บทนำ: เมื่อขนาดพิมพ์ วัสดุ หรือต้นทุนแตะเพดาน กระบวนการเชื่อมต่อคือทางออกทางวิศวกรรมขั้นสุดท้าย
ในการทบทวนโครงการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ มีความต้องการประเภทหนึ่งที่แทบจะพบได้ทุกสัปดาห์ ได้แก่ รูปร่างชิ้นส่วนใหญ่เกินขนาดใช้งานจริงของกระบอกขึ้นรูปในเครื่องจักร พื้นที่เฉพาะจุดต้องการสมบัติวัสดุที่ไม่สามารถทำได้อย่างคุ้มค่าบนอุปกรณ์พิมพ์เดียวกัน หรือเวลาการพิมพ์ทั้งชิ้นทำให้ต้นทุนสูงจนลูกค้ารับไม่ได้ ทั้งสามกรณีมีจุดร่วมคือไม่ใช่ปัญหาที่แก้ได้ด้วยการปรับพารามิเตอร์การพิมพ์อีกต่อไป แต่ต้องกลับไปหาคำตอบจากการผสมผสานกระบวนการผลิต การเชื่อม การบัดกรีแข็ง และการเชื่อมแพร่ จึงเป็นกลุ่มกระบวนการที่ถูกใช้อย่างต่อเนื่องเมื่อการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเปลี่ยนจากการขึ้นรูปชิ้นเดียวไปสู่การผลิตแบบประกอบ แต่ก็มักถูกประเมินค่าต่ำที่สุด
ตัวอย่างสถานการณ์จริงทางวิศวกรรมคือ ชุดท่อร่วมกระจายของไหลชุดหนึ่งมีขนาดภายนอก 780 mm × 420 mm ซึ่งเกินพื้นที่ขึ้นรูประดับ 400 mm ของเครื่องหลอมผงด้วยเลเซอร์แบบเตียงผงที่ใช้กันทั่วไป ขณะเดียวกันมีเพียงหน้าแปลนสองจุดเท่านั้นที่ต้องการความแข็งแรงสูง ส่วนตัวเรือนที่เหลือต้องการเพียงความทนแรงดันและความทนการกัดกร่อน หากพิมพ์ทั้งชิ้นจำเป็นต้องใช้เครื่องขนาดใหญ่และแบกรับเวลาการทำงานเกือบหนึ่งพันชั่วโมง แต่หากพิมพ์แยกส่วนแล้วประกอบด้วยการเชื่อม ต้นทุนจะลดลงเหลือต่ำกว่าหนึ่งในสาม ประเด็นสำคัญของการตัดสินใจลักษณะนี้ไม่ใช่ว่าเชื่อมติดได้หรือไม่ แต่คือรอยต่อจะผ่านการทดสอบแรงดัน การตรวจหารอยบกพร่อง และการประเมินการใช้งานภายหลังได้หรือไม่
หนึ่ง เหตุใดชิ้นงานพิมพ์ 3D จึงไม่ควรใช้กระบวนการเชื่อมแบบดั้งเดิมอย่างตรงไปตรงมา
การปฏิบัติต่อชิ้นงานพิมพ์เหมือนชิ้นงานตีขึ้นรูปหรือชิ้นงานหล่อทั่วไปแล้วนำไปเชื่อม เป็นข้อผิดพลาดที่พบได้บ่อยที่สุดในหน้างาน วัสดุฐานของชิ้นงานผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมีลักษณะต่างจากวัสดุทั่วไปสามประการ ได้แก่ มีรูพรุนและข้อบกพร่องจากการหลอมไม่สมบูรณ์อยู่ภายในในสัดส่วนหนึ่ง โครงสร้างจุลภาคมีความเป็นแอนไอโซทรอปีและลักษณะเป็นชั้นอย่างชัดเจน และหลังขึ้นรูปยังมีความเค้นตกค้างจากความร้อนค่อนข้างสูง ลักษณะเหล่านี้จะถูกขยายผลภายใต้วงจรความร้อนของการเชื่อม
ปัญหารูพรุนเป็นเรื่องที่เห็นได้โดยตรงที่สุด ชิ้นงานที่ผลิตด้วยการหลอมผงด้วยเลเซอร์แบบเตียงผงก่อนผ่านการอัดร้อนแบบไอโซสแตติกมักมีความหนาแน่นสัมพัทธ์อยู่ในช่วง 99.5% ถึง 99.9% รูพรุนขนาดเล็กที่เหลืออยู่จะขยายตัวและรวมกลุ่มภายใต้อุณหภูมิสูงของบ่อหลอมจากการเชื่อมอาร์กหรือเลเซอร์ กลายเป็นแนวรูพรุนตามแนวหลอมรวม ในทางปฏิบัติ วัสดุฐานในระยะ 10 mm รอบบริเวณเชื่อมมักต้องผ่านการทำให้แน่นด้วยการอัดร้อนแบบไอโซสแตติกก่อน หรือในขั้นตอนรับรองกระบวนการต้องใช้ CT อุตสาหกรรมยืนยันว่าความพรุนในบริเวณนั้นต่ำกว่า 0.2% หากละขั้นตอนนี้ อัตราการผ่านการตรวจด้วยรังสีตั้งแต่ครั้งแรกของรอยต่อมักลดจากมากกว่า 90% เหลือต่ำกว่า 60%
ความเป็นแอนไอโซทรอปีส่งผลต่อพฤติกรรมการเสียรูปของรอยต่อเช่นกัน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและค่ากำลังครากตามทิศทางการพิมพ์หรือแกน Z แตกต่างจากทิศทางตั้งฉาก เมื่อเกิดความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการเชื่อม จะทำให้เกิดการหดตัวไม่สมมาตร ส่งผลให้ผิวหน้าแปลนเกิดการบิดมุมเกินค่าความเผื่อ วิธีปฏิบัติจากประสบการณ์คือจัดแนวเชื่อมแบบสมมาตร ใช้การเชื่อมย้อนเป็นช่วง ๆ และเผื่อค่าการดัดกลับไว้ในฟิกซ์เจอร์
สอง การแบ่งกลุ่มกระบวนการ: ขอบเขตการใช้งานของการเชื่อมหลอม การบัดกรีแข็ง และการเชื่อมในสถานะของแข็ง
เมื่อนำกระบวนการทั้งสามกลุ่มมาอยู่ในตารางตัดสินใจเดียวกัน เกณฑ์หลักคือข้อกำหนดด้านความแข็งแรงของรอยต่อ ความเข้ากันได้ทางโลหวิทยาของวัสดุฐาน และปริมาณความร้อนที่ยอมให้ป้อนเข้าได้
การเชื่อมหลอม เช่น TIG, MIG, การเชื่อมเลเซอร์ และการเชื่อมลำอิเล็กตรอน อาศัยการหลอมร่วมกันของวัสดุฐานและโลหะเติมเพื่อสร้างเกรนร่วมกัน ความแข็งแรงของรอยต่อสามารถใกล้เคียงวัสดุฐาน จึงเหมาะกับโครงสร้างรับแรงและชิ้นส่วนประเภทภาชนะรับแรงดัน แต่มีต้นทุนแฝงคือบริเวณกระทบร้อนกว้าง การเสียรูปชัดเจน และต้องการความสามารถในการเชื่อมของวัสดุฐานสูง สำหรับชิ้นงานพิมพ์สเตนเลส 316L หากใช้ลวดเชื่อม ER316L ในการเชื่อม TIG ควบคุมความร้อนป้อนเข้าที่ 0.8 ถึง 1.2 kJ/mm ต่อแนว และให้อุณหภูมิระหว่างชั้นไม่เกิน 150 ℃ ความต้านแรงดึงของรอยต่อมักทำได้มากกว่า 90% ของวัสดุฐาน
การบัดกรีแข็งอาศัยโลหะเติมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าวัสดุฐานไหลเติมช่องว่างด้วยแรงแคปิลลารี โดยวัสดุฐานไม่หลอมละลาย จึงมีผลกระทบจากความร้อนน้อยมาก เหมาะกับชิ้นงานความเที่ยงตรงสูง ชิ้นงานผนังบาง และการประกอบวัสดุต่างชนิด โลหะบัดกรีแข็งฐานเงิน เช่น กลุ่ม BAg มีอุณหภูมิการบัดกรีอยู่ที่ 600 ถึง 800 ℃ การบัดกรีในสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกันช่วยหลีกเลี่ยงการออกซิเดชันได้ ข้อจำกัดคือความแข็งแรงของรอยต่อขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของโลหะบัดกรีและการควบคุมช่องว่างเป็นหลัก โดยช่องว่างรอยบัดกรีที่ 0.05 ถึง 0.15 mm จะให้ความแข็งแรงสูงสุด หากช่องว่างใหญ่เกินไป ความแข็งแรงจะลดลงอย่างรวดเร็ว นี่คือเหตุผลที่การออกแบบรอยต่อบัดกรีแข็งต้องระบุค่าความเผื่อการประกอบไว้อย่างชัดเจน
การเชื่อมแพร่และการเชื่อมในสถานะของแข็ง เช่น การเชื่อมแพร่และการเชื่อมเสียดทานกวน อยู่กึ่งกลางระหว่างสองกลุ่มข้างต้น การเชื่อมแพร่ทำในสุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อย โดยใส่แรงกดและคงอุณหภูมิที่ 0.5 ถึง 0.7 เท่าของจุดหลอมเหลว อาศัยการแพร่ของอะตอมเพื่อสร้างรอยต่อที่ไม่มีโลหะบัดกรี แทบไม่เกิดบริเวณกระทบร้อน จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสำหรับการประกอบชิ้นงานพิมพ์โลหะผสมไทเทเนียมและซูเปอร์อัลลอย โดยพารามิเตอร์ทั่วไปคือ 900 ถึง 950 ℃ แรงดัน 5 ถึง 10 MPa และเวลาแช่ 60 ถึง 120 นาที
สาม ประเด็นสำคัญในการดำเนินกระบวนการเชื่อมโลหะชนิดเดียวกัน
ยกตัวอย่างชิ้นงานพิมพ์โลหะผสมไทเทเนียม Ti6Al4V ซึ่งพบได้บ่อยที่สุด ก่อนเชื่อมต้องเตรียมสามเรื่องให้เสร็จ ประการแรกคือการทำความสะอาดผิว อนุภาคกึ่งหลอมและชั้นออกไซด์ที่เกาะบนผิวชิ้นงานพิมพ์ต้องถูกกำจัดออกจากบริเวณเชื่อมด้วยการเจียรเชิงกลหรือการกัดเคมีจนเห็นเงาโลหะ โดยพื้นที่เจียรควรกว้างเกินขอบร่องบากมากกว่า 15 mm ประการที่สองคือการออกแบบร่องบาก เมื่อความหนาแผ่นเกิน 6 mm แนะนำให้ทำร่องบากแบบ V หรือ X โดยเหลือหน้าราก 1 ถึง 2 mm เพื่อให้รากเชื่อมหลอมทะลุได้ดี ประการที่สามคือการป้องกันบรรยากาศ โลหะผสมไทเทเนียมจะดูดซับออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจนอย่างรุนแรงเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 400 ℃ ดังนั้นแนวเชื่อมและบริเวณกระทบร้อนต้องได้รับการป้องกันทั้งสองด้านด้วยอาร์กอนความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่า 99.999% และใช้หัวครอบลากเพื่อป้องกันบริเวณอุณหภูมิสูงจนกว่าจะเย็นต่ำกว่า 400 ℃ สีแนวเชื่อมที่เป็นสีเงินขาวหรือเหลืองอ่อนถือว่าผ่าน หากปรากฏสีน้ำเงินหรือสีเทาให้ตัดสินว่าออกซิเดชันเกินเกณฑ์และต้องตัดออกเชื่อมใหม่
