Hàn laser đưa lại bước tiến vượt bậc trong phát triển các ngành công nghiệp

Release Date :03/Th11/20221 Views : 91

Sử dụng tăng lên khi hàn laser trở nên quen thuộc hơn

Các ứng dụng cho hàn laser đã tăng đều đặn trong những năm gần đây bởi vì, giống như cắt laser, nhiều ưu điểm của quá trình xử lý bằng laser đang được công nhận và khai thác để tạo ra các sản phẩm tốt hơn với năng suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Hàn laser rất linh hoạt và có thể áp dụng để nối các linh kiện điện tử thu nhỏ hoặc hàn kết cấu thép dày trên 1 inch (25 mm).

Tia laser được ứng dụng để hàn ngay sau khi phát minh ra laser. Các chùm laser được sử dụng để hàn tấm thép dày từ đầu những năm 1970, khi các laser CO 2 phóng điện thử nghiệm có công suất đầu ra vượt quá 10 kilowatt (kW) được cung cấp trên cơ sở hạn chế. Các thí nghiệm hàn laser cũng được tiến hành với các laser CO 2 đặc biệt có khả năng hàn vụ nổ kéo dài vài giây với công suất vượt quá 100 kW và có khả năng xuyên thủng thép dày tới 2 inch (50 mm). Tính khả thi của hàn laser kết cấu thép, tàu và thép ống, vật liệu hạt nhân và hàng không vũ trụ đã được nghiên cứu và chứng minh trong các thử nghiệm ban đầu này.

Giờ đây, đã có sẵn các tia laser có công suất từ ​​hàng trăm watt đến 60 kW và được thiết kế và sản xuất đặc biệt cho hoạt động sản xuất.

Do chi phí vốn cho thiết bị hàn laser tương đối cao nên phải phân tích cẩn thận và tích cực theo đuổi các biện minh kinh tế để khai thác các lợi ích tiềm năng của quy trình. Nhiều lợi ích của việc hàn laser, chẳng hạn như tốc độ cao, năng suất cao và nhiệt lượng đầu vào thấp, tương tự như những lợi ích do cắt laser mang lại.

Tuy nhiên, những ưu điểm của hàn laser đôi khi phải được xem xét trong quá trình thiết kế sản phẩm nếu muốn đạt được lợi ích tối đa. Bài viết này cung cấp thông tin cơ bản ngắn gọn về hàn laser, tóm tắt những lợi ích chính của quy trình và đưa ra một số ví dụ ứng dụng mà những lợi ích này đang được áp dụng.

Quy trình hàn laser

Hệ thống. Một hệ thống hàn laser điển hình bao gồm một máy phát chùm tia laser, hệ thống quang học định hướng chùm tia để vận chuyển chùm tia đến nơi làm việc và tập trung nó vào kích thước điểm và mật độ năng lượng cần thiết, và một trạm làm việc chứa thiết bị xử lý phôi có thể có tính năng bốc dỡ thủ công hoặc tự động .

Laser CO 2 và Nd:YAG được sử dụng cho gần như tất cả các ứng dụng hàn công nghiệp. Đối với laser CO 2 , hệ thống quang học định hướng chùm tia là các gương điều chỉnh riêng lẻ. Đối với laser Nd:YAG tạo ra ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và có thể không mạnh bằng một số laser CO 2 , có thể sử dụng phân phối sợi quang cũng như gương.

Tuy nhiên, laser CO 2 là loại duy nhất có công suất đầu ra đủ cao để hàn các tấm thép dày. Có một số loại laser CO 2 , bao gồm dòng chảy dọc trục chậm và nhanh, làm mát bằng khuếch tán và hệ thống dòng chảy ngang, tất cả đều có những ưu điểm cụ thể cho các ứng dụng cụ thể.

Laser CO 2 dòng chảy ngang tạo ra công suất cao nhất và là loại laser duy nhất cho đến nay đã chứng tỏ khả năng hàn tấm thép dày tới 1,5 inch (38,1 mm).

Quá trình. Đặc điểm nổi bật nhất của chùm tia laser dùng để hàn – so với hồ quang, điện trở hoặc các nguồn nhiệt thông thường khác – là mật độ công suất cao.

