Máy hàn laser sợi quang cải thiện độ chính xác và chất lượng mối hàn

Hàn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại, ảnh hưởng đến độ bền, độ chắc chắn và hiệu suất của vô số sản phẩm. Từ khung xe ô tô đến linh kiện hàng không vũ trụ, chất lượng mối hàn ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và tuổi thọ của sản phẩm hoàn thiện. Các phương pháp hàn truyền thống, chẳng hạn như hàn MIG, hàn TIG hoặc hàn hồ quang, đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng chúng cũng có những hạn chế. Các yếu tố như kỹ năng vận hành, biến dạng nhiệt và độ ngấu mối hàn không đều có thể ảnh hưởng đến cả độ chính xác và hiệu quả.

Trong những năm gần đây, thợ hàn laser sợi quang đã nổi lên như một giải pháp mang tính đột phá, mang đến mức độ kiểm soát và độ chính xác mà các phương pháp thông thường khó đạt được. Bằng cách sử dụng chùm tia laser tập trung truyền qua sợi quang, công nghệ này cho phép ứng dụng năng lượng chính xác, giảm thiểu vùng ảnh hưởng nhiệt và chất lượng mối hàn đồng đều. Khả năng xử lý nhiều loại kim loại, bao gồm thép không gỉ, nhôm và đồng, giúp công nghệ này trở nên linh hoạt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và độ bền cao.

Khi nhu cầu sản xuất tăng lên và yêu cầu về dung sai ngày càng khắt khe, vai trò của máy hàn laser sợi quang ngày càng phát triển. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giải thích cách hàn laser sợi quang thay đổi độ chính xác và chất lượng của mối hàn.

Máy hàn laser sợi quang cải thiện độ chính xác và chất lượng mối hàn

Máy hàn laser sợi quang là một công nghệ hàn hiện đại sử dụng ánh sáng cường độ cao từ laser sợi quang để làm nóng chảy và kết dính kim loại. Trong máy hàn laser sợi quang, các diode laser bơm năng lượng vào sợi quang được pha tạp các nguyên tố đất hiếm (như ytterbi), chuyển đổi ánh sáng bơm thành chùm tia laser năng lượng cao, tập trung. Chùm tia này được truyền qua các thành phần quang học (cáp quang, bộ chuẩn trực, thấu kính) đến một điểm nhỏ trên phôi, tại đó năng lượng của nó làm nóng chảy vật liệu và tạo ra mối hàn.

Nhờ chùm tia laser có thể được hội tụ chính xác, máy hàn laser sợi quang có thể tạo ra các mối hàn rất hẹp và sâu ngay cả trên vật liệu dày hoặc đặc. Các mối hàn tạo ra cực kỳ chắc chắn và có vùng ảnh hưởng nhiệt tối thiểu, bảo toàn các đặc tính của vật liệu xung quanh. Nhìn chung, máy hàn laser sợi quang kết hợp mật độ công suất cao, tốc độ và độ chính xác để cải thiện chất lượng mối hàn so với các phương pháp truyền thống.

Lợi ích và Thách thức

Máy hàn laser sợi quang mang lại nhiều ưu điểm, góp phần nâng cao độ chính xác và chất lượng mối hàn. Chùm tia laser hội tụ tạo ra điểm hàn cực nhỏ, cho phép kiểm soát chính xác vũng hàn. Độ chính xác này cao đến mức các mối hàn laser sợi quang có thể có chiều rộng dưới 0.1 mm. Năng lượng đầu vào tập trung cũng đồng nghĩa với việc nhiệt lan truyền rất ít sang kim loại xung quanh, tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) tối thiểu.

Vùng HAZ nhỏ hạn chế biến dạng nhiệt và duy trì độ bền của kim loại cơ bản, tạo ra mối hàn sạch và bền. Trên thực tế, các nhà sản xuất đã phát hiện ra rằng laser sợi quang có thể hàn kim loại với tốc độ vượt xa các phương pháp thông thường. Ví dụ, hàn các tấm thép không gỉ mỏng có thể đạt tới hàng chục milimét mỗi giây, giúp tăng năng suất. Laser sợi quang cũng rất hiệu quả, thường chuyển đổi 80–90% năng lượng điện thành nhiệt hàn, do đó chúng tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều so với máy hàn hồ quang. Vì hàn sợi quang là một quy trình không tiếp xúc với nguồn laser ổn định, nên nó đòi hỏi tương đối ít bảo trì và có thể dễ dàng tự động hóa bằng hệ thống robot.

Bất chấp những lợi ích này, vẫn cần phải quản lý một số thách thức nhất định. Hệ thống máy hàn laser sợi quang có chi phí ban đầu cao và yêu cầu các biện pháp an toàn phù hợp để bảo vệ người vận hành khỏi chùm tia laser cường độ cao. Việc căn chỉnh chính xác là rất quan trọng: sự thay đổi vị trí chi tiết hoặc sự cản trở của chùm tia (bụi hoặc khói) có thể làm giảm chất lượng mối hàn. Độ phản xạ của một số kim loại (như đồng) cũng có thể làm giảm khả năng hấp thụ laser, khiến việc thiết lập mối hàn trở nên phức tạp hơn. Do đó, người dùng phải tối ưu hóa các thông số (công suất, tiêu điểm, tốc độ) cho từng vật liệu. Tóm lại, máy hàn laser sợi quang cải thiện đáng kể độ chính xác và tính nhất quán của mối hàn, nhưng chúng đòi hỏi phải được sử dụng cẩn thận để xử lý các hạn chế về vật liệu và an toàn.

Hệ thống hàn laser sợi quang

Hệ thống máy hàn laser sợi quang bao gồm một số hệ thống con chính hoạt động cùng nhau để tạo ra và phân phối chùm tia laser, đồng thời bảo vệ cả thiết bị và người vận hành. Cốt lõi của hệ thống là nguồn laser, bao gồm một dãy diode laser bơm năng lượng vào môi trường khuếch đại sợi quang pha tạp. Nguồn điện chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) cần thiết cho các diode bơm này. Khi ánh sáng bơm đi vào sợi quang pha tạp đất hiếm (thường là pha tạp ytterbi), nó sẽ kích thích các nguyên tử pha tạp và tạo ra ánh sáng laser đồng nhất có bước sóng cụ thể. Bản thân sợi quang hoạt động như môi trường khuếch đại bên trong khoang laser, nơi ánh sáng được khuếch đại.

Sau khi được tạo ra, chùm tia laser thoát khỏi nguồn và đi qua một loạt các thành phần quang học. A cáp sợi quang dẫn chùm tia từ nguồn đến đầu xử lý. Tại đầu, một thấu kính hội tụ sắp xếp ánh sáng phân kỳ thành một chùm tia song song và thấu kính hội tụ sau đó tập trung chùm tia vào một điểm rất nhỏ trên phôi. Ví dụ, một thấu kính tiêu cự 200 mm có thể hàn ở khoảng cách đó với độ chính xác cao. Trong các hệ thống tiên tiến, đầu quét Gương điện kế có thể nhanh chóng điều hướng chùm tia theo các đường dẫn đã được lập trình cho các mẫu hàn phức tạp. Một số hệ thống còn sử dụng "bộ dịch chuyển tiêu cự" (hoặc đầu 3D) có khả năng tự động điều chỉnh tiêu cự tức thời, cho phép lấy nét đồng đều trên các bề mặt không bằng phẳng.

Bên cạnh quang học cốt lõi, một trạm hàn laser sợi quang bao gồm các thành phần phụ trợ để hỗ trợ quá trình. A bộ cấp dây có thể đưa kim loại phụ vào trong quá trình hàn: phương pháp kết hợp này (kết hợp laser và phương pháp nạp liệu giống MIG) có thể cải thiện chất lượng mối hàn trong trường hợp có khe hở mối nối hoặc khi cần thêm vật liệu. Thông thường là khí bảo vệ (chẳng hạn như argon) được sử dụng để bảo vệ vũng hàn nóng chảy khỏi quá trình oxy hóa. Mặc dù không phải lúc nào cũng cần thiết, khí bảo vệ thường mang lại mối hàn sạch hơn bằng cách giảm thiểu khuyết tật. Hệ thống cũng có một thiết bị điện tử. điều khiển điều chỉnh các thông số (công suất laser, cài đặt xung, v.v.) và quản lý khóa an toàn.

Bởi vì hàn laser có thể tạo ra khói độc hại và các hạt mịn, hầu hết các thiết lập đều bao gồm đơn vị hút khói và bộ lọc để giữ môi trường làm việc an toàn. Laser sợi quang công suất cao tạo ra lượng nhiệt thải đáng kể, do đó, thiết bị làm mát (máy làm lạnh không khí hoặc nước) được sử dụng để duy trì nhiệt độ vận hành tối ưu và bảo vệ các bộ phận. màn hình hàn laser (sử dụng camera, cảm biến hoặc máy dò âm thanh) cũng có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng mối hàn theo thời gian thực và đánh dấu bất kỳ lỗi nào. Tất cả các thành phần này kết hợp với nhau để tạo nên một hệ thống hàn laser sợi quang có khả năng hoạt động chính xác và nhất quán.

Liên tục so với xung

Laser sợi quang có thể hoạt động trong sóng liên tục Chế độ CW (liên tục) hoặc chế độ xung, mỗi chế độ đều có ưu điểm riêng cho từng loại mối hàn. Ở chế độ liên tục, tia laser phát ra chùm tia không bị gián đoạn. Laser CW thường có chi phí thấp hơn và có thể tạo ra mối hàn lớn hơn, sâu hơn nhờ năng lượng được truyền tải đều đặn. Điều này khiến chúng phù hợp cho các công việc hàn thông thường và vật liệu dày hơn. Ở chế độ xung, tia laser phát ra các xung năng lượng rất ngắn với công suất cực đại cao.

Laser xung có tổng lượng nhiệt đầu vào thấp hơn, đồng nghĩa với việc vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thậm chí còn nhỏ hơn và khả năng hàn các chi tiết mỏng hoặc nhạy nhiệt mà không bị hư hại. Laser xung vượt trội trong hàn điểm và khi cần kiểm soát nhiệt chính xác. Nhìn chung, laser CW phù hợp hơn với các mối hàn lớn và sâu, trong khi laser xung cung cấp khả năng kiểm soát tốt và độ biến dạng tối thiểu.

Sợi quang đơn mode so với sợi quang đa mode

Chùm tia đầu ra của laser sợi quang cũng có thể được phân loại thành đơn mode hoặc đa mode, tùy thuộc vào kích thước điểm và phân bố năng lượng. Laser sợi quang đơn mode tạo ra chùm tia chất lượng rất cao, gần như Gaussian với kích thước điểm nhỏ và mật độ năng lượng cao. Những chùm tia này lý tưởng cho các ứng dụng vi gia công và hàn siêu chính xác, vì chúng có thể hội tụ đến một điểm rất nhỏ.

Laser sợi quang đa chế độ phát ra chùm tia lớn hơn, ít tập trung hơn với tổng công suất cao hơn (nhưng mật độ năng lượng thấp hơn). Chùm tia đa chế độ có thể hàn các bề mặt lớn nhanh hơn và hữu ích cho các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác trung bình trên diện tích rộng hơn. Trên thực tế, laser sợi quang đơn chế độ mang lại độ chính xác cao nhất (ví dụ, trong hàn vi mạch pin), trong khi laser đa chế độ hàn nhanh hơn trên các chi tiết lớn hơn mặc dù đường hàn lớn hơn một chút và độ xốp cao hơn.

Các loại hệ thống hàn laser sợi quang

Thiết bị hàn laser sợi quang có nhiều dạng khác nhau phù hợp với các nhu cầu sản xuất khác nhau:

• Máy hàn laser cầm tay: Các thiết bị cầm tay này trông giống như máy hàn truyền thống với tay cầm dạng súng. Người vận hành chỉ cần ngắm và kích hoạt chùm tia laser sợi quang trên mối hàn. Máy hàn laser sợi quang cầm tay hiện nay dễ tiếp cận và thân thiện với người dùng hơn bao giờ hết. Ngay cả những người vận hành ít được đào tạo cũng có thể nhanh chóng tạo ra các mối hàn chất lượng cao, vì máy thường có các thông số được cài đặt sẵn. Tính linh hoạt này khiến máy hàn sợi quang cầm tay trở nên lý tưởng cho việc sửa chữa tại hiện trường hoặc các xưởng nhỏ.
• Trạm hàn laser: Trạm làm việc là hệ thống bán tự động, thường được sử dụng cho các lô sản xuất nhỏ hoặc phát triển sản phẩm. Tại đây, người vận hành sẽ nạp linh kiện vào đồ gá hoặc khuôn, và máy sẽ thực hiện đường hàn đã được lập trình sẵn. Những thiết lập này rất phù hợp để đạt độ chính xác nhất quán trên các chi tiết phức tạp hoặc lặp lại. Ví dụ, trạm hàn pin được sử dụng để hàn các module trong xe điện, nơi người vận hành bắt đầu quy trình và hệ thống sẽ hàn từng cell theo trình tự.
• Máy hàn laser robot: Hệ thống hàn robot hoàn toàn tự động sử dụng robot công nghiệp để định vị đầu laser hoặc phôi gia công. Cánh tay robot có thể di chuyển tia laser qua các cụm lắp ráp lớn hoặc phức tạp (như tấm thân ô tô hoặc cánh máy bay) với độ lặp lại cao. Máy hàn laser sợi quang robot được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ô tô và hàng không vũ trụ cho các nhiệm vụ chính xác, khối lượng lớn.
• Hàn laser hỗ trợ bằng robot: Trong một số dây chuyền sản xuất, robot được tích hợp không chỉ để di chuyển tia laser mà còn để xử lý và kẹp các chi tiết. Ví dụ, một cell tự động có thể sử dụng cánh tay robot để nạp chi tiết, định vị kẹp, sau đó laser sợi quang hàn mối nối; sau đó, robot sẽ dỡ chi tiết đã hoàn thiện. Các hệ thống như vậy giảm thiểu thời gian chờ và có thể bao gồm hệ thống thị giác để điều chỉnh căn chỉnh. Một ví dụ là máy hàn pin hỗ trợ robot: nó có thể sử dụng camera để định vị từng cell hình trụ, sau đó hàn thanh cái với tốc độ rất cao (khoảng 100 mili giây cho mỗi mối hàn) trong khi robot định vị từng chi tiết. Những cấu hình tiên tiến này cho phép máy hàn laser sợi quang mở rộng quy mô sản xuất hàng loạt với độ chính xác tối đa.

Hàn Laser Sợi Quang so với các Phương pháp Hàn Khác

Hàn laser sợi quang mang lại những lợi thế vượt trội so với các kỹ thuật truyền thống:

• Liên kết bằng laser so với liên kết bằng siêu âm: Hàn siêu âm sử dụng rung động cơ học để nối các chi tiết và phổ biến với nhựa hoặc kim loại mỏng. So với hàn siêu âm, laser sợi quang nhanh hơn nhiều (ví dụ: hàn các tấm pin nhanh hơn gấp 10 lần) và tạo ra các mối hàn chắc chắn và bền hơn. Laser sợi quang cũng cho khả năng kiểm soát tốt hơn và độ chính xác cao hơn, mang lại chất lượng mối hàn vượt trội. Không giống như hàn siêu âm (không thể hàn các chi tiết dày và chủ yếu chỉ hàn được các vật liệu dễ uốn), laser có thể nối nhiều loại kim loại và thậm chí cả các vật liệu không giống nhau. Tuy nhiên, thiết bị siêu âm có chi phí ban đầu thấp hơn, vì vậy mỗi phương pháp đều có vị trí riêng.
• Hàn Laser so với hàn MIG: MIG (Hàn hồ quang kim loại khí) là công nghệ phổ biến trong nhiều công việc chế tạo kim loại. Điểm khác biệt chính là máy hàn laser sợi quang tạo ra mối hàn nhỏ hơn, sạch hơn và ít bắn tóe hơn. Thực tế, các nghiên cứu cho thấy máy hàn laser sợi quang tạo ra mối hàn chất lượng cao hơn MIG cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và khả năng kiểm soát cao. Laser sợi quang cũng có thể dễ dàng tự động hóa và mở rộng quy mô, trong khi hàn MIG đòi hỏi thao tác thủ công chậm hơn. Điểm yếu nằm ở chi phí và thiết lập: hệ thống laser đắt hơn và phức tạp hơn so với máy hàn MIG đơn giản, vì vậy lựa chọn phụ thuộc vào nhu cầu về khối lượng và độ chính xác.
• Hàn Laser so với hàn TIG: TIG (Hàn hồ quang điện cực vonfram khí) mang lại mối hàn chất lượng cao và vẻ ngoài thẩm mỹ nhưng lại chậm và tốn nhiều công sức. Ngược lại, máy hàn laser sợi quang có thể được tự động hóa hoàn toàn và thường yêu cầu ít kỹ năng vận hành hơn nhiều. Máy hàn laser sợi quang tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) rất hẹp và độ xuyên thấu sâu, giảm thiểu biến dạng so với TIG. Quy trình hàn không tiếp xúc của laser giúp loại bỏ các vấn đề hao mòn điện cực. Đối với các ứng dụng đòi hỏi tính thẩm mỹ cao (ví dụ: mối hàn inox dễ thấy), TIG vẫn có thể được ưu tiên. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng công nghiệp, laser sợi quang mang lại độ bền mối hàn tương đương hoặc tốt hơn ở tốc độ cao hơn.
• Hàn laser so với hàn điện trở: Hàn điện trở (hàn điểm hoặc hàn đường may) sử dụng dòng điện và áp suất để làm nóng chảy kim loại. Máy hàn laser sợi quang tạo ra các mối hàn nhỏ hơn và chính xác hơn, với độ biến dạng tối thiểu, vì toàn bộ nhiệt được tập trung chính xác vào vị trí cần thiết. Không giống như hàn điện trở, không có điện cực nào bị mòn hoặc cần bảo trì. Laser sợi quang cũng dễ dàng xử lý các vật liệu và độ dày khác nhau. Thiết bị hàn điện trở đơn giản và rẻ hơn cho việc ghép nối kim loại tấm cơ bản, nhưng laser sợi quang mang lại chất lượng mối hàn cao hơn cho các nhu cầu chính xác hoặc tốc độ cao.

Ứng dụng hàn laser

Do độ chính xác và tính linh hoạt của chúng, máy hàn laser sợi quang được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Trong sản xuất ô tôLaser sợi quang kết nối thép cường độ cao và nhôm trong cấu trúc thân xe và bộ pin. Ví dụ, chúng hàn khung xