ในขณะที่ ไฟเบอร์เลเซอร์ แม้ว่าเลเซอร์อินฟราเรด (IR) จะเป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์หลักสำหรับการเชื่อม แต่คลื่นแสงอินฟราเรดใกล้ (IR) ที่ปล่อยออกมาจะถูกสะท้อนกลับอย่างมากจากโลหะบางชนิด โดยเฉพาะทองแดง ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพในการประมวลผลวัสดุเหล่านี้ ด้วยเหตุนี้ เลเซอร์สีเขียวแบบโซลิดสเตทกำลังสูงจึงได้กลายเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพสำหรับการเชื่อมทองแดง เนื่องจากคลื่นแสงเหล่านี้ถูกดูดซับโดยทองแดงได้ง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม เลเซอร์สีเขียวเหล่านี้มีข้อจำกัดในทางปฏิบัติหลายประการ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะนำไปสู่ต้นทุนการดำเนินงานที่สูงขึ้น

บทความนี้แนะนำการทดสอบล่าสุดเกี่ยวกับการเชื่อมทองแดงโดยใช้วัสดุชนิดใหม่ ไฟเบอร์เลเซอร์ ด้วยลำแสงกลางที่มีความสว่างสูงและโหมดวงแหวนปรับได้ (ARM) เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์สีเขียวระดับกิโลวัตต์ที่มีจำหน่ายทั่วไป โหมด ARM ที่มีความสว่างสูงนี้ถือว่าดีเยี่ยม ไฟเบอร์เลเซอร์ ได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมในด้านคุณภาพการเชื่อม การแทรกซึมที่ดีขึ้นในความเร็วในการเชื่อมต่างๆ และข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่คุ้มค่าสำหรับงานเชื่อมทองแดง ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่า เลเซอร์ไฟเบอร์ นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่มีต้นทุนต่ำ ความน่าเชื่อถือ และความเหมาะสมในการใช้งานสำหรับงานเชื่อมทองแดงที่ต้องการประสิทธิภาพสูง

การผลิตรถยนต์ไฟฟ้า

อุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วได้ผลักดันความต้องการโซลูชันการเชื่อมทองแดงอย่างมาก เมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ ทองแดงมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน กลไก และต้นทุนที่เหมาะสม ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น สเตเตอร์ แบตเตอรี่ และระบบจ่ายพลังงาน ซึ่งชิ้นส่วนและระบบเหล่านี้จำนวนมากเกี่ยวข้องกับการเชื่อมทองแดง

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าทองแดงจะมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับงานเหล่านี้ แต่ก็ยังมีข้อท้าทายเมื่อใช้วิธีแบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์ สำหรับการเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของมันส่งผลให้มีการสะท้อนแสงสูงที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ เลเซอร์ไฟเบอร์นอกจากนี้ คุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมของทองแดงยังทำให้ต้องใช้พลังงานเลเซอร์จำนวนมากในการหลอมวัสดุและเริ่มต้นกระบวนการเชื่อม

ดังนั้น การใช้แบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์ การเชื่อมด้วยวิธีดั้งเดิมมักต้องใช้กำลังไฟฟ้าสูงมากเพื่อให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานที่ต้องการสำหรับการหลอมวัสดุ อย่างไรก็ตาม วิธีการ "ใช้กำลังมหาศาล" นี้อาจทำให้กระบวนการเชื่อมไม่เสถียรและไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยบนพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเกิดออกซิเดชันเฉพาะจุดบนพื้นผิวหรือความไม่เรียบของพื้นผิวในระดับเล็ก ๆ อาจทำให้กระบวนการไม่เสถียร ส่งผลให้รอยเชื่อมไม่สม่ำเสมอ คุณภาพพื้นผิวต่ำ และเกิดรูพรุน นอกจากนี้ การกระเด็นของโลหะก็เป็นปัญหาที่พบได้ทั่วไป ซึ่งต้องใช้เวลาในการแก้ไขหลังการเชื่อม หรือทำให้ผลผลิตลดลง

เลเซอร์สีเขียวแบบโซลิดสเตท

ทองแดงดูดซับแสงสีเขียวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแสงอินฟราเรดใกล้ แต่เฉพาะที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น พลังงานจากเลเซอร์สีเขียวส่งผ่านไปยังชิ้นงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้กระบวนการมีความเสถียรและมีความไวต่อสิ่งเร้าต่ำกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์ดังนั้น ผู้ผลิตบางรายจึงใช้เลเซอร์สีเขียวแบบโซลิดสเตทกำลังสูง ในขณะที่บางรายกำลังประเมินศักยภาพของเลเซอร์ชนิดนี้

อย่างไรก็ตาม การนำเลเซอร์สีเขียวกำลังสูงมาใช้ในการผลิตรถยนต์ไฟฟ้ามีปัญหาในทางปฏิบัติที่สำคัญหลายประการ ความท้าทายบางประการเกิดขึ้นจากคุณสมบัติและโครงสร้างโดยธรรมชาติของเลเซอร์สีเขียวเหล่านี้

เลเซอร์สีเขียวสามารถสร้างขึ้นได้โดยการเพิ่มความถี่ของแสงเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ ซึ่งส่งผลให้ได้แสงสีเขียวในสถานะของแข็ง เลเซอร์ไฟเบอร์ หรือเลเซอร์แบบจานหมุน เทคโนโลยีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานที่ใช้พลังงานต่ำ (ต่ำกว่ากิโลวัตต์) แต่ก็ประสบปัญหาในงานเชื่อมทองแดงทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่ต้องการพลังงานระดับกิโลวัตต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กระบวนการเพิ่มความถี่มีประสิทธิภาพประมาณ 50% ดังนั้นจึงต้องใช้เลเซอร์อินฟราเรดแบบโหมดเดียวขนาด 4 กิโลวัตต์เพื่อให้ได้แสงสีเขียวขนาด 2 กิโลวัตต์ พลังงานที่ไม่ได้ใช้จะกลายเป็นความร้อน ซึ่งต้องระบายออกด้วยระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ทำให้เลเซอร์เหล่านี้ใช้พลังงานอย่างไม่มีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานสูงขึ้นและต้องใช้น้ำหล่อเย็นปริมาณมาก นอกจากนี้ เนื่องจากพลังงานสูง ผลึกเพิ่มความถี่จึงเสื่อมสภาพไปตามเวลา ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาด้านความน่าเชื่อถือและการหยุดทำงานหากไม่มีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง

เลเซอร์ไฟเบอร์ HighLight™ ARM

ไฟเบอร์เลเซอร์ เลเซอร์สีเขียวแบบโฟโตไดโอดมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่าเลเซอร์สีเขียวแบบโซลิดสเตทมาก กล่าวคือ ใช้พลังงานน้อยกว่าในการให้กำลังเอาต์พุตเท่ากัน ทำให้เกิดความร้อนส่วนเกินน้อยลง ซึ่งช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและทำให้การระบายความร้อนง่ายขึ้น นอกจากนี้ เลเซอร์ไฟเบอร์ มีความน่าเชื่อถือสูงและส่งผ่านแสงอินฟราเรดได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านใยแก้วนำแสง อย่างไรก็ตาม แม้จะมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ เลเซอร์ไฟเบอร์ วิธีการนี้ยังไม่เป็นที่นิยมใช้ในการเชื่อมทองแดงอย่างแพร่หลาย เนื่องจากปัญหาที่กล่าวมาข้างต้น

กำลังสูง เลเซอร์ไฟเบอร์ มีการใช้งานอย่างประสบความสำเร็จในการผลิตรถยนต์มาสักระยะหนึ่งแล้ว อย่างไรก็ตาม งานเชื่อมที่ท้าทายที่สุดในการผลิตรถยนต์ไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุน้ำหนักเบา ต้องการมากกว่าแค่พลังงานพื้นฐานและกำลังสูง ในทางปฏิบัติ การใช้งานหลายอย่างได้แก่:

วัสดุที่บางมากหรือไวต่อความร้อน

วัสดุที่เชื่อมยาก เช่น อลูมิเนียม ทองแดง และเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง

ข้อต่อที่ประกอบด้วยวัสดุต่างชนิดกัน

เพื่อรับมือกับงานที่ท้าทายมากขึ้นเหล่านี้ เลเซอร์ต้องทำหน้าที่หลักสองประการ ประการแรก เลเซอร์ต้องมีพลังงานเพียงพอที่จะรองรับผลลัพธ์ที่ต้องการ สำหรับชิ้นส่วนที่หนาขึ้น จำเป็นต้องใช้พลังงานสูงเพื่อให้สามารถเจาะทะลุวัสดุได้อย่างเพียงพอ ประการที่สอง เลเซอร์ต้องควบคุมการกระจายพลังงานอย่างแม่นยำทั่วพื้นผิวการทำงาน ทั้งในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยพื้นที่และความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยเวลา

Coherent ได้เปิดตัว HighLight ซีรีส์ ซึ่งเป็นโหมดปรับแหวนได้ (ARM) เลเซอร์ไฟเบอร์ซึ่งนำเอาข้อดีด้านต้นทุนและประโยชน์ใช้สอยของแหล่งกำเนิดแสงเหล่านี้มาประยุกต์ใช้ในงานที่เทคโนโลยีแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองได้อย่างเต็มที่ ในงานเหล่านี้ การควบคุมการกระจายพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานบนพื้นผิวงานอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่มีคุณภาพสูง (ลดการกระเด็นของโลหะ ลดรอยแตก และลดรูพรุน) ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ การเชื่อมเหล็กชุบสังกะสีแบบไร้ช่องว่าง การเชื่อมชิ้นส่วนระบบส่งกำลังที่มีการกระเด็นของโลหะต่ำ และการเชื่อมชิ้นส่วนช่วงล่างอะลูมิเนียมแบบไร้รอยแตกโดยไม่ต้องใช้ลวดเชื่อม

การควบคุมการกระจายพลังงานในเชิงพื้นที่อย่างแม่นยำนี้เกิดขึ้นได้จากลักษณะเฉพาะของลำแสงเลเซอร์ ARM ซึ่งประกอบด้วยลำแสงจุดกลางและลำแสงวงแหวนร่วมศูนย์กลางเพิ่มเติม สามารถปรับและกำหนดกำลังของลำแสงจุดกลางและลำแสงวงแหวนได้อย่างอิสระ เพื่อให้สามารถควบคุมพลวัตของบ่อหลอมได้อย่างละเอียด

ผลลัพธ์การเชื่อมทองแดงด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ ARM

วิศวกรฝ่ายประยุกต์ใช้งานของ Coherent ได้ทำการทดสอบการเชื่อมทองแดงหลายชุดโดยใช้เครื่อง ARM ไฟเบอร์เลเซอร์ โดยใช้ลำแสงกลางที่มีความสว่างสูงขนาด 22 ไมโครเมตร และลำแสงวงแหวนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน/ภายนอก 100 ไมโครเมตร/170 ไมโครเมตร วัสดุที่ใช้ในการเชื่อมคือทองแดงบริสุทธิ์ การทดสอบทั้งหมดใช้กำลังเลเซอร์ 4 กิโลวัตต์ โดยใช้ 1.5 กิโลวัตต์สำหรับลำแสงกลางและ 2.5 กิโลวัตต์สำหรับลำแสงวงแหวน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า เมื่อปรับตำแหน่งโฟกัสให้อยู่เหนือพื้นผิววัสดุ 1.5 มิลลิเมตร จะได้คุณภาพการเชื่อมที่ดีที่สุด ตำแหน่งนี้ให้ความสมดุลที่ดีระหว่างความลึกของการทะลุทะลวงและคุณภาพของการเชื่อม

ประสิทธิภาพการเชื่อม

ประสิทธิภาพการเชื่อมของ ARM ไฟเบอร์เลเซอร์ ได้ทำการวัดและเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์สำหรับเลเซอร์สีเขียวขนาด 2 กิโลวัตต์ การทดสอบการเชื่อมทั้งสองครั้งใช้ไนโตรเจนเป็นก๊าซปกคลุม เลเซอร์สีเขียวมีรายงานว่ามีพื้นที่หน้าตัดการเชื่อมคงที่ 0.5 มม.² และความลึกของการทะลุทะลวงประมาณ 1 มม. เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันด้วยเลเซอร์ ARM ต้องใช้กำลังเอาต์พุต 3.5 กิโลวัตต์และความเร็วในการเชื่อม 300 มม./วินาที เมื่อเทียบกับความเร็วในการเชื่อมของเลเซอร์สีเขียวที่ 200 มม./วินาที

คุณภาพพื้นผิว

อีกสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาคือคุณภาพของพื้นผิว แบบดั้งเดิม เลเซอร์ไฟเบอร์ สามารถเชื่อมทองแดงได้ แต่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพพื้นผิวสูงมาก ARM ที่มีความสว่างสูง ไฟเบอร์เลเซอร์ รักษาคุณภาพการเชื่อมให้คงที่ทั้งบนพื้นผิวทองแดงที่ขัดและขัดเงา

สรุป

การทดสอบเหล่านี้แสดงให้เห็นถึง ARM ความสว่างสูงที่เป็นเอกลักษณ์ของ Coherent ไฟเบอร์เลเซอร์ เป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงสำหรับงานเชื่อมทองแดงที่ต้องการความแม่นยำสูงในรถยนต์ไฟฟ้า ความลึกของการเชื่อมและความเร็วในการประมวลผลตรงตามหรือเกินกว่าข้อกำหนดการผลิตในปัจจุบัน ในอดีต ความไวต่อคุณภาพพื้นผิวและความไม่เสถียรของกระบวนการได้จำกัดการใช้งานของ เลเซอร์ไฟเบอร์ สำหรับการเชื่อมทองแดงนั้น เลเซอร์ ARM สามารถเอาชนะปัญหาเหล่านี้ได้ เลเซอร์ ARM รุ่นใหม่นี้ ด้วยความคุ้มค่า ความน่าเชื่อถือ และข้อดีที่ใช้งานได้จริง จึงอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม ไฟเบอร์เลเซอร์ เทคโนโลยีนี้เป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมสำหรับงานอุตสาหกรรมหลายประเภท ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะนำข้อดีทั้งหมดเหล่านี้มาใช้กับงานเชื่อมทองแดงที่ต้องการความแม่นยำสูง