ความยากของชิ้นงานพิมพ์อะลูมิเนียมอัลลอยอยู่ที่รูพรุนไฮโดรเจน ชิ้นงานพิมพ์ AlSi10Mg มีปริมาณซิลิคอนสูงอยู่แล้ว และระหว่างเชื่อมบ่อหลอมมีแนวโน้มดูดซับไฮโดรเจนสูง จึงควรอุ่นวัสดุฐานที่ 120 ถึง 150 ℃ ก่อนเชื่อมเพื่อไล่ความชื้น ใช้ลวดเชื่อม ER4043 เพื่อลดความไวต่อการแตกร้อน และควบคุมจุดน้ำค้างของก๊าซป้องกันให้ต่ำกว่า -40 ℃ อย่างเข้มงวด
สี่ รอยต่อเปลี่ยนผ่านวัสดุต่างชนิด: จากเหล็ก-อะลูมิเนียมถึงทองแดง-สเตนเลส
การเชื่อมต่อชิ้นงานพิมพ์กับชิ้นงานวัสดุแบบดั้งเดิม เป็นความต้องการที่เติบโตเร็วที่สุดหลังการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเข้าสู่การใช้งานทางวิศวกรรม ความขัดแย้งหลักคือความไม่เข้ากันทางโลหวิทยา หากเชื่อมหลอมเหล็กกับอะลูมิเนียมโดยตรง จะเกิดชั้นสารประกอบระหว่างโลหะที่เปราะ เมื่อความหนาเกิน 10 μm รอยต่อแทบจะไม่มีความเหนียวเลย
แนวทางหลักทางวิศวกรรมคือการใช้รอยต่อเปลี่ยนผ่าน โดยพอกเชื่อมหรือทำแผ่นประกบระเบิดบนฝั่งเหล็กด้วยโลหะที่เข้ากันได้กับอะลูมิเนียม เช่น อะลูมิเนียมบริสุทธิ์หรืออะลูมิเนียม-ซิลิคอนอัลลอย จากนั้นจึงทำการบัดกรีแข็งหรือเชื่อมหลอมฝั่งอะลูมิเนียมบนชั้นเปลี่ยนผ่าน เพื่อจำกัดสารประกอบเปราะให้อยู่ที่ผิวประสานของชั้นประกบ ไม่ใช่ภายในแนวเชื่อม สำหรับการประกอบทองแดง-สเตนเลส มักใช้โลหะเติมฐานนิกเกิล หรือชุบนิกเกิลล่วงหน้าบนฝั่งทองแดง เพื่อยับยั้งรอยแตกร้าวจากการแทรกซึมของทองแดงตามขอบเกรนของเหล็ก
อีกแนวคิดที่มั่นคงกว่าคือหลีกเลี่ยงการเชื่อมหลอม โดยออกแบบรอยต่อผสมที่ใช้การยึดเชิงกลร่วมกับการบัดกรีแข็งเพื่อซีลระหว่างวัสดุต่างชนิด ให้โครงสร้างเชิงกลรับภาระ ส่วนชั้นบัดกรีทำหน้าที่ปิดผนึกเท่านั้น การออกแบบนี้แยกความเสี่ยงทางโลหวิทยาออกจากหน้าที่รับแรง และใช้กันอย่างแพร่หลายในข้อต่อท่อของภาชนะรับแรงดัน ข้อแลกเปลี่ยนคือโครงสร้างหนักขึ้นเล็กน้อยและขั้นตอนประกอบเพิ่มขึ้น
ห้า การตรวจยืนยันคุณภาพรอยต่อและเกณฑ์ปล่อยผ่าน
รอยต่อเชื่อมและรอยต่อบัดกรีแข็งไม่ควรปล่อยผ่านจากรูปลักษณ์ภายนอกเพียงอย่างเดียว การตรวจยืนยันที่ครบถ้วนควรครอบคลุมสี่ระดับ ได้แก่ ลักษณะภายนอกและมิติ เช่น ความสูงเสริมแนวเชื่อม การบิดมุม และอัตราการเติมเต็มของรอยบัดกรี การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย โดยรอยต่อเชื่อมหลอมตรวจด้วยรังสีหรืออัลตราซาวด์ ส่วนรอยต่อบัดกรีแข็งเน้นอัลตราซาวด์และการทดสอบความแน่นของก๊าซ และสำหรับบริเวณเชื่อมของชิ้นงานพิมพ์แนะนำให้เสริมการตรวจ CT อุตสาหกรรมเพื่อตรวจการรวมตัวของรูพรุน การทดสอบเชิงกล เช่น การทดสอบแรงดึง ดัด และกระแทกบนแผ่นทดสอบรับรองกระบวนการในล็อตเดียวกัน และการยืนยันการใช้งาน โดยทดสอบแรงดันน้ำที่ 1.5 เท่าของแรงดันใช้งานและคงแรงดันไม่น้อยกว่า 30 นาที
