Hàn laser là một trong những khía cạnh quan trọng của việc ứng dụng công nghệ gia công laser, đồng thời cũng là công nghệ hàn triển vọng và thu hút nhất trong thế kỷ 21. So với các phương pháp hàn truyền thống, hàn laser có nhiều ưu điểm, chất lượng hàn cao hơn và hiệu quả nhanh hơn. Hiện nay, công nghệ hàn laser đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, luyện kim bột, công nghiệp ô tô, công nghiệp điện tử, y sinh học và nhiều lĩnh vực khác.
Theo cơ chế hình thành vũng hàn, hàn laser có hai cơ chế hàn cơ bản: hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu (lỗ nhỏ). Nhiệt lượng sinh ra từ hàn dẫn nhiệt được truyền đến phôi thông qua quá trình truyền nhiệt, làm cho bề mặt mối hàn bị nóng chảy, về cơ bản không có hiện tượng bốc hơi, thường được sử dụng trong hàn các chi tiết thành mỏng tốc độ thấp. Hàn xuyên sâu làm bốc hơi vật liệu và tạo thành một lượng lớn plasma. Do nhiệt lượng lớn, sẽ có các lỗ ở đầu vũng nóng chảy. Hàn xuyên sâu có thể hàn phôi triệt để, năng lượng đầu vào lớn, tốc độ hàn nhanh, là chế độ hàn laser được sử dụng rộng rãi nhất.
Có nhiều thông số quy trình ảnh hưởng đến chất lượng hàn laser, chẳng hạn như mật độ công suất, dạng sóng xung laser, độ lệch tiêu điểm, tốc độ hàn và khí thổi phụ trợ.
1. Mật độ công suất laser: Mật độ công suất là một trong những thông số quan trọng nhất trong gia công laser. Với mật độ công suất cao hơn, lớp bề mặt có thể được nung nóng đến điểm sôi trong khoảng thời gian micro giây, tạo ra lượng hơi nước lớn. Do đó, mật độ công suất cao rất có lợi cho các quá trình gia công loại bỏ vật liệu, chẳng hạn như đột dập, cắt và khắc. Với mật độ công suất thấp, phải mất vài mili giây để nhiệt độ bề mặt đạt đến điểm sôi, và trước khi lớp bề mặt bay hơi, lớp đáy đã đạt đến điểm nóng chảy, dễ tạo thành mối hàn nóng chảy tốt. Vì vậy, trong hàn laser dẫn nhiệt, phạm vi mật độ công suất là 104-106W/cm2.
2. Dạng sóng xung laser
Dạng sóng xung laser không chỉ là thông số quan trọng để phân biệt giữa quá trình loại bỏ vật liệu và quá trình nóng chảy vật liệu, mà còn là thông số then chốt quyết định thể tích và chi phí của thiết bị gia công. Khi chùm tia laser cường độ cao chiếu vào bề mặt vật liệu, bề mặt vật liệu sẽ bị phản xạ và mất đi 60 ~ 90% năng lượng laser, đặc biệt là vàng, bạc, đồng, nhôm, titan và các vật liệu khác có độ phản xạ mạnh, truyền nhiệt nhanh. Độ phản xạ của kim loại thay đổi theo thời gian trong suốt tín hiệu xung laser. Khi nhiệt độ bề mặt vật liệu tăng lên đến điểm nóng chảy, độ phản xạ giảm nhanh, và khi bề mặt ở trạng thái nóng chảy, độ phản xạ ổn định ở một giá trị nhất định.
3. Độ rộng xung Độ rộng xung là một thông số quan trọng trong hàn laser xung. Độ rộng xung được xác định bởi độ sâu xuyên thấu và vùng ảnh hưởng nhiệt. Độ rộng xung càng dài, vùng ảnh hưởng nhiệt càng lớn, và độ sâu xuyên thấu tăng theo 1/2 công suất của độ rộng xung. Tuy nhiên, việc tăng độ rộng xung sẽ làm giảm công suất đỉnh, vì vậy việc tăng độ rộng xung thường được sử dụng cho hàn dẫn nhiệt, tạo ra mối hàn rộng và nông, đặc biệt thích hợp cho hàn chồng các tấm mỏng và dày. Tuy nhiên, công suất đỉnh thấp hơn dẫn đến lượng nhiệt đầu vào dư thừa, và mỗi vật liệu đều có một độ rộng xung tối ưu giúp tối đa hóa độ xuyên thấu.
4. Hàn laser lệch tiêu điểm thường yêu cầu một lượng lệch tiêu điểm nhất định, bởi vì mật độ công suất tại tâm điểm laser quá cao, dễ bị phân tán thành các lỗ rỗng. Sự phân bố mật độ công suất tương đối đồng đều trên mỗi mặt phẳng cách xa tiêu điểm laser. Có hai phương pháp lệch tiêu điểm: lệch tiêu điểm dương và lệch tiêu điểm âm. Nếu mặt phẳng tiêu điểm nằm phía trên phôi, đó là lệch tiêu điểm dương; ngược lại, đó là lệch tiêu điểm âm. Theo lý thuyết quang học hình học, khi khoảng cách giữa mặt phẳng lệch tiêu điểm dương và âm với mặt phẳng hàn bằng nhau, mật độ công suất trên mặt phẳng tương ứng xấp xỉ như nhau, nhưng hình dạng vũng hàn thực tế thu được lại khác nhau. Trong trường hợp lệch tiêu điểm âm, có thể đạt được độ xuyên thấu lớn hơn, điều này liên quan đến quá trình hình thành vũng nóng chảy.
5. Tốc độ hàn Tốc độ hàn quyết định chất lượng bề mặt hàn, độ xuyên thấu, vùng ảnh hưởng nhiệt, v.v. Tốc độ hàn sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiệt đưa vào trên mỗi đơn vị thời gian. Nếu tốc độ hàn quá chậm, lượng nhiệt đưa vào quá lớn, dẫn đến phôi bị cháy xuyên. Nếu tốc độ hàn quá nhanh, lượng nhiệt đưa vào quá nhỏ, dẫn đến mối hàn không trong suốt. Giảm tốc độ hàn thường được sử dụng để cải thiện độ xuyên thấu.
6. Thổi khí bảo vệ phụ trợ: Thổi khí bảo vệ phụ trợ là một quy trình thiết yếu trong hàn laser công suất cao. Một mặt, nó giúp ngăn ngừa hiện tượng bắn phá vật liệu kim loại và làm ô nhiễm gương hội tụ; mặt khác, nó giúp ngăn chặn plasma sinh ra trong quá trình hàn bị hội tụ quá mức và ngăn tia laser chiếu tới bề mặt vật liệu. Trong quá trình hàn laser, khí heli, argon, nitơ và các loại khí khác thường được sử dụng để bảo vệ vũng nóng chảy, giúp bảo vệ phôi khỏi quá trình oxy hóa trong kỹ thuật hàn. Các yếu tố như loại khí bảo vệ, lưu lượng khí và góc thổi có ảnh hưởng lớn đến kết quả hàn. Các phương pháp thổi khác nhau cũng có ảnh hưởng nhất định đến chất lượng hàn.
Heli không dễ bị ion hóa (nó có năng lượng ion hóa cao), cho phép tia laser đi qua trơn tru và năng lượng chùm tia đến bề mặt phôi mà không bị cản trở. Đây là loại khí bảo vệ hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser, nhưng giá thành tương đối cao. Argon rẻ hơn và đậm đặc hơn, do đó khả năng bảo vệ tốt hơn. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa bởi plasma kim loại ở nhiệt độ cao, do đó che chắn một phần chùm tia khỏi phôi, làm giảm công suất laser hiệu quả của quá trình hàn, đồng thời ảnh hưởng đến tốc độ và độ xuyên thấu của mối hàn. Bề mặt mối hàn được bảo vệ bằng argon mịn hơn so với mối hàn được bảo vệ bằng heli. Nitơ là loại khí bảo vệ rẻ nhất, nhưng không phù hợp với một số loại hàn thép không gỉ, chủ yếu do các vấn đề về luyện kim, chẳng hạn như sự hấp thụ, đôi khi tạo ra các lỗ rỗng trong vùng chồng lấp.
Là một công nghệ hàn mới, hàn laser có đặc điểm là mật độ năng lượng cao, tốc độ cao, độ chính xác cao, khả năng xuyên thấu sâu và khả năng thích ứng mạnh mẽ. Ứng dụng của nó ngày càng được mở rộng, không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện chất lượng mối hàn. Công nghệ hàn laser chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong lĩnh vực gia công vật liệu.
Thời gian đăng bài: 28/03/2023
