Hàn laser tạo ra các mối hàn chắc khỏe hơn phương pháp truyền thống như thế nào?

Mục đích của việc tạo ra các mối hàn chắc chắn và bền hơn là lý do vì sao nhiều công ty đang bắt đầu sử dụng các công nghệ tiên tiến như hàn laser. Nhiều công ty ưu tiên cả độ bền mối hàn lẫn độ chính xác, điều này khiến hàn laser trở thành giải pháp tốt nhất. Mặc dù hàn MIG, TIG và hàn điện trở vẫn được sử dụng trong ngành công nghiệp, hàn laser vẫn có nhiều lợi thế hơn.

Trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, các mối hàn laser được sử dụng nhiều nhất. Độ chính xác mà hàn laser mang lại là do những chi tiết vật lý phức tạp của quá trình cũng như những thay đổi mà nó tạo ra trên vật liệu. Bài viết này sẽ cung cấp các lý do tại sao độ bền của một mối hàn thay đổi tùy thuộc vào phương pháp được dùng để tạo ra nó.

Giới thiệu về Hàn Laser

Quá trình hàn nối hai hoặc nhiều miếng vật liệu lại với nhau được thực hiện bằng tia laser. Tia laser có nhiều chế độ và tập trung vào hàn dẫn nhiệt và hàn thấu sâu. Trong phương pháp hàn dẫn nhiệt, được sử dụng để nối các tấm vật liệu siêu mỏng hoặc các ứng dụng yêu cầu độ ngấu hàn ít hoặc không cần thiết, công suất laser được giữ ở mức tương đối thấp (khoảng 105-106W/cm ² ). Trong trường hợp này, vật liệu bị nóng chảy nhưng không xảy ra hiện tượng hóa hơi.

Nhiệt độ bề mặt sau đó được truyền vào bên trong vật liệu thông qua dẫn nhiệt, dẫn đến sự hình thành vũng hàn, khi đông đặc sẽ liên kết hai miếng vật liệu lại với nhau. Chiều rộng và độ sâu của mối hàn phù hợp hơn cho mục đích thẩm mỹ thay vì mục đích kết cấu.

Kỹ thuật hàn laser gọi là hàn điểm nổi bật hoạt động ở mật độ công suất hàn cao hơn nhiều (106 -107 watt/cm2), từ đó làm tăng các lợi ích của phương pháp hàn thấu sâu (còn được gọi là hàn lỗ khóa). Khi tia laser chiếu vào một điểm cụ thể trên vật liệu, nó nhanh chóng đạt đến điểm sôi (ngưỡng hóa hơi), sau đó kim loại được đun nóng và hơi kim loại bị đẩy ra do các phía ngoài khác nhau, tạo thành một lỗ hình khóa. Hơi kim loại sinh ra đẩy phần kim loại lỏng sang hai bên và tạo thành một khoang rỗng sâu, hẹp, hay còn gọi là lỗ khóa, cho phép năng lượng laser tiếp tục đi sâu vào bên trong vật liệu xa hơn nhiều so với khả năng dẫn nhiệt trên bề mặt vật liệu. Lỗ khóa là đặc trưng của phương pháp hàn thấu sâu. Kim loại lỏng được đun nóng ở phía trước lỗ khóa, và khi chùm tia laser di chuyển dọc theo đường hàn, nó chảy quanh các cạnh và đông đặc lại ở phía sau, tạo thành mối hàn sâu và hẹp một cách đáng kể.

Tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng 10:1 khi sử dụng hàn laser và kiểu hàn lỗ khóa gần như không thể đạt được với phương pháp hàn truyền thống. Tầm quan trọng của tỷ lệ này vượt ra ngoài độ thâm nhập, mang lại hình dạng phân bố ứng suất thuận lợi hơn dọc theo mối hàn. Không giống như hàn hồ quang truyền thống tạo ra các đường hàn nông và rộng có nguy cơ tập trung ứng suất bề mặt, hàn laser 'cung cấp hồ quang sâu và hẹp giúp phân bố đều ứng suất dọc theo toàn bộ chiều dày vật liệu. Điều này làm tăng đáng kể độ bền của mối hàn.