Kiểm tra vật liệu dầm

Hình 1

Đối với hầu hết các ứng dụng hàn laser công nghiệp trong đó yêu cầu hàn lỗ khóa (ngâm sâu), chùm tia laser vài kW được hội tụ trên bề mặt vật liệu với đường kính điểm hội tụ khoảng 0,004 inch (0,1 milimét) hoặc lớn hơn. Điều này dẫn đến mật độ công suất nằm trong khoảng 106 đến 107 W/cm 2 tại tiêu điểm chùm tia, tương tự như chùm điện tử hội tụ để hàn.

Ở mật độ năng lượng này, áp suất được tạo ra bởi sự tương tác giữa chùm tia và vật liệu tạo ra một lỗ khóa trong vật liệu, như thể hiện trong Hình 1 . Lỗ khóa chứa đầy hơi kim loại và được bao quanh bởi một hình trụ mỏng bằng kim loại nóng chảy. Khi xảy ra chuyển động tương đối giữa đường tâm chùm tia và chi tiết gia công, kim loại nóng chảy chảy xung quanh từ phía trước lỗ khóa và đông đặc ở phía sau, tạo thành mối hàn laser.

Plasma, có thể hình thành do sự tương tác giữa chùm tia laser mật độ năng lượng cao và luồng hơi kim loại từ lỗ khóa, bị triệt tiêu bằng cách sử dụng luồng khí trơ hoặc không phản ứng. Helium thường được sử dụng để triệt tiêu plasma (đặc biệt đối với hàn laser CO 2 công suất cao), nhưng ở công suất thấp, các loại khí khác, chẳng hạn như argon, có thể có lợi.

Các thông số quy trình chính cho hàn laser bao gồm công suất laser, tốc độ hàn và quang học hội tụ. Tất cả các thông số này là tương tác. Đối với độ dày vật liệu và quang học hội tụ nhất định, đồng thời giả sử rằng mong muốn có các mối hàn ngấu hoàn toàn, thì công suất càng cao thì tốc độ hàn càng nhanh.

Độ dài tiêu cự của quang học ảnh hưởng đến đường kính vệt chùm tia tại tiêu điểm. Đối với một chùm tia laser nhất định, đường kính điểm lấy nét thay đổi trực tiếp theo độ dài tiêu cự.

Đối với quang học có tiêu cự ngắn, kích thước điểm lấy nét nhỏ và mật độ công suất cao. Điều này dẫn đến vùng nhiệt hạch hẹp ở tốc độ hàn nhanh và năng lượng laser thấp để hàn các vật liệu mỏng.

Tuy nhiên, độ sâu tiêu cự cũng nhỏ đối với quang học tiêu cự ngắn, do đó đường kính chùm tia tăng nhanh theo khoảng cách từ vị trí lấy nét tối ưu. Độ sâu tiêu điểm nhỏ dẫn đến các giới hạn đối với độ sâu ngấu hoặc độ dày vật liệu có thể được hàn và cũng yêu cầu khoảng cách tiêu cự giữa quang học và phôi phải được duy trì chính xác trong quá trình hàn.

Ngược lại, quang học tiêu cự dài có độ sâu tiêu điểm lớn hơn phù hợp để hàn vật liệu dày, nhưng vùng nhiệt hạch rộng hơn dẫn đến kích thước điểm lớn hơn. Mật độ công suất cần thiết cho hàn xuyên sâu được tăng lên bằng cách tăng công suất laser.

Quang học tiêu cự dài có ưu điểm là chịu được các thay đổi về khoảng cách làm việc hơn. Ngoài ra, do hệ thống quang học hội tụ ở xa điểm tương tác hơn nên chúng ít bị ảnh hưởng bởi khói hoặc chất gây ô nhiễm bắn tung tóe do quá trình hàn tạo ra. Từ phần thảo luận trước, có thể thấy rằng việc lựa chọn hệ thống quang học hội tụ phù hợp là điều cần thiết để đạt được hiệu suất hàn tối ưu cho từng ứng dụng khác nhau.

Như đã đề cập, nguồn nhiệt do chùm tia laser cung cấp có tính tập trung cao độ. Hầu hết các lợi thế được cung cấp bởi quá trình hàn laser bắt nguồn từ tính năng này. Những ưu điểm này bao gồm năng suất cao, nhiệt độ đầu vào thấp/độ biến dạng thấp, khả năng thâm nhập sâu, khả năng lặp lại và dễ dàng tự động hóa.

hình ảnh hàn laser

Hình 2

Những đặc điểm có lợi này được thảo luận ngắn gọn trong các đoạn sau với một số ví dụ minh họa cho ứng dụng của chúng.

Năng suất cao

Tốc độ di chuyển cao và độ thâm nhập mối hàn sâu đều góp phần vào năng suất cao của quy trình hàn laser. Tốc độ di chuyển điển hình cho quy trình hàn laser sản xuất nằm trong khoảng từ 40 đến 400 inch trên phút (IPM) (1 đến 10 mét/phút). Nhiều ứng dụng kim loại tấm có độ dày vật liệu từ 0,03 đến 0,08 inch (0,75 đến 2 mm) được hàn ở tốc độ cao hơn, trong khi các ứng dụng hàn tiết diện dày có xu hướng yêu cầu tốc độ di chuyển chậm hơn.

Trong mọi trường hợp, những tốc độ này mang lại lợi thế về năng suất so với các quy trình hàn hồ quang, nằm trong khoảng từ 10 đến 80 inch/phút (0,25 đến 2 mét/phút). Ngoài ra, đặc tính thâm nhập sâu của các mối hàn laser thường cho phép hàn một lần.

Độ dày tối đa có thể được hàn trong một lần hàn được xác định bởi công suất tối đa của tia laser hiện có. Ví dụ, tia laser CO 2 3 kW có thể hàn hiệu quả thép dày tới khoảng 0,2 inch (5 mm), trong khi tia laser CO 2 25 kW có thể hàn thép dày 1 inch (25 mm).

Ngoài hàn một lần ở tốc độ tương đối cao, quy trình laser thường không sử dụng vật liệu độn (cần thiết cho hàn hồ quang nhiều lần). Do đó, tiết kiệm chi phí bổ sung được thực hiện.

Cuối cùng, vì hàn laser là một quá trình không tiếp xúc với biến dạng nhiệt tối thiểu, nên việc cố định có thể được đơn giản hóa, dẫn đến thời gian tải và dỡ hàng ngắn hơn và chi phí cố định thấp hơn.

Ngành công nghiệp ô tô đã nhận ra những ưu điểm của hàn laser và ngày càng áp dụng quy trình này trong các nhà máy của họ trong hơn một thập kỷ. Một ứng dụng chính là hàn laser các bộ phận truyền động tròn với độ dày vật liệu thường nằm trong khoảng từ 0,04 đến 0,25 inch (1 đến 6 mm) (xem Hình 2 ).

Các thành phần truyền động ô tô này được thiết kế đặc biệt để hàn chùm tia mật độ năng lượng cao ở tốc độ cao. Ưu điểm bao gồm giảm trọng lượng đáng kể và khả năng kết hợp thép các-bon thấp chi phí thấp với thép hợp kim chi phí cao hơn, dẫn đến chi phí thấp hơn, các thành phần hiệu suất cao hơn.

Ngoài ra, các bộ phận truyền động có thể được thiết kế mà sẽ không thể thực hiện được nếu không hàn laser. Thời gian chu kỳ thông thường, bao gồm tải và dỡ tải, đối với các bộ phận truyền động ô tô là khoảng 10 giây. Do đó, một hệ thống laser duy nhất có thể sản xuất vượt quá một triệu bộ phận mỗi năm.

Các ứng dụng khác trong nhà máy sản xuất ô tô, chẳng hạn như hàn laser các phôi tùy chỉnh, cũng đang được theo đuổi.

Biểu đồ chùm tia laze

Hình 3

Đầu vào nhiệt thấp

Tốc độ di chuyển cao được sử dụng trong hàn laser giảm thiểu sự khuếch tán nhiệt vào kim loại xung quanh. Do đó, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hẹp và ít có khả năng bị hư hỏng do nhiệt đối với các tính năng hoặc bộ phận lân cận.

Lợi ích này đã được nhận ra ở giai đoạn đầu khi quá trình xử lý bằng laser được phát triển và là một lý do tại sao laser được sử dụng trong một số lượng lớn các ứng dụng hàn kín. Đối với những ứng dụng này, các chùm tia laser công suất thấp không thể hiện khả năng xuyên sâu đáng kể được sử dụng. Ngoài ra, chùm tia laser thường được tạo xung để giảm thiểu hơn nữa lượng nhiệt đầu vào.

Vỏ kim loại có thể được nối mà không làm hỏng các thiết bị điện tử được đóng gói bên trong. Các hộp rơle điện tử, trong đó các đường cấp hạt thủy tinh được đặt tương đối gần với mối hàn, là ứng cử viên tốt cho hàn laser. Do đầu vào nhiệt tối thiểu, các hộp rơ le có thể được hàn bằng laser mà không làm hỏng các đường cấp liệu nhạy cảm với nhiệt này.

Một ví dụ khác là hàn la-de bộ phận bơm túi khí. Đối với ứng dụng này, mối hàn đóng cuối cùng phải được hình thành trên thiết bị có chứa các hóa chất có tính phản ứng cao. Đầu vào nhiệt tối thiểu được cung cấp bởi quy trình nối laser duy trì nhiệt độ cao nhất dưới giá trị ngưỡng để đánh lửa nội dung.

Hàn chính xác các thiết bị y tế là một ứng dụng khác trong đó lợi thế của hàn laser được khai thác. Khả năng hàn các bộ phận này một cách chính xác mà không gây hư hại cho các bộ phận nhạy cảm với nhiệt bên trong đã giúp chế tạo các thiết bị thu nhỏ không thể sản xuất bằng các phương pháp thay thế.

Sự biến dạng dẫn đến tất cả các quy trình hàn nhiệt hạch vì một số co ngót chắc chắn xảy ra khi vùng nhiệt hạch hóa rắn và vật liệu nguội đi đến nhiệt độ môi trường. Bởi vì quá trình hàn laser sử dụng lượng nhiệt đầu vào tối thiểu, dẫn đến các vùng nhiệt hạch nhỏ, độ méo được duy trì ở mức tối thiểu.

Hàn laser các phôi tùy chỉnh tận dụng lợi ích này bằng cách tạo ra các phôi kim loại tấm lớn giữa thép trần hoặc thép tráng, có ít hoặc không có biến dạng rõ rệt. Các bộ phận truyền động ô tô có dung sai gần, chẳng hạn như hàn laser bánh răng vào vỏ, cũng tận dụng tính năng biến dạng tối thiểu này.

Thâm nhập sâu

Ngoài việc tăng năng suất và khả năng hàn laser kim loại dày hơn 1 inch (25 mm) trong một lần chạy, hàn ngấu sâu còn mang lại những lợi ích khác. Chúng có thể bao gồm các thiết kế bộ phận được đơn giản hóa dẫn đến các bộ phận mạnh hơn, có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn.

Trong một số trường hợp, laser cung cấp tùy chọn hàn khả thi duy nhất. Một thiết kế bảng cấu trúc được hàn bằng laser cho các ứng dụng đóng tàu sử dụng khả năng thâm nhập sâu của quy trình laser để tạo thành các mối hàn nối giữa các tấm và chất làm cứng. Quá trình này không thể được thực hiện một cách hiệu quả bằng các kỹ thuật hàn hồ quang thông thường.

hàn tấm dày

Các mối hàn thường được hình thành bằng laser CO 2 trong một lần duy nhất mà không cần sử dụng dây phụ. Tuy nhiên, chất độn có thể được thêm vào nếu vật liệu bổ sung được yêu cầu để bù đắp cho khớp nối hoặc để thay đổi thành phần hóa học trong kim loại mối hàn.

Các vùng nhiệt hạch thường thể hiện tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng trong khoảng 10:1, dẫn đến năng lượng đầu vào rất thấp và độ biến dạng tối thiểu cũng như tốc độ hàn tương đối cao. Để có kết quả tốt nhất, quy trình này thường yêu cầu vật liệu chất lượng cao với ít tạp chất và tạp chất phi kim loại nhất. Sự vắng mặt của vật liệu lạ làm giảm sự xuất hiện của lỗ xốp và các khuyết tật liên quan đến ô nhiễm vật liệu khác. Đối với hầu hết các quy trình hàn, độ sạch của vật liệu ở bề mặt phai màu và tiếp giáp với mối nối thường là cần thiết để đạt được kết quả tối ưu.

Thép hợp kim và carbon thấp, thép không gỉ, thép đặc biệt khác và hợp kim gốc niken đã được hàn và thử nghiệm thành công bằng laser. Trong nhiều trường hợp, các mối hàn laser thể hiện tính chất cơ học tốt hơn so với các mối hàn được thực hiện bởi các quy trình thông thường hơn.

Các mối hàn laser trong thép chứa hàm lượng cacbon vượt quá 0,25 phần trăm thường thể hiện độ cứng liên quan đến tốc độ tôi cao. Thật vậy, bởi vì các mối hàn được hình thành rất nhanh với lượng nhiệt đầu vào tối thiểu, nên tốc độ tôi luyện do vật liệu khối nguội tiếp giáp với vùng nóng chảy có thể dẫn đến độ cứng đạt đến các giá trị lý thuyết. Các mối hàn được hình thành trong những điều kiện này có thể yêu cầu một chu kỳ xử lý nhiệt sau khi hàn laser.

Một cân nhắc khác trong việc lựa chọn các thông số laser để hàn các tấm dày là tốc độ làm mát. Như đã đề cập trước đó, do tốc độ cao và đầu vào nhiệt tối thiểu liên quan đến quy trình hàn laser, tốc độ làm nguội rất cao, dẫn đến độ cứng cao trong thép có hàm lượng cacbon cao hoặc hàm lượng cacbon cao.

Bằng cách chọn các điều kiện hàn laser tạo ra các vùng nóng chảy rộng hơn và tốc độ hàn chậm hơn, tốc độ làm mát đôi khi có thể giảm, dẫn đến độ cứng của vùng nóng chảy ít hơn trong khi vẫn duy trì nhiều ưu điểm của hàn laser.

Tốc độ hàn chậm hơn là một phương pháp giảm độ cứng. Một phương pháp khác là tạo một đường hàn thứ hai ngay trên hoặc liền kề với đường hàn ban đầu. Những kỹ thuật này làm giảm tốc độ làm nguội và độ cứng thấp hơn, nhưng cần thêm thời gian hàn, làm giảm năng suất.

Mối quan hệ giữa độ xuyên thấu của chùm tia laser so với tốc độ hàn đối với công suất chùm tia laser khác nhau lên tới 45 kW được thể hiện trong Hình 3 đối với thép các-bon thấp dày tới 1,5 inch (38 mm). Các điều kiện hàn được thể hiện trong các mối quan hệ này là để tấm thép có độ ngấu liên tục hoàn toàn và sẽ là các thông số điển hình cho sản xuất.

Đối với kim loại dày tới khoảng 0,62 inch (16 mm), các mối hàn được hình thành ở vị trí phẳng. Đối với vật liệu dày hơn, hàn được thực hiện theo chiều ngang. Người ta nhận thấy rằng vũng hàn không thể chịu được sức căng bề mặt khi hàn vật liệu dày hơn 0,62 inch (16 mm) ở vị trí phẳng vì kim loại nóng chảy sẽ chảy ra khỏi mối nối.

Khi hàn ở vị trí nằm ngang, vũng hàn được đỡ bởi thành bên và các mối hàn dài tới 1,5 inch (38,1 mm) đã được hình thành thành công. Có thể sử dụng thanh dự phòng nếu cần hàn vật liệu dày hơn ở vị trí bằng phẳng. Tuy nhiên, các thanh dự phòng thường trở nên hợp nhất với mối hàn và rất khó tháo ra.

Khả năng lặp lại/Dễ tự động hóa

Quá trình hàn laser thể hiện độ lặp lại tốt và dễ tự động hóa. Các tính năng này làm cho quy trình trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các quy trình năng suất cao, chẳng hạn như một số quy trình đã thảo luận trước đây.

Quá trình xử lý có thể rất phức tạp, sử dụng các bộ điều khiển được điều khiển bằng máy tính (CNC), robot hoặc các hệ thống tự động hóa cao khác để sản xuất hàng triệu bộ phận. Khi phải nối nhiều bộ phận nhỏ cần chuyển đổi thường xuyên, quy trình laser có thể thích ứng với thao tác do người vận hành điều khiển.

Hàn laser có nhiều ưu điểm và lợi ích. Một số điều quan trọng hơn trong số này đã được ghi nhận trong bài viết này. Để đạt được lợi ích tối đa từ việc hàn laser, người dùng phải tận dụng tối đa các tính năng nổi bật mà quy trình mang lại. Trong một số trường hợp, điều này đòi hỏi phải điều chỉnh thiết kế sản phẩm để khai thác khả năng hàn laser.

Hotline Zalo Messenger Up