพื้นผิวการเชื่อม แต่เพื่อป้องกันเลนส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันการปนเปื้อนของไอโลหะหรือความเสียหายจากการกระเด็นของโลหะไปที่เลนส์ขนาดของหัวฉีดต้อง จำกัด ด้วย ควรควบคุมอัตราการไหลด้วยมิฉะนั้นการไหลแบบลามินาร์ของก๊าซป้องกันจะกลายเป็นความปั่นป่วนและชั้นบรรยากาศจะถูกดึงเข้าไปในแอ่งน้ำที่หลอมละลายและก่อตัวเป็นรูพรุนในที่สุด

เพื่อปรับปรุงผลการป้องกันยังสามารถใช้การเป่าด้านข้างเพิ่มเติมนั่นคือก๊าซป้องกันจะถูกฉีดเข้าไปในรูเชื่อมเจาะลึกโดยตรงที่มุมหนึ่งผ่านหัวฉีดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า ก๊าซป้องกันไม่เพียง แต่ยับยั้งเมฆพลาสม่าบนพื้นผิวของชิ้นงานเท่านั้น แต่ยังมีอิทธิพลต่อการก่อตัวของพลาสม่าและรูเล็ก ๆ ในรูและความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นอีกและการเชื่อมที่มีความลึกและความกว้างในอุดมคติ จะได้รับ อย่างไรก็ตามวิธีนี้ต้องการการควบคุมขนาดและทิศทางของการไหลของอากาศอย่างแม่นยำมิฉะนั้นจะเกิดความปั่นป่วนและทำลายสระหลอมเหลวได้ง่ายซึ่งทำให้กระบวนการเชื่อมคงตัวยาก