Độ bền của các mối hàn laser không chỉ dựa vào hình dạng mà còn bắt nguồn từ những thay đổi kim loại học tích cực cơ bản, giúp duy trì các đặc tính chính của vật liệu nền. Việc giảm thiểu các kỹ thuật và phương pháp thao tác hàn góp phần thu nhỏ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), điều này khiến hàn laser được ưu tiên hơn nhiều so với hàn MIG và hàn TIG.

Vài giây ngắn ngủi với nhiệt độ cao tạo ra nhiều hiệu ứng tăng cường độ bền. Nó làm giảm các ứng suất dư và biến dạng trong các bộ phận hàn. Trong các phương pháp hàn khác, việc truyền nhiệt khiến các thành phần hàn trải qua hiện tượng giãn nở và co ngót nhiệt không cân bằng, dẫn đến ứng suất bị khóa và biến dạng. Vùng ứng suất bị khóa này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền cấu trúc của cụm hàn 'độ toàn vẹn cấu trúc. Những ứng suất bị khóa này cũng có thể khởi phát các vết nứt mỏi do tải trọng chu kỳ. Một bộ phận chịu tải chu kỳ đòi hỏi rất nhiều gia công sửa chữa do biến dạng. Biến dạng này, trong trường hợp hàn laser, ít hơn nhiều; do đó, chúng ta có thể tập trung vào các đặc tính khác thay vì độ bền về kích thước thành phần.

Hàn laser cũng giúp cải thiện các chu kỳ gia nhiệt và làm nguội, cho phép phát triển cấu trúc hạt mịn hơn. Kim loại có hạt mịn thường bền và dai hơn, do đó làm tăng độ vững chắc của chi tiết. Một nghiên cứu đã xác nhận rằng hàn laser trên thép không gỉ liên quan đến việc hình thành một vũng nóng chảy nơi quá trình kết tinh xảy ra. Quá trình kết tinh sau đó dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc vi mô của thép không gỉ 'do đó cải thiện các tính chất cơ học. Đây là điều ngược lại với kỹ thuật hàn truyền thống, trong đó quá trình làm nguội chậm dẫn đến cấu trúc hạt thô và mối hàn yếu.

Một trong những ví dụ tốt nhất về lợi thế độ bền đến từ việc hàn laser các vật liệu cường độ cao hiện đại nhất mà không làm mất đi các đặc tính đã được thiết kế. Nhiều hợp kim cường độ cao tiên tiến và các hợp kim khác có được các đặc tính cơ học nhờ công nghệ xử lý nhiệt ở mức độ cao. Những vật liệu này đã trải qua chu trình nhiệt bằng phương pháp hàn thông thường và vi cấu trúc của chúng đã bị thay đổi. Những vật liệu này sở hữu vi cấu trúc vốn mong muốn nhưng đã bị biến đổi. Trong hàn laser, các đặc tính của kim loại gốc được duy trì vì độ bền của vật liệu ban đầu được bảo toàn và giữ nguyên trong mối hàn thành phẩm.

Hiệu quả Sản xuất và Tính Linh hoạt của Quy trình

Ngoài những lợi ích kỹ thuật rõ rệt về độ bền mối hàn nhờ vị trí mối hàn dọc theo mép của chi tiết, hàn laser còn được chứng minh là mang lại hiệu quả đáng kể trong sản xuất, làm cho việc áp dụng các quy trình này trở nên hấp dẫn hơn trong sản xuất hiện đại. Các quy trình này hoạt động nhanh hơn đáng kể so với các quy trình hàn truyền thống. Trong khi hàn laser có thể đạt tốc độ hàn hơn 200 inch mỗi phút, thì hàn MIG chỉ tiến hành ở tốc độ từ 20 đến 40 inch mỗi phút, do đó hàn laser có thể đạt tốc độ hơn 200 inch mỗi phút. Các quy trình nhanh hơn này vượt trội so với hầu hết các quy trình thông thường đến mức một quy trình có thể mất vài giờ thì nay chỉ mất vài phút với các quy trình khác. Một trường hợp đã được ghi nhận minh họa cho việc áp dụng hàn laser, trong đó thời gian dành để hàn một cánh cổng trước đây hoạt động trong khoảng mười giờ đã được rút ngắn xuống còn 40 phút.

Câu chuyện về hiệu quả còn ấn tượng hơn nữa khi chúng ta xem xét việc giảm nhu cầu/giảm lượng gia công sau. Các cấu kiện hàn thường yêu cầu nhiều thao tác làm phẳng để tạo ra bề mặt không bị biến dạng. Những thao tác này bao gồm mài, gia công cơ khí và nắn thẳng, và các giai đoạn này trong quá trình gia công không mang lại lợi nhuận từ lượng giá trị được thêm vào quy trình. Các tấm ép lớp hàn, khi được thực hiện bằng kỹ thuật tia laser, sẽ tạo ra một cấu trúc tấm ép lớp hàn đồng thời duy trì các cạnh và bề mặt sắc nét, sạch sẽ như một lợi ích bổ sung. Điều này thường rất quan trọng trong những trường hợp mà các cấu trúc hàn bằng laser cần được phủ lớp sau đó, vì quá trình phủ lớp đòi hỏi một số đặc điểm bề mặt như các cạnh phải không bị biến dạng. Kết hợp với việc giảm các quy trình thứ cấp, điều này sẽ tiết kiệm rất nhiều thời gian.

Hàn laser hoạt động rất hiệu quả với các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhờ đó nâng cao hơn nữa hiệu suất của nó. Các hệ thống robot có thể dễ dàng định hướng và di chuyển tia laser mà không cần tiếp xúc với vật liệu gia công, nhấn mạnh rằng không cần chạm vào vật liệu một cách vật lý. Trong nhiều trường hợp, một nguồn laser có thể phục vụ cho nhiều trạm làm việc thông qua cấu hình chia tia, từ đó giúp các trạm làm việc tăng tính độc lập của hệ thống vận hành laser. Tính tự chủ này giúp các nhà sản xuất duy trì dây chuyền sản xuất ổn định mà không cần dừng nghỉ nhiều. Tương tự, đặc tính không tiếp xúc của quá trình hàn laser đồng nghĩa với việc không xuất hiện các dụng cụ bị mài mòn như trong các hệ thống hàn truyền thống, giúp hệ thống hoạt động tốt hơn trong thời gian dài. Điều này kéo dài thời gian hệ thống có thể vận hành mà không cần bảo trì, ngoại trừ việc bảo dưỡng quang học cơ bản.

Khả năng thích ứng của hàn laser với các loại vật liệu và độ dày khác nhau càng làm tăng thêm lợi thế của phương pháp này. Quá trình này có thể xử lý mọi thứ, từ những vật liệu mỏng chỉ bằng một phần milimét đến các tấm thép dày 25 mm trong một lần hàn duy nhất. Khả năng này loại bỏ nhu cầu phải thực hiện nhiều lượt hàn như trong các kỹ thuật hàn truyền thống đối với vật liệu dày hơn. Hơn nữa, khả năng hàn laser làm việc trên những vật liệu khó xử lý như titan, nhôm và các tổ hợp kim loại khác nhau mà các hệ thống hàn khác không thể thực hiện được là điều đáng kinh ngạc.

Một lợi ích quan trọng khác của hàn laser là chất lượng mối hàn ổn định, điều này liên quan trực tiếp đến độ tin cậy của độ bền đường hàn. Quá trình này mang lại mức độ kiểm soát cao cho người vận hành thông qua các cảm biến tinh vi có khả năng theo dõi liên tục các thành phần quan trọng của quá trình hàn trong thời gian thực. Các hệ thống được sử dụng trong quá trình giám sát thường được chia thành ba nhóm. Nhóm đầu tiên bao gồm các hệ thống trước khi hàn, theo dõi đường nối để đảm bảo định vị chính xác tia laser. Nhóm thứ hai, trong giai đoạn hàn, các hệ thống giám sát được trang bị camera để theo dõi và phân tích vũng hàn cũng như lỗ khóa. Nhóm cuối cùng, các hệ thống sau khi hàn, đánh giá đường hàn để kiểm tra xem nó có đạt tiêu chuẩn chất lượng hay không.

Việc đạt được mức độ kiểm soát này sẽ khó hơn nhiều khi sử dụng các phương pháp hàn truyền thống, nơi tay nghề và sự nhất quán của người thao tác đóng vai trò quan trọng hơn. Người thao tác có thể kiểm soát tốt hơn đối với việc hàn truyền thống, nhưng trong trường hợp hàn laser, máy móc được tự động hóa hoàn toàn. Một khi máy đã học được các thông số hàn, chúng sẽ được sao chép chính xác cho các loạt sản xuất, bất kể là hàng nghìn hay hàng triệu chi tiết. Mỗi mối hàn sẽ có cùng một bộ tính chất cơ học. Trong những ngành mà sự cố hàn là không thể chấp nhận được, như thiết bị y tế, các bộ phận an toàn ô tô hoặc hàng không vũ trụ, thì sự nhất quán còn quan trọng và được đánh giá cao hơn cả bản thân các chi tiết đã hàn.

Quá trình kết tinh có kiểm soát trong hàn laser làm giảm thiểu sự xuất hiện của nhiều khuyết tật mối hàn có thể làm yếu liên kết. Xốp khí và sự phân tầng của các nguyên tố hợp kim là những khuyết điểm bị hạn chế nhờ giai đoạn làm nguội nhanh của quá trình này. Ngoài ra, việc kiểm soát đầu vào năng lượng giúp loại bỏ hiện tượng thiếu đầy và thủng, đặc biệt trên các vật liệu tấm mỏng. Đúng là hàn laser yêu cầu độ căn chỉnh mối hàn chính xác hơn một số kỹ thuật hàn cũ. Tuy nhiên, các hệ thống hiện đại sử dụng các công nghệ như tia laser dao động để đóng kín các mối hở lớn hơn và các hệ thống lai ghép kết hợp giữa laser và cấp dây truyền thống để làm cho quá trình này dễ dàng hơn.

Các chuyên gia trong ngành thừa nhận rằng các kỹ thuật hàn truyền thống được hỗ trợ bởi một nền tảng vững chắc gồm những thợ lành nghề và nhiều năm kinh nghiệm, trong khi hàn laser mang lại kết quả đáng tin cậy và dự đoán chính xác hơn nhờ kiểm soát quy trình tốt hơn. Công nghệ laser ngày càng tiên tiến và trở nên phải chăng hơn trên thị trường khiến điều này ngày càng đúng, đặc biệt đối với các quy trình yêu cầu không có điểm lỗi nào, khi mà hàn laser có thể được sử dụng 'sự nhất quán của nó như một điểm bán hàng chính.

Kết Luận

Bằng chứng cho thấy hàn laser vượt trội hơn các phương pháp khác về độ ngấu, tính kim loại học và kiểm soát quy trình để tạo ra các mối hàn chắc khỏe hơn. Hàn ngấu và hiệu ứng lỗ khóa giúp phân bố ứng suất tốt hơn. Biến dạng nhiệt thấp và lượng nhiệt đưa vào tối thiểu cũng góp phần bảo tồn đặc tính vật liệu gốc và giảm thiểu biến dạng. Những lợi ích kết hợp của công nghệ laser cùng với hiệu quả, chất lượng và sản xuất trong các ứng dụng hàn yêu cầu độ bền mối nối cao tạo nên một lập luận thuyết phục.

Tất nhiên, các phương pháp truyền thống vẫn còn giá trị —đặc biệt khi chi phí thiết bị thấp, hoặc việc lắp ráp có khối lượng nhỏ và phức tạp, khiến tự động hóa trở nên không khả thi —nhưng những lợi ích về độ bền của hàn laser thì khó có thể bác bỏ. Các dự án và sản phẩm hiện tại cũng như tương lai trong ngành chế tạo đòi hỏi mọi thứ phải nhẹ hơn, bền hơn và đáng tin cậy hơn. Điều này sẽ làm cho nhu cầu hàn laser trở nên cấp thiết hơn. Những công ty sử dụng các dự án hàn laser và phát triển sản phẩm mới sẽ dẫn đầu ngành của họ. Tiềm năng này sẽ giúp sản phẩm của họ trở thành tiêu biểu nhờ công nghệ nối ghép bằng laser tiên tiến.