การรับรองกระบวนการควรทำให้เสร็จก่อนการผลิตจำนวนมากและจัดทำเป็นเอกสารข้อกำหนดกระบวนการเชื่อม โดยตรึงค่ากระแส แรงดันไฟฟ้า ความร้อนป้อนเข้า อุณหภูมิระหว่างชั้น อัตราการไหลของก๊าซป้องกัน และกราฟการอบชุบหลังเชื่อมทั้งหมด หากขาดขั้นตอนนี้ การเชื่อมแต่ละครั้งก็เท่ากับการทดลองที่ไม่แน่นอน และต้นทุนการแก้ไขงานจะกัดกินข้อได้เปรียบด้านเวลาที่การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุช่วยประหยัดไว้ได้อย่างรวดเร็ว
หก คำแนะนำการออกแบบรอยต่อสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
แทนที่จะไปแก้ปัญหาที่ปลายทางของกระบวนการ ควรพิจารณาการเชื่อมต่อตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบ มีข้อเสนอแนะเฉพาะสามประการ ประการแรก จัดตำแหน่งแนวเชื่อมไว้ในบริเวณความเค้นต่ำ หลีกเลี่ยงจุดที่หน้าตัดเปลี่ยนฉับพลันและตำแหน่งไวต่อความล้า ประการที่สอง ขึ้นรูปบ่าจัดตำแหน่งเชื่อมและร่องโลหะบัดกรีไว้บนชิ้นงานพิมพ์โดยตรง เพื่อลดเวลาในการตั้งศูนย์ประกอบและรับประกันความสม่ำเสมอของช่องว่าง ประการที่สาม ระบุให้ชัดเจนว่าหลังเชื่อมต้องอบคลายความเค้นหรือไม่ สำหรับไทเทเนียมอัลลอยโดยทั่วไปแช่ที่ 600 ถึง 700 ℃ เป็นเวลา 1 ถึง 2 ชั่วโมง ส่วนอะลูมิเนียมอัลลอยมักใช้อบอ่อนอุณหภูมิต่ำที่ 250 ถึง 300 ℃ หากเขียนพารามิเตอร์ผิดอาจทำให้มิติผิดค่าความเผื่อหรือสมบัติลดลงโดยตรง
สรุป
การเชื่อม การบัดกรีแข็ง และการเชื่อมแพร่ไม่ใช่สิ่งทดแทนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ แต่เป็นเครื่องมือทางวิศวกรรมที่ปลดล็อกการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุจากข้อจำกัดด้านขนาดของเครื่องจักร การเลือกใช้กระบวนการใดขึ้นอยู่กับข้อกำหนดความแข็งแรงของรอยต่อ ความเข้ากันได้ทางโลหวิทยาของวัสดุฐาน และปริมาณความร้อนที่ยอมให้ป้อนเข้า ส่วนการทำให้ได้คุณภาพสม่ำเสมอขึ้นอยู่กับสภาพความแน่นของวัสดุฐาน คุณภาพการทำความสะอาดผิว การป้องกันบรรยากาศ และความครบถ้วนของการรับรองกระบวนการ หากทำเงื่อนไขเหล่านี้ให้มั่นคงตั้งแต่ต้น การผลิตแบบประกอบจึงจะได้ทั้งอิสระทางเรขาคณิตของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ และยังรักษาเส้นล่างด้านความน่าเชื่อถือของโครงสร้างไว้ได้
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง