Hàn Laser là gì?

Hàn laser là một quá trình sử dụng chùm tia laser có độ chính xác cao để nối các kim loại hoặc nhựa nhiệt dẻo lại với nhau để tạo thành mối hàn. Là một nguồn nhiệt tập trung như vậy, hàn laser có thể hàn các vật liệu mỏng ở tốc độ hàn cao. Tuy nhiên, trong các vật liệu dày hơn, các mối hàn hẹp và sâu có thể được tạo ra giữa các bộ phận có cạnh vuông.

Hàn Laser là gì?

Laser welding or laser beam welding (LBW) is a process that uses a concentrated heat source in the form of a laser to melt materials that fuse as they cool. Laser welding is a versatile process because it can weld thin materials quickly while forming narrow and deep welds on thicker materials.
Hàn laser sử dụng chùm tia laser có độ chính xác cao để làm nóng chảy kim loại và nhựa nhiệt dẻo, do đó độ chính xác và độ chính xác của quy trình dẫn đến biến dạng nhiệt thấp, khiến nó trở nên lý tưởng để hàn các vật liệu nhạy cảm. Quá trình này thường được tự động hóa, cho phép tốc độ hàn cao.
Mặc dù máy hàn laze có chi phí cao hơn so với các quy trình hàn truyền thống, nhưng chi phí vận hành lại thấp hơn vì hàn laze không nhất thiết yêu cầu vật liệu bổ sung và xử lý hậu kỳ. Ngoài ra, tốc độ hàn cao hơn cho phép sản xuất nhiều bộ phận hơn mỗi giờ. Công nghệ hàn laser khác biệt đáng kể so với các quy trình hàn hồ quang truyền thống như TIG, MIG và SMAW. Các ứng dụng hàn hiện đại sử dụng rô bốt có thể lập trình với hệ thống quang học tiên tiến để xác định chính xác một khu vực trong phôi.

Các loại hàn Laser

Hàn laser hoạt động ở hai chế độ khác nhau: hàn dẫn nhiệt và hàn lỗ sâu. Tất cả chúng đều có các nguyên tắc hoạt động độc đáo phù hợp với các ứng dụng cụ thể và chế độ mà chùm tia laze tương tác với vật liệu mà nó hàn sẽ phụ thuộc vào mật độ công suất mà chùm tia chiếu vào phôi.

Hàn dẫn nhiệt

Trong phương pháp này, một chùm tia laser hội tụ được sử dụng để làm nóng chảy bề mặt của chất nền. Quá trình này thường được thực hiện với tia laser công suất thấp dưới 500W và chủ yếu được sử dụng để tạo ra các mối hàn không yêu cầu cường độ hàn cao. Khi mối nối nguội đi và đông cứng lại, nó tạo ra mối hàn chính xác và trơn tru. Các mối hàn được tạo bằng phương pháp truyền nhiệt thường không yêu cầu bất kỳ sự hoàn thiện bổ sung nào và sẵn sàng để sử dụng.
Trong các phương pháp hàn dẫn nhiệt, năng lượng đi vào vùng hàn chỉ bằng cách dẫn nhiệt, điều này hạn chế độ sâu của mối hàn, vì vậy quy trình này rất lý tưởng để nối các vật liệu mỏng. Loại hàn này thường được sử dụng cho các mối hàn có thể nhìn thấy khi cần tính thẩm mỹ.
Có hai loại phụ của hàn dẫn nhiệt:

Gia nhiệt trực tiếp – Khả năng áp dụng chùm tia laze trực tiếp lên bề mặt kim loại.
Truyền năng lượng – Mực hấp thụ được áp dụng cho đường may để hấp thụ năng lượng được cung cấp bởi chùm tia laze.

hàn lỗ sâu

Chạy quy trình ở chế độ hàn lỗ sâu tạo ra các mối hàn sâu, hẹp với cấu trúc đồng nhất. Trong quá trình này, chùm tia laze làm nóng kim loại theo cách làm bay hơi khỏi bề mặt tiếp xúc và xuyên sâu vào bên trong kim loại. Điều này không chỉ làm nóng chảy kim loại mà còn làm nó bốc hơi, tạo ra một khoang hẹp chứa đầy hơi được gọi là khoang lỗ khóa hoặc mao dẫn hơi. Khi chùm tia laser đi qua phôi, nó sẽ lấp đầy kim loại nóng chảy. Hàn lỗ khóa là một quá trình tốc độ cao, do đó, sự biến dạng và hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt được giữ ở mức tối thiểu.

Quy trình hàn laser

Hàn laser hoạt động bằng cách sử dụng tia laser mật độ năng lượng cao để truyền nhiệt vào mối nối giữa hai bề mặt kim loại. Vật liệu sẽ tan chảy tại các đường nối và cho phép hợp nhất giữa các kim loại khi nó đông đặc lại.
Hàn laser thường được thực hiện bởi robot hàn có thể sử dụng một lượng lớn năng lượng ở tốc độ cao và với độ chính xác, được dẫn hướng bởi các sợi quang linh hoạt. Điều này dẫn đến việc làm tan chảy một lượng kim loại vừa đủ trong mối nối để tạo ra một mối hàn hẹp với độ biến dạng tối thiểu. Máy hàn laser cầm tay là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho các máy công nghiệp cồng kềnh, nhưng sự an toàn của thợ hàn laser có thể gặp thách thức và yêu cầu phải mặc đồ bảo hộ chuyên dụng.
Quá trình hàn có thể được thực hiện trong điều kiện khí quyển, nhưng đối với các vật liệu dễ phản ứng hơn, nên sử dụng tấm chắn 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 chân không, nhưng không được coi là 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.
Many laser welding applications do not require additional filler material. However, some challenging materials and applications require filler materials to produce satisfactory welds. Adding filler material improves the weld profile, reduces solidification cracking, imparts better mechanical properties to the weld, and allows for a more precise joint fit. The filler material can be in powder form or filler wire. However, since the powder is generally more expensive for most materials, it is more common to use wire stock. The four most common types of joints used with laser welding are butt welds, edge flange welds, filler lap welds, and lap welds.
Hàn laser có thể được thực hiện trên nhiều loại vật liệu kim loại, bao gồm thép nhẹ, thép không gỉ, nhôm, titan, v.v. Hàn laser thép carbon cao thường không được khuyến khích vì tốc độ làm mát nhanh và xu hướng nứt.

Loại laze

máy hàn laser đối với các quá trình hàn chủ yếu được chia thành 3 loại: laser khí (CO2), laser trạng thái rắn và laser sợi quang.

Laser khí (CO2)

Nguồn laser CO2 là một loại khí hỗn hợp, trong đó CO2 là thành phần chính, ngoài ra còn có nitơ và heli. Những tia laser này có thể được vận hành ở chế độ liên tục hoặc xung ở dòng điện thấp và điện áp cao để kích thích các phân tử khí. Laser CO2 cũng được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt như hàn laser hai chùm tia, trong đó hai chùm tia được tạo ra và sắp xếp nối tiếp hoặc cạnh nhau.

Laser trạng thái rắn

Laser trạng thái rắn sử dụng công nghệ trạng thái rắn (DPSS) được bơm bằng đi-ốt để bơm các khoáng chất như hồng ngọc, thủy tinh hoặc yttri, nhôm và ngọc hồng lựu (YAG) hoặc tinh thể yttrium vanadat (YVO4) qua điốt laze để tạo ra ánh sáng laze. Những tia laser này hoạt động ở chế độ sóng liên tục hoặc chùm xung. Chế độ xung tạo ra mối nối tương tự như mối hàn điểm nhưng có độ ngấu hoàn toàn. So với laser sợi quang hiện đại, loại laser này có nhiều nhược điểm, nhưng chúng ta không thể phủ nhận rằng laser trạng thái rắn vẫn có độ ổn định và chất lượng chùm tia tuyệt vời cũng như hiệu quả cao.
Semiconductor-based lasers are also in the solid state but are generally considered a different class than solid-state lasers. These lasers are only good for cheaper smaller projects. However, they are sometimes used when welding in hard-to-reach areas because the equipment is more compact. The beam quality is much poorer than other types of lasers, so it is not common in industrial environments.

Laser sợi quang

Laser sợi quang là một loại laser trạng thái rắn mới cung cấp năng lượng laser cao 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 đi-ốt laser bơm. Để đạt được quá trình chuyển đổi này, sợi quang được pha tạp với các nguyên tố đất hiếm. Bằng cách sử dụng các phần tử pha tạp khác nhau, có thể tạo ra các chùm tia laze có dải bước sóng rộng, khiến cho laze sợi quang trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng, bao gồm hàn laze và cắt laze. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là đầu cắt laser tiêu chuẩn không thể được sử dụng để hàn và đầu hàn laser không thể đáp ứng các yêu cầu về tốc độ và chất lượng cắt của hầu hết các ứng dụng công nghiệp.

Hướng dẫn an toàn khi sử dụng hàn laze là gì?

Mặc dù máy hàn laser cầm tay rất dễ sử dụng và có các tính năng an toàn tích hợp, nhưng điều quan trọng cần nhớ là đây là một thiết bị công nghiệp mạnh mẽ. Khi làm việc trên máy hàn laser, hãy nhớ rằng tia laser có thể gây nguy hiểm cho cơ thể và mắt. Các tia hàn laser là ánh sáng vô hình, vì vậy bạn không thể dựa vào các dấu hiệu trực quan để đảm bảo an toàn.
Mặc dù máy hàn laze là loại laze IV và các tính năng an toàn được tích hợp vào hệ thống, các yêu cầu về an toàn hàn truyền thống cũng cần được thực hiện khi thiết lập chương trình an toàn laze. Dưới đây là một số quy tắc chung để làm theo:

Mặc quần áo không bắt lửa, áo dài tay hoặc bộ đồ hàn. Bất cứ ai ở trong khu vực điều khiển bằng laze đều phải sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân, bao gồm kính an toàn laze phù hợp với loại laze và mũ hàn thông thường.
Vui lòng tuân thủ các quy trình vận hành an toàn, lưu ý rằng ánh sáng laze có thể bị phản xạ.
Không bao giờ vận hành máy hàn laser cầm tay cho đến khi bạn hoàn toàn quen thuộc với các yêu cầu và quy trình an toàn được ghi trong sổ tay thiết bị do nhà sản xuất cung cấp.

Ưu điểm của hàn Laser

Chất lượng mối hàn tuyệt vời do đầu vào nhiệt thấp và kiểm soát năng lượng laser chính xác.
Tốc độ hàn nhanh và chi phí đơn vị thấp.
Chiều sâu hàn lớn hơn tạo thành mối hàn có độ bền cao.
Cho phép kết hợp vật liệu hàn mà các phương pháp khác không thể kết hợp được.
Thiết bị hàn đơn giản cho phép hàn ở những điều kiện đặc biệt.

Nhược điểm của hàn Laser

Vốn đầu tư ban đầu cao.
Dung sai chặt chẽ đòi hỏi sự phù hợp phôi hoàn hảo và căn chỉnh laser.
Các vật liệu có hệ số phản xạ và độ dẫn điện cao (nhôm và đồng) có thể tạo ra các kết quả hàn phức tạp (trong trường hợp laser CO2).
Hóa rắn nhanh có thể dẫn đến độ xốp và độ giòn.
Quang học laser rất mỏng manh và có thể dễ dàng bị hư hỏng.

Laser lai hàn

Hàn lai laser kết hợp các phương pháp hàn hồ quang điện và chùm tia laser. Hai phương pháp hàn tác động đồng thời trên cùng một vùng hàn nên hiệu quả hàn có ưu điểm hơn hàn hồ quang và hàn chùm tia laze, tạo nên quy trình hàn độc đáo. Mặc dù hàn laser có thể được sử dụng kết hợp với hầu hết mọi quy trình hàn hồ quang, nhưng có một số quy trình nổi bật và được sử dụng phổ biến hơn.
Có ba loại hàn lai laser chính:

Hàn phụ gia MIG (thường đồng nghĩa với hàn lai laser)
Hàn phụ gia TIG

hàn hồ quang plasma

Quá trình hàn lai cung cấp sự thâm nhập sâu của hàn laser và biên dạng nắp mối hàn có thể so sánh với các quá trình hàn hồ quang. Việc sử dụng khí bảo vệ và các vật liệu hàn hồ quang khác cho phép kiểm soát tốt hơn các đặc tính của mối hàn so với hàn laser. Hàn lai laser chắc chắn là một quy trình mới nổi sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong ngành đóng tàu, đường sắt, ô tô và các dự án hàn đường ống lớn trong tương lai.

Các câu hỏi thường gặp

Hàn Laser có cần khí không?

Laser có thể được thực hiện có hoặc không có khí, tùy thuộc vào ứng dụng và vật liệu được hàn. Trong một số trường hợp, khí che chắn như argon, heli hoặc nitơ có thể được sử dụng để tạo ra bầu không khí che chắn xung quanh khu vực hàn. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn các vật liệu nhạy cảm với quá trình oxy hóa như titan hoặc nhôm. Loại khí được sử dụng phụ thuộc vào vật liệu được hàn, quy trình hàn và thiết bị được sử dụng.
Trong một số trường hợp, hỗn hợp khí có thể được sử dụng để đạt được hiệu quả hàn cụ thể. Ví dụ, hỗn hợp helium và argon có thể được sử dụng để hàn thép không gỉ, trong khi nitơ thường được sử dụng để hàn nhôm. Việc sử dụng khí là một khía cạnh quan trọng của hàn laser và góp phần vào chất lượng và độ tin cậy của mối hàn.

Hàn Laser có mạnh không?

Yes, laser welding is a robust and reliable welding method. Laser welding uses a highly focused laser beam to melt and fuse metal surfaces to form a strong, high-quality bond. The heat generated by the high-power laser beam is highly concentrated, resulting in minimal deformation and a very narrow heat-affected zone.
Độ bền của hàn laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại kim loại được hàn và quy trình hàn cụ thể được sử dụng. Các thông số hàn và chuẩn bị thích hợp như công suất laser, tốc độ và thời lượng xung phải được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo mối hàn chắc chắn và đáng tin cậy. Nói chung, hàn laser đặc biệt hiệu quả để hàn các vật liệu mỏng vì nó giảm thiểu nhiệt và biến dạng sinh ra trong quá trình hàn.
Hàn laser thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao, chẳng hạn như sản xuất hàng không vũ trụ, ô tô và thiết bị y tế. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là độ bền của mối hàn cũng phụ thuộc vào thiết kế và thực hiện mối hàn phù hợp, do đó, điều quan trọng là phải có sự tham gia của các kỹ sư và thợ hàn có kinh nghiệm trong quy trình.

Những kim loại nào bạn có thể hàn bằng tia laser?

Hàn laser là phương pháp hàn có độ chính xác cao, có thể được sử dụng để nối nhiều loại kim loại khác nhau, bao gồm:

Thép: Hàn laser thường được sử dụng để hàn các loại thép khác nhau, bao gồm thép mềm, thép không gỉ và thép cường độ cao vì nó có thể cung cấp các mối hàn chất lượng cao với nhiệt lượng thấp.
Nhôm: Hàn laser là một phương pháp hiệu quả để hàn nhôm vì tính phản xạ và độ dẫn nhiệt cao.
Đồng: Hàn laser cũng hiệu quả để hàn đồng và đồng thau, trong khi các kỹ thuật hàn truyền thống khó hàn đồng, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng điện tử và ống nước.
Titanium: Hàn laser thường được sử dụng để hàn titan vì nhiệt độ nóng chảy và khả năng phản ứng cao.
Vàng và Bạc: Hàn laser cũng có thể được sử dụng để hàn các kim loại quý như vàng và bạc, thường được sử dụng trong chế tạo đồ trang sức và các ứng dụng cao cấp khác.
Niken và hợp kim của nó: Hàn laser có thể được sử dụng để hàn niken và hợp kim của nó, chẳng hạn như Inconel, thường được sử dụng trong hàng không vũ trụ và các ứng dụng hiệu suất cao khác.
Ma-giê: Ma-giê là một kim loại nhẹ có thể được hàn bằng tia laser, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Hàn laser là một phương pháp hàn linh hoạt có thể được sử dụng để nối nhiều loại kim loại, cả kim loại đen và kim loại màu. Tuy nhiên, sự phù hợp chính xác của hàn laser đối với một kim loại cụ thể sẽ phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của kim loại và các yêu cầu của ứng dụng hàn.

Hàn Laser có sử dụng dây hàn không?

Nói chung, hàn laser không sử dụng dây hàn. Không giống như các loại quy trình hàn khác như hàn MIG (khí trơ kim loại) hoặc hàn TIG (khí trơ vonfram), hàn laser không yêu cầu vật liệu độn như dây hàn để nối hai miếng kim loại lại với nhau. Hàn laser sử dụng chùm tia laser tập trung, cường độ cao để làm nóng chảy và nối hai mảnh kim loại lại với nhau. Nhiệt do chùm tia laser tạo ra thường đủ để làm nóng chảy kim loại mà không cần thêm vật liệu hàn.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp, một lượng nhỏ vật liệu độn có thể được thêm vào mối nối để tăng độ bền hoặc giúp lấp đầy khoảng trống giữa hai phần được nối. Vật liệu độn này thường ở dạng dây hoặc dạng bột và được thêm vào mối nối bằng quy trình thủ công hoặc tự động. Ngoài ra, một số kỹ thuật hàn laze, chẳng hạn như hàn laze lai, có thể sử dụng dây hàn để tạo hồ quang ổn định hơn và giảm bắn tóe.

Các khiếm khuyết của hàn Laser là gì?

Hàn laser là một quá trình được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và y tế. Mặc dù hàn laser có nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, tốc độ nhanh và biến dạng nhỏ, nhưng cũng có một số khuyết điểm tiềm ẩn trong quá trình hàn. Một số cạm bẫy của hàn laser bao gồm:

Độ xốp: Sự hình thành các khoảng trống hoặc lỗ rỗng nhỏ trong vật liệu hàn, gây ra bởi khí bị giữ lại trong quá trình hàn, có thể làm yếu mối hàn và giảm độ bền của nó.
Vết nứt: Hàn laser có thể tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt tập trung cao, có thể dẫn đến nứt vật liệu hàn, đặc biệt nếu vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt cao hoặc tốc độ hàn quá chậm.
Sự kết hợp không đầy đủ: Công suất laser không đủ để làm tan chảy hoàn toàn kim loại cơ bản hoặc kim loại phụ sẽ dẫn đến sự kết hợp không hoàn toàn của mối hàn, dẫn đến mối nối yếu hoặc không hoàn chỉnh.
Cắt xén: Sự nóng chảy quá mức của vật liệu cơ bản có thể gây ra các rãnh hoặc vết khía ở mép mối hàn, làm suy yếu độ bền của mối hàn.
Cong vênh: Hàn laser tạo ra rất nhiều nhiệt, làm cho vật hàn giãn ra và co lại. Điều này có thể gây biến dạng hoặc cong vênh vật liệu hàn, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước và chất lượng của sản phẩm, đặc biệt đối với vật liệu mỏng hoặc dễ vỡ.
Quá trình oxy hóa: Tiếp xúc với oxy trong quá trình hàn laser có thể gây ra quá trình oxy hóa vật liệu cơ bản, dẫn đến các mối nối yếu đi và giảm khả năng chống ăn mòn.
Độ nhạy với khớp nối: Hàn laser yêu cầu sự liên kết chính xác của hai bộ phận được hàn. Bất kỳ sai lệch hoặc thay đổi nào về kích thước khe hở sẽ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.

Để giảm thiểu những khiếm khuyết này, các thông số quy trình hàn laser, bao gồm công suất laser, tốc độ hàn và tiêu điểm chùm tia, phải được tối ưu hóa và sử dụng vật liệu độn và khí bảo vệ phù hợp. Ngoài ra, xử lý bề mặt thích hợp, thiết kế mối nối và xử lý nhiệt sau hàn cũng có thể giúp giảm sự xuất hiện của các khuyết tật hàn laser.

tóm tắt

Hàn laser được sử dụng để hàn có độ chính xác cao và vì nó không sử dụng bất kỳ điện cực nào nên kết quả hàn cuối cùng sẽ nhẹ nhưng chắc chắn. Đầu tư ban đầu rất tốn kém, nhưng chất lượng và đặc điểm của hàn laser không thể dễ dàng nhân rộng. Khi laser trở nên mạnh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, tương lai của hàn laser sẽ rất tươi sáng!

thiết bị laser

Thông tin liên lạc

Nhận giải pháp Laser