ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนในการเชื่อมเลเซอร์

บทนำ

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ได้กลายเป็นเทคนิคที่ปฏิวัติวงการในอุตสาหกรรมการผลิตสมัยใหม่ โดดเด่นด้วยความแม่นยำ การทำงานด้วยความเร็วสูง และพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนต่ำมาก ในกระบวนการนี้ ไนโตรเจนมีบทบาทสำคัญในฐานะก๊าซป้องกัน ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการป้องกันการเกิดออกซิเดชันของบ่อเชื่อม การลดการเกิดรูพรุน และการเพิ่มคุณภาพโดยรวมของการเชื่อมอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม การบรรลุและรักษาความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนตามที่ต้องการนั้นได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการ ซึ่งเราจะได้พิจารณาอย่างละเอียดในบทความนี้

1. แหล่งที่มาของไนโตรเจน

1.1 การผลิตจากบรรยากาศ

โดยทั่วไป ไนโตรเจนที่ใช้ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์มักผลิตจากอากาศ ซึ่งมีไนโตรเจนอยู่ประมาณร้อยละ 78 พร้อมกับออกซิเจน อาร์กอน และก๊าซอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย การผลิตไนโตรเจนจากอากาศสามารถทำได้โดยวิธีต่างๆ เช่น การดูดซับแบบเปลี่ยนความดัน (PSA) หรือการแยกด้วยเยื่อ (membrane separation) ในกระบวนการ PSA อากาศจะถูกอัดความดันและส่งผ่านชั้นของวัสดุดูดซับ (โดยปกติเป็นซีโอไลต์) วัสดุเหล่านี้มีแรงยึดเหนี่ยวต่อออกซิเจนและสิ่งเจือปนอื่นๆ มากกว่าไนโตรเจน ดังนั้นจึงสามารถแยกไนโตรเจนออกมาและเก็บไว้ได้ อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของระบบ PSA ในการผลิตไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น คุณภาพของวัสดุดูดซับ ความดันและอุณหภูมิในการทำงาน และอัตราการไหลของอากาศที่เข้ามา หากวัสดุดูดซับมีการอิ่มตัวหรือเสื่อมสภาพตามการใช้งาน อาจทำให้ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนลดลง ตัวอย่างเช่น หากหน่วย PSA ไม่ได้รับการบำรุงรักษาอย่างเหมาะสม หรือวัสดุดูดซับไม่ได้รับการฟื้นฟูอย่างมีประสิทธิภาพ ออกซิเจนและสารปนเปื้อนอื่นๆ อาจเริ่มปนเข้ามา ทำให้ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนลดลงจากระดับที่ต้องการคือ 99.99% (หรือสูงกว่านั้นในบางกรณี)

การแยกด้วยเยื่อ (Membrane separation) ในทางกลับกัน จะใช้เยื่อกึ่งซึมผ่านได้ เมื่ออากาศอัดผ่านเยื่อนี้ แก๊สที่มีขนาดโมเลกุลเล็กกว่า (เช่น ออกซิเจน) จะซึมผ่านเยื่อได้ง่ายกว่าไนโตรเจน จากนั้นจะทำการเก็บกระแสแก๊สที่มีไนโตรเจนเข้มข้น แต่ปัจจัยต่างๆ เช่น ความสมบูรณ์ของเยื่อและความแตกต่างของแรงดันที่เยื่อสามารถส่งผลต่อความบริสุทธิ์ เยื่อที่เสียหายสามารถทำให้อนุภาคปนเปื้อนผ่านเข้ามาได้มากขึ้น จึงลดความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนลง

1.2 ไนโตรเจนเหลว

ไนโตรเจนเหลวเป็นอีกแหล่งหนึ่งของไนโตรเจนสำหรับการเชื่อมเลเซอร์ ไนโตรเจนเหลกเก็บรักษาไว้ในถังความเย็นจัด (cryogenic tanks) และต้องถูกทำให้กลายเป็นไอระเหยก่อนใช้งาน ไนโตรเจนเหลวมักมีความบริสุทธิ์สูงมาก มักเกินกว่า 99.999% อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการการกลายเป็นไอระเหย มีความเสี่ยงของการปนเปื้อน หากอุปกรณ์การระเหยไม่สะอาด หรือมีการรั่วไหลในระบบจ่ายก๊าซ ก๊าซความชื้นหรือก๊าซอื่นๆ จากสภาพแวดล้อมรอบข้างอาจปนเข้าไปในไนโตรเจน ทำให้ความบริสุทธิ์ลดลง ตัวอย่างเช่น หากฉนวนของถังความเย็นจัดเกิดความเสียหาย อากาศร้อนอาจไหลเข้าไปภายใน ทำให้ความชื้นควบแน่นและอาจปนเปื้อนไนโตรเจนขณะที่มันกลายเป็นไอระเหย

2. ข้อกำหนดความบริสุทธิ์ตามชนิดวัสดุ

2.1 การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม

ในการเชื่อมเลเซอร์สแตนเลส ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนสูงมีความสำคัญอย่างมาก สแตนเลสมีโครเมียมเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและสร้างชั้นออกไซด์ป้องกันบนพื้นผิว ในระหว่างการเชื่อม หากความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนไม่เพียงพอ ออกซิเจนอาจทำปฏิกิริยากับโลหะหลอมเหลว รบกวนการก่อตัวของชั้นออกไซด์ป้องกันดังกล่าว ซึ่งอาจทำให้ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนของรอยเชื่อมลดลง สำหรับการเชื่อมเลเซอร์สแตนเลสคุณภาพสูง มักแนะนำให้ใช้ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ระดับ 99.995% หรือสูงกว่า แม้ความบริสุทธิ์จะคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อย ก็อาจก่อให้เกิดการเกิดออกซิเดชันที่มองเห็นได้บนพื้นผิวรอยเชื่อม ซึ่งไม่เพียงแต่ส่งผลต่อความสวยงาม แต่ยังกระทบต่อสมรรถนะในระยะยาวของชิ้นส่วนที่ถูกเชื่อมไว้

2.2 อลูมิเนียมและโลหะผสมของมัน

อลูมิเนียมและโลหะผสมของอลูมิเนียมมีความไวต่อออกซิเจนสูง ในการเชื่อมเลเซอร์วัสดุเหล่านี้ ไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นก๊าซป้องกันไม่ให้โลหะหลอมละลายเกิดออกซิเดชัน อย่างไรก็ตาม โลหะผสมอลูมิเนียมแต่ละชนิดอาจมีความไวต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมบางชนิดที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ต้องการไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก มักอยู่ในช่วง 99.999% ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ต่ำกว่าสามารถนำสิ่งเจือปนเข้าสู่รอยเชื่อม ส่งผลให้เกิดรูพรุนหรือลดความแข็งแรงเชิงกลของข้อต่อ ในทางกลับกัน สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียมทั่วไปที่ใช้ในงานที่ไม่สำคัญมากนัก ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนที่ประมาณ 99.99% อาจเพียงพอ แต่ยังคงต้องระวังไม่ให้มีความคลาดเคลื่อนจากมาตรฐานที่กำหนดไว้อย่างมีนัยสำคัญ เพราะอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องในรอยเชื่อม

3. ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์

3.1 ระบบจ่ายก๊าซ

ระบบส่งก๊าซในชุดเครื่องเชื่อมเลเซอร์ประกอบด้วยท่อ วาล์ว และมิเตอร์วัดอัตราการไหล หากส่วนประกอบเหล่านี้ไม่สะอาด หรือทำจากวัสดุที่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีกับไนโตรเจนหรือสารปนเปื้อนในอากาศ ก็อาจส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนได้ ตัวอย่างเช่น หากท่อเกิดสนิม อนุภาคออกไซด์ของเหล็กอาจถูกพัดเข้าสู่กระแสไนโตรเจนได้ วาล์วที่ปิดไม่สนิทอาจทำให้อากาศรั่วเข้าสู่ระบบ ทำให้ไนโตรเจนเจือจางและลดความบริสุทธิ์ของมัน มิเตอร์วัดอัตราการไหลจำเป็นต้องได้รับการปรับเทียบอย่างแม่นยำ การไหลที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้สมดุลระหว่างไนโตรเจนกับอากาศโดยรอบในพื้นที่เชื่อมไม่เหมาะสม หากอัตราการไหลของไนโตรเจนต่ำเกินไป อาจไม่สามารถป้องกันบริเวณจุดเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ออกซิเจนเข้ามาและลดความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนในพื้นที่ทำงาน

3.2 การออกแบบเครื่องเชื่อมเลเซอร์

การออกแบบเครื่องเชื่อมด้วยเลเซอร์เองก็สามารถส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนได้ เครื่องเชื่อมเลเซอร์บางเครื่องมีห้องที่ปิดสนิทบริเวณจุดเชื่อมดีกว่า ซึ่งช่วยรักษาสภาพแวดล้อมของไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง ในเครื่องที่ซีลไม่มีคุณภาพดี อากาศสามารถรั่วเข้าไปยังพื้นที่เชื่อมและเจือจางไนโตรเจนได้ นอกจากนี้ ตำแหน่งและการวางทิศทางของหัวฉีดก๊าซที่ใช้ส่งไนโตรเจนเข้าไปยังจุดเชื่อมก็มีความสำคัญด้วย หากหัวฉีดถูกออกแบบหรือติดตั้งไว้ไม่เหมาะสม ไนโตรเจนอาจไม่ถูกกระจายตัวอย่างทั่วถึงรอบบริเวณจุดเชื่อม ซึ่งอาจทำให้เกิดพื้นที่บางส่วนที่มีความเข้มข้นของไนโตรเจนต่ำกว่าปกติ และส่งผลให้ความบริสุทธิ์ลดลงในบริเวณสำคัญเหล่านั้น

4. ปัจจัยด้านสภาพแวดล้อม

4.1 ความชื้น

ความชื้นในสภาพแวดล้อมรอบข้างอาจเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจน ความชื้นในอากาศสามารถปนเข้าไปในกระแสไนโตรเจน โดยเฉพาะเมื่อมีการรั่วของระบบส่งก๊าซ หรือระหว่างกระบวนการผลิตไนโตรเจน ไอน้ำสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะร้อนในขณะเชื่อม ทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งอาจทำให้รอยเชื่อมมีรูพรุน ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง จำเป็นต้องมีมาตรการพิเศษ เช่น การใช้เครื่องอบแห้งสารดูดความชื้นในท่อจ่ายไนโตรเจนเพื่อกำจัดความชื้น แม้แต่ไอน้ำในปริมาณน้อยในกระแสไนโตรเจนก็สามารถส่งผลเสียต่อคุณภาพของการเชื่อมได้ ดังนั้นการรักษาระดับความชื้นต่ำในไนโตรเจนจึงมีความสำคัญอย่างมากต่อการให้ได้คุณภาพของการเชื่อมเลเซอร์ที่ดี

4.2 อุณหภูมิ

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนได้เช่นกัน ในบางวิธีการผลิตไนโตรเจน เช่น PSA (Pressure Swing Adsorption) ความสามารถในการดูดซับของวัสดุดูดซับอาจได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ อุณหภูมิที่สูงขึ้นสามารถลดประสิทธิภาพของวัสดุดูดซับในการกำจัดสิ่งเจือปนออกจากอากาศ ทำให้ไนโตรเจนที่ได้มีความบริสุทธิ์ต่ำลง นอกจากนี้ ในระบบการส่งก๊าซ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสามารถทำให้ท่อและวาล์วเกิดการขยายตัวหรือหดตัว หากชิ้นส่วนเหล่านี้ไม่ได้รับการออกแบบมาให้ทนต่อการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากอุณหภูมิได้อย่างเหมาะสม ก็อาจทำให้เกิดการรั่วไหลและอากาศเข้าไปในระบบ ทำให้ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนลดลง

5. คำถามและคำตอบที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: ฉันสามารถใช้อากาศอัดธรรมดาแทนไนโตรเจนความบริสุทธิ์สูงในการเชื่อมเลเซอร์ได้หรือไม่

คำตอบ: อากาศอัดธรรมดาประกอบด้วยออกซิเจนในปริมาณมาก (ประมาณร้อยละ 21) ในระหว่างการเชื่อมเลเซอร์ ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับโลหะหลอมเหลว ทำให้เกิดการออกซิเดชัน รูพรุน และลดคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อม ไนโตรเจนความบริสุทธิ์สูงถูกใช้เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมเฉื่อยรอบบริเวณหลอมเหลว ป้องกันปัญหาดังกล่าว ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ใช้อากาศอัดธรรมดาในการเชื่อมเลเซอร์

คำถามที่ 2: ฉันควรตรวจสอบความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนในระบบการเชื่อมเลเซอร์ของฉันบ่อยแค่ไหน

คำตอบ: ควรตรวจสอบความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนอย่างน้อยวันละครั้ง โดยเฉพาะหากกระบวนการเชื่อมเลเซอร์ดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม หากมีสัญญาณบ่งชี้ถึงคุณภาพการเชื่อมที่ไม่ดี เช่น มีรูพรุนมากเกินไป หรือเกิดออกซิเดชัน ควรทำการตรวจสอบความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนทันที นอกจากนี้ หากมีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ต่อระบบผลิตไนโตรเจน ระบบส่งก๊าซ หรือสภาพแวดล้อม การทดสอบความบริสุทธิ์ก็มีความสำคัญเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของการเชื่อมที่สม่ำเสมอ

คำถามที่ 3: หากพบว่าความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนในระบบเชื่อมเลเซอร์ของฉันต่ำกว่าที่กำหนด จะต้องทำอย่างไร

คำตอบ: ขั้นแรกให้ตรวจสอบระบบผลิตไนโตรเจน หากเป็นระบบ PSA ให้ตรวจสอบว่าสารดูดซับถูกฟื้นคืนสภาพอย่างเหมาะสมและไม่อิ่มตัว สำหรับระบบแยกด้วยเมมเบรน ให้ตรวจสอบเมมเบรนว่ามีความเสียหายหรือไม่ ในระบบส่งก๊าซ ให้ตรวจสอบท่อ วาล์ว และจุดต่อต่าง ๆ ว่ามีการรั่วไหลหรือไม่ ทำความสะอาดชิ้นส่วนที่สกปรก ถ้าใช้ไนโตรเจนในสถานะของเหลว ให้ตรวจสอบว่าอุปกรณ์ระเหยสะอาดและท่อส่งไม่มีการปนเปื้อน หากปัญหายังไม่หมดไป ควรพิจารณาปรึกษาช่างเทคนิคผู้เชี่ยวชาญหรือผู้ผลิตอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับไนโตรเจน