Laser Beam vs. Electron Beam Welding

ผู้เชี่ยวชาญในส่วนของการเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์ (laser beam welding, LBW) หรือการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (electron beam welding, EBW) ซึ่งมักจะนำเสนอเทคโนโลยีที่มีความน่าสนใจ แต่ทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับลูกค้ามักจะต้องเป็นการใช้ 2 เทคโนโลยีนี้ร่วมกัน กระบวนการทั้ง 2 นี้เหมาะสำหรับการเชื่อมประกอบชิ้นงานที่มีโครงสร้างองค์ประกอบซับซ้อนสูง และสามารถตอบสนองความต้องการความเข้มงวดและแม่นยำในการทำงานมากที่สุดสำหรับการประกอบในขั้นตอนสุดท้ายของโครงสร้างประเภทโลหะวิทยา​

Laser beam welding (LBW) 

แหล่งพลังงานที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นจะต้องใช้คลื่นแบบต่อเนื่องหรือการพัลส์ในการส่งอนุภาคโฟตอนออกมา ด้วยระบบคลื่นต่อเนื่อง จะมีผลทำให้ลำแสงเลเซอร์จะมีความสม่ำเสมอในระหว่างกระบวนการเชื่อม ระบบการพัลส์ จะเป็นตัวปรับให้ลำแสงขาออกให้มีความเหมาะสมและจะปิดในระหว่างที่มีพัลส์อื่นเข้ามา ด้วยทั้ง 2 วิธีนี้ ลำแสงเลเซอร์จะมุ่งเป้าไปยังผิวชิ้นงานที่ต้องการเชื่อมได้โดยตรง ลำแสงเลเซอร์เหล่านี้อาจถูกส่งไปยังส่วนที่ยากที่จะเข้าถึง หรืออาจจะส่งผ่านไฟเบอร์ออพติคที่มีความยืดหยุ่นสูงทำให้สามารถเชื่อมชิ้นงานในระยะไกลได้​

ด้วยความหนาแน่นพลังงานสูงของเลเซอร์จะมีผลทำให้วัสดุสามารถหลวมเหลวได้อย่างรวดเร็วซึ่งช่วยในการตอบสนองการทำงานอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิม เช่นการเชื่อมอาร์กด้วยทังสเตน GTAW (TIG welding) และกระบวนการที่คล้ายคลึงกัน พลังงานที่ใช้จะใช้ในช่วงเวลาสั้นๆและมีการกระจายตัวภายในชิ้นงานได้ดีส่งผลให้ส่วนที่ได้รับผลกระทบมีวงแคบและเกิดความเสียหายกับชิ้นงานน้อยที่สุด​

Electron beam welding (EBW) 

กระบวนการนี้ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรม ซึ่งจะใช้สำหรับเชื่อมโลหะทนไฟและจะใช้ในกรณีที่การเชื่อมวิธีอื่นๆไม่สามารถทำได้ วิธีนี้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะแปรผันเป็นพลังงานความร้อนซึ่งจะขับเคลื่อนให้เกิดแรงฟิวชั่น ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องเติมวัสดุประสานลงไปในระหว่างการเชื่อมและก่อให้เกิดรอยบิดจากการเชื่อมน้อยมากๆหรือแทบจะไม่เกิดขึ้นเลย ด้วยความหนาแน่นพลังงานสูงช่วยให้สามารถเชื่อมได้ลึกและแคบในอัตราส่วนที่ดีสูง ในขณะที่สภาพแวดล้อมแบบสุญญากาศทำให้มั่นใจได้ว่าในระหว่างการเชื่อมจะไม่มีก๊าซหรือสิ่งเจือปนในบรรยากาศเข้ามาเกี่ยวข้องในระหว่างการเชื่อม ซึ่งมีผลต่อคุณสมบัติทางด้านความแข็งแรงของโลหะเป็นสำคัญ ตัวอย่างเช่น การเชื่อมไททาเนียม ไนโอเบียม, โลหะทนไฟ และโลหะผสมนิกเกิล​

อย่างไรก็ตามสาเหตุจำเป็นหลักที่ทำให้ต้องทำงานภายใต้สภาวะสุญญากาศนั้นคือการควบคุมลำอิเล็กตรอนให้มีความแม่นยำสูงสุด เนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์ได้ง่ายเมื่อประทะกับโมเลกุลของอากาศ ซึ่งการลดแรงดันบรรยากาศจะทำให้สามารถควบคุมอิเล็กตรอนได้ง่ายมากขึ้น ห้องสุญญากาศในปัจจุบันจะมีการติดตั้งซีลที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูง มีเซ็นเซอร์วัดสุญญากาศ และระบบปั้มประสิทธิภาพสูงที่ช่วยให้เกิดสุญญากาศได้อย่างรวดเร็ว ด้วยปัจจัยดังกล่าวจะทำให้ลำอิเล็กตรอนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 0.3-0.8 มิลลิเมตรเท่านั้น นอกจากนี้ การนำระบบ ซีเอ็นซีไมโครโปรเซสเซอร์ และระบบการตรวจสอบความปลอดภัยขั้นสูงทำให้จุดที่หลอมเหลวชิ้นงานมีขนาดเล็กลงและเชื่อมต่อชิ้นงานได้อย่างตรงจุดและสามารถทำงานได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำที่ความหนาตั้งแต่ 0.001 นิ้วไปจนถึงหลายๆนิ้ว ซึ่งทำให้เทคโนโลยี EBW เป็นเทคโนโลยีการเชื่อมที่ดีที่สุดในขณะนี้

 

การเชื่อมด้วยลำแสงเลเซอร์ (LBW) หรือการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EBW) ทั้ง 2 วิธีนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในการเชื่อมชิ้นงานโลหะหลายชนิดเข้าด้วยกัน แต่กระบวนการใดที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด คำตอบของคำถามนี้จะขึ้นอยู่กับการใช้งานเชื่อม ในกรณีส่วนใหญ่จะได้รับประโยชน์สูงสุดเมื่อใช้วิธีการเชื่อมทั้ง 2 กระบวนการในระดับชั้นที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกระบวนการผลิตและส่วนประกอบชิ้นงานที่มีความซับซ้อนมากขึ้น กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์จำเป็นต้องใช้เมื่อขนาดของชิ้นงานประกอบมีขนาดใหญ่มากๆ สำหรับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนจำเป็นต้องทำในห้องปิดที่สภาวะสุญญากาศ ซึ่งจะใช้ในชิ้นงานที่ต้องการประกอบในจะต้องทำภายใต้ภาวะสุญญากาศ (ปราศจากของเหลวและก๊าซ) เมื่อเชื่อมด้วยสำแสงอิเล็กตรอน ลำแสงอิเล็กตรอนจะเป็นตัวเลือกหลักเมื่อประกอบเสร็จจะต้องปิดผนึกชิ้นส่วนภายในด้วยสุญญากาศ เมื่อเจาะทะลุเกิน ½ นิ้ว เมื่อวัสดุชิ้นงานได้รับการเชื่อมทั้งการเชื่อมด้วยเลเซอร์หรือและอิเล็กตรอนแล้วอุณหภูมิชิ้นงานจะค่อยๆลดลงจนยอมรับได้ ก็จะได้ชิ้นงานที่มีความสมบูรณ์แบบมากกว่าชิ้นงานประเภทอื่นๆ ตัวอย่างการเชื่อมที่ต้องใช้ทั้ง 2 วิธีส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการผลิตชิ้นส่วนเครื่องบินที่มีความซับซ้อนสูง เช่นวัสดุ ไทเทเนียมและโลหะผสม หรือไทเทเนียมและโลหะทนไฟ เช่น ทังสเตน ไนโอเบียม รีเนียม และแทนทาลัม เป็นต้น

Proponents of laser beam welding (LBW) and electron beam welding (EBW)  each pronounce the singular praises of their favored technology, but often the best solution for a customer is to use both technologies together. Both processes are well suited to joining components with complex geometries, and capable of meeting the most stringent demands for metallurgical characteristics of the final assembly.​

Laser beam welding (LBW) 

Laser welding energy sources utilize either a continuous wave (CW) or pulsed output of photons. With CW systems, the laser beam is always on during the welding process. Pulsed systems are modulated to output a series of pulses with an off time between those pulses. With both methods, the laser beam is optically focused on the workpiece surface to be welded. These laser beams may be delivered directly to the part via classical hard-optics, or through a highly flexible fiber optic cable capable of delivering the laser energy to distant workstations.​

It is the high energy density of the laser that allows the surface of the material to be brought to its liquids temperature rapidly, allowing for a short beam interaction time compared to traditional welding methods such as GTAW (TIG welding) and similar processes. Energy is thus given less time to dissipate into the interior of the workpiece. This results in a narrow heat-affected zone and less fatigue debit to the component.​

Electron beam welding (EBW) 

Widely accepted across many industries, EBW permits the welding of refractory and dissimilar metals that are typically unsuited for other methods. The kinetic energy of the electrons is converted to heat energy, which in turn is the driving force for fusion. Usually no added filler material is required or used, and post-weld distortion is minimal. Ultra-high energy density enables deep penetration and high aspect ratios, while a vacuum environment ensures an atmospheric gas contamination-free weld that is critical for metals such as Electron Beam Welding titanium, niobium, refractory metals, and nickel-based super-alloys.​

However, the main necessity for operating under vacuum is to control the electron beam precisely. Scattering occurs when electrons interact with air molecules; by lowering the ambient pressure electrons can be more tightly controlled. Modern vacuum chambers are equipped with state-of-the-art seals, vacuum sensors, and high-performance pumping systems enabling rapid evacuation. These features make it possible to focus the electron beam to diameters of 0.3 to 0.8 millimeters. By incorporating the latest in microprocessor Computer Numeric Control (CNC) and systems monitoring for superior part manipulation, parts of various size and mass can be joined without excessive melting of smaller components. The precise control of both the diameter of the electron beam and the travel speed allows materials from 0.001” to several inches thick to be fused together. These characteristics make EBW an extremely valuable technology.​

Electron beam welding (EBW) and Laser beam welding (LBW) are two very popular methods of joining multiple metallic components. But which process is the most effective?  The answer to this question depends on the welding application. In most cases, it is very beneficial to utilize both processes at different stages, especially with more complex manufacturing processes and components. Laser processing is required either when the size of the final assembly is too large for an EB welding chamber, some component in an assembly is incompatible with vacuum processing (such as a liquid or gas), or when the weld is inaccessible to an electron beam source. Electron beam will be the primary choice when the completed assembly must be sealed with internal components under vacuum, when weld penetrations exceed 1⁄2", when the material is challenging to initiate laser coupling, or when the weld must not be exposed to atmospheric conditions until it has cooled to an acceptable temperature. Examples are aerospace welding of titanium and its alloys, and many refractory metals such as tungsten, niobium, rhenium, and tantalum. ​

Source: MEGA Tech Magazine, Nov-Dec 2017

© 2018 Advance Industry Media Plus Co., Ltd. All Rights Reserved.​​

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching

Advance Industry Media Plus Co., Ltd.
1104/339 Pattanakarn Road Suanluang, Suanluang, Bangkok, 10250 Thailand

Tel. +66 2136 1406-7

Fax. +66 2187 2899

www.aimplus.co.th   

info@aimplus.co.th​

Ms. Khemruji Pruankaewmanee

Tel: +66 2 136 1406-7
Email: khemruji@aimplus.co.th​

aimplus.co.th

Reader voices

Advertisers

Subscribe

ADVERTISE WITH US 

LINKS

FOLLOW US ON SOCIAL MEDIA

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
www.thaisheetmetal.com