Trang chủ » Ứng dụng » Hàn laser là gì? Ưu nhược điểm của kỹ thuật hàn laser

Hàn laser là gì? Ưu nhược điểm của kỹ thuật hàn laser

Hàn laser không phổ biến như các công nghệ như MIG, TIG và hàn hồ quang. Nguyên nhân chủ yếu là cho đến gần đây, nó đòi hỏi chi phí đầu tư lớn. Vậy hàn laser là gì? Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn qua những chia sẻ bên dưới.

Hàn Laser là gì?

Hàn laser hoặc hàn chùm tia laser (laser beam welding – LBW) là một quy trình sử dụng nguồn nhiệt tập trung dưới dạng tia laser để làm nóng chảy các vật liệu, chúng sẽ kết dính lại với nhau khi nguội. Đây là một quy trình linh hoạt vì có thể hàn các vật liệu mỏng với tốc độ hàn nhanh trong khi vẫn thực hiện các mối hàn hẹp và sâu đối với các vật liệu dày hơn.

Trong khi thiết bị hàn laser có giá thành cao hơn các quy trình hàn truyền thống , chi phí vận hành của nó thấp hơn vì nó không nhất thiết phải yêu cầu vật liệu độn bổ sung và xử lý sau. Ngoài ra, tốc độ hàn cao cho phép sản xuất nhiều bộ phận hơn mỗi giờ. Công nghệ đằng sau quy trình này khác biệt đáng kể so với các quy trình hàn hồ quang thông thường như MIG, TIG và SMAW . Các ứng dụng hàn laser hiện đại sử dụng rô-bốt có thể lập trình được kết hợp với quang học tiên tiến để nhắm mục tiêu chính xác vào một khu vực trên phôi.

Các loại hàn chùm tia laser

Có hai loại hàn chùm tia laser khác nhau, cả hai đều có nguyên lý hoạt động riêng biệt để phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Cách vật liệu tương tác phụ thuộc vào mật độ công suất của chùm tia laser.

Hàn dẫn nhiệt

Trong phương pháp này, một chùm tia laser tập trung được sử dụng để làm tan chảy bề mặt của vật liệu cơ bản. Khi mối nối đông cứng, một đường hàn chính xác và mịn được tạo ra. Các mối hàn được tạo ra bằng phương pháp dẫn đầu thường không cần bất kỳ bước hoàn thiện bổ sung nào, chất lượng tuyệt vời “ngay khi xuất xưởng”.

Năng lượng chỉ đi vào vùng hàn bằng cách dẫn nhiệt. Điều này giới hạn độ sâu hàn và do đó quá trình này rất tốt để ghép các vật liệu mỏng. Hàn dẫn nhiệt thường được sử dụng cho các mối hàn có thể nhìn thấy cần phải đẹp về mặt thẩm mỹ.

Có hai loại hàn dẫn nhiệt:

• Làm nóng trực tiếp – chùm tia laser tác dụng trực tiếp năng lượng lên bề mặt kim loại.
• Truyền năng lượng – mực hấp thụ được bôi vào khớp, hấp thụ năng lượng mà chùm tia laser truyền đến.

Hàn thâm nhập sâu/hàn lỗ khóa

Chạy quy trình ở chế độ hàn lỗ khóa (xuyên sâu) tạo ra các mối hàn sâu, hẹp với cấu trúc đồng đều. Đối với kim loại, mật độ công suất khoảng 1 megawatt trên một centimet vuông được áp dụng. Điều này không chỉ làm tan chảy kim loại mà còn làm kim loại bốc hơi, tạo ra một khoang chứa hơi hẹp.

Đây được gọi là khoang lỗ khóa hoặc mao dẫn hơi và được lấp đầy bằng kim loại nóng chảy khi chùm tia laser đi qua phôi. Hàn lỗ khóa là một quá trình tốc độ cao và do đó, sự biến dạng và hình thành vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt được giảm thiểu đến mức tối đa.

Có thể bạn quan tâm: Máy hàn điện mini

Quy trình hàn bằng tia laser

Hàn chùm tia laser hoạt động theo nguyên lý sử dụng tia laser có mật độ công suất cao để truyền nhiệt vào mối nối giữa bề mặt của hai kim loại. Vật liệu nóng chảy tại mối nối và cho phép hợp nhất giữa các kim loại khi nó đông đặc.

Hàn laser thường được thực hiện bằng robot hàn có thể áp dụng chính xác một lượng lớn năng lượng ở tốc độ cao, được dẫn hướng bằng sợi quang linh hoạt. Điều này dẫn đến việc làm tan chảy một lượng kim loại đủ trong mối nối, tạo ra các mối hàn hẹp với độ méo tối thiểu. Hệ thống hàn laser cầm tay dường như cung cấp một giải pháp thay thế tuyệt vời cho các máy công nghiệp cồng kềnh, nhưng sự an toàn của những người thợ hàn đó đang bị nghi ngờ .

Quá trình hàn có thể được thực hiện trong điều kiện khí quyển nhưng đối với các vật liệu phản ứng mạnh hơn, nên sử dụng lớp bảo vệ khí trơ để loại bỏ nguy cơ nhiễm bẩn. Tương tự như hàn chùm tia điện tử , hàn laser có thể được thực hiện trong môi trường chân không nhưng được coi là không khả thi về mặt kinh tế. Do đó, máy hàn laser được trang bị vòi phun khí cung cấp khí trơ cho khu vực hàn.

Nhiều ứng dụng hàn laser được thực hiện mà không cần vật liệu độn bổ sung. Tuy nhiên, một số vật liệu và ứng dụng khó đòi hỏi vật liệu độn để tạo ra mối hàn đạt yêu cầu. Việc thêm vật liệu độn giúp cải thiện hình dạng mối hàn, giảm nứt do đông đặc, mang lại cho mối hàn các đặc tính cơ học tốt hơn và cho phép lắp ghép mối hàn chính xác hơn. Vật liệu độn có thể ở dạng bột hoặc dạng dây độn nhưng vì bột thường đắt hơn đối với hầu hết các vật liệu nên việc sử dụng nguyên liệu dây là phổ biến hơn.

Bốn loại mối hàn phổ biến nhất được sử dụng bằng phương pháp hàn laser là mối hàn đối đầu, mối hàn mép bích, mối hàn chồng và mối hàn chồng.

Hàn laser có thể được thực hiện trên nhiều loại vật liệu kim loại bao gồm thép cacbon thấp , thép không gỉ, nhôm, titan, v.v. Nó cũng có thể kết hợp các vật liệu không phổ biến như đã đề cập ở trên, chẳng hạn như Kovar và các kết hợp vật liệu được coi là không dễ hàn như đồng-đồng, đồng-nhôm, v.v. Nói chung, không nên hàn thép cacbon cao do tốc độ làm mát cao có xu hướng gây ra các vết nứt.

Các loại Laser cho quy trình hàn

Có ba loại máy hàn laser chính được sử dụng cho quy trình hàn:

Laser khí (CO2)

Nguồn laser CO2 là hỗn hợp khí với CO2 là thành phần chính cùng với nitơ và heli. Các laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục hoặc xung ở dòng điện thấp và điện áp cao để kích thích các phân tử khí. Laser carbon dioxide cũng được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như trong hàn laser chùm kép, trong đó hai chùm tia được tạo ra và sắp xếp song song hoặc cạnh nhau.

Laser trạng thái rắn

Laser thể rắn sử dụng công nghệ Diode Pumped Solid State (DPSS) để bơm quặng như ruby, thủy tinh hoặc ytri, nhôm và garnet (YAG), hoặc tinh thể ytri vanadat (YVO4) bằng một diode laser để tạo ra tia laser. Các laser này được vận hành ở chế độ sóng liên tục hoặc chế độ chùm xung. Chế độ xung tạo ra các mối hàn tương tự như mối hàn điểm nhưng có độ xuyên thấu hoàn toàn. Các laser này có khá nhiều nhược điểm khi so sánh với laser sợi quang hiện đại nhưng chúng ta không thể phủ nhận rằng laser thể rắn vẫn có độ ổn định và chất lượng chùm tia tuyệt vời cùng với hiệu suất cao.

Laser dựa trên chất bán dẫn cũng ở trạng thái rắn nhưng thường được coi là một lớp riêng biệt với laser trạng thái rắn. Các laser này chỉ được sử dụng cho các dự án nhỏ và rẻ hơn. Nhưng đôi khi chúng được sử dụng khi hàn ở những khu vực khó tiếp cận vì thiết bị nhỏ gọn hơn. Chất lượng chùm tia kém hơn nhiều so với các loại laser khác và do đó, nó không phổ biến trong các môi trường công nghiệp.

Laser sợi quang

Laser sợi quang là loại laser thể rắn mới hơn cung cấp nhiều năng lượng hơn, chất lượng tốt hơn và hoạt động an toàn hơn. Trong laser sợi quang, chùm tia laser được tạo ra khi sợi quang hấp thụ ánh sáng thô từ các điốt laser bơm. Để đạt được sự chuyển đổi này, sợi quang được pha tạp một nguyên tố đất hiếm. Bằng cách sử dụng các nguyên tố pha tạp khác nhau, có thể tạo ra các chùm tia laser có nhiều bước sóng khác nhau và điều này làm cho laser sợi quang trở nên hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm hàn laser và cắt laser. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không thể sử dụng đầu cắt laser tiêu chuẩn để hàn và đầu hàn laser không thể đáp ứng được tốc độ cắt và chất lượng yêu cầu trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp.

Ưu nhược điểm của phương pháp hàn laser là gì?

Ưu điểm của hàn laser

• Chất lượng tuyệt vời nhờ lượng nhiệt đầu vào thấp và khả năng kiểm soát công suất laser chính xác.
• Hàn laser nhanh hơn các quy trình khác. Nhờ công nghệ laser sợi quang, laser công nghiệp có thể dễ dàng hoạt động ở mức công suất vài nghìn watt, quá đủ để đáp ứng các yêu cầu sản xuất khắt khe nhất. 
• Độ sâu hàn lớn tạo ra mối hàn có độ bền cao.
• Cho phép kết hợp các vật liệu hàn mà các phương pháp khác không thể thực hiện được.
• Thiết bị hàn đơn giản cho phép hàn trong điều kiện đặc biệt.
• Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ hơn. Năng lượng của chùm tia laser được tập trung vào một khu vực rất nhỏ và được di chuyển càng sớm càng tốt. Với mức độ chính xác và kiểm soát này, chỉ những khu vực cần được làm nóng mới được làm nóng. Không có đầu vào nhiệt không cần thiết.
• Kỹ sư có thể thiết kế các bộ phận có trọng lượng nhẹ hơn. Với các phương pháp hàn khác, các kỹ sư cơ khí thường giải quyết lượng nhiệt đầu vào dư thừa bằng cách thiết kế các bộ phận có vật liệu dày hơn. Nhưng với hàn laser, vì có ít nhiệt nhất có thể, nên có thể sử dụng vật liệu mỏng, giúp giảm thiểu trọng lượng sản phẩm và chi phí vật liệu.
• Hàn laser dễ dàng tự động hóa do các yếu tố như khả năng từ xa, hao mòn tối thiểu và khả năng lặp lại. Điều này làm cho nó trở thành một công nghệ thú vị cho các nhà sản xuất gặp khó khăn trong việc tìm thợ hàn chuyên dụng. 

Nhược điểm của hàn laser

• Đầu tư ban đầu cao
• Độ dung sai nghiêm ngặt đòi hỏi phải lắp ráp chi tiết hoàn hảo và hiệu chuẩn laser.
• Vật liệu có độ phản xạ và độ dẫn điện cao (nhôm và đồng) có thể tạo ra kết quả hàn cầu kỳ (trong trường hợp của tia laser Co2).
• Độ xốp và giòn có thể là kết quả của quá trình đông đặc nhanh.
• Hệ thống quang học laser khá mỏng manh và dễ bị hư hỏng.
• An toàn laser là một vấn đề nghiêm trọng trong quá trình hàn. Chùm tia laser và sự phản xạ của nó có thể gây thương tích cho mắt, bỏng da và nguy cơ hỏa hoạn.
• Các thiết bị cầm tay có thể gây nguy hiểm cho người vận hành cần phải đeo PPE và tuân thủ các biện pháp kiểm soát an toàn laser.

Hàn Laser-Hybrid

Hàn laser-hybrid kết hợp các khái niệm về hồ quang điện và chùm tia laser. Cả hai hoạt động đồng thời trong cùng một vùng hàn, bổ sung cho nhau và tạo ra một quy trình hàn độc đáo. Mặc dù hàn laser có thể được sử dụng kết hợp với hầu như bất kỳ quy trình hàn hồ quang nào, nhưng có một số quy trình nổi bật và được sử dụng phổ biến hơn.

Có ba loại hàn laser-hybrid:

• Hàn tăng cường MIG (thường đồng nghĩa với hàn laser lai)
• Hàn tăng cường TIG
• Hàn tăng cường hồ quang plasma.

Quá trình hàn lai cung cấp khả năng thâm nhập sâu do hàn laser mang lại và đạt được hình dạng mũ hàn tương đương với các quy trình hàn hồ quang . Sử dụng khí bảo vệ và các vật tư tiêu hao hàn hồ quang khác mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn đối với các đặc tính mối hàn so với hàn laser chỉ cho phép. Hàn lai laser chắc chắn là một quy trình đang gia tăng và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp đóng tàu, đường sắt, ô tô và các dự án hàn ống quy mô lớn trong tương lai.

Kết luận

Với độ chính xác, tốc độ và mức độ kiểm soát cao, hàn laser mang lại những khả năng tuyệt vời. Tuy có những nhược điểm nhất định, nhưng nó vẫn là giải pháp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay.

Tham khảo bài viết khác: Bàn hút chân không cho máy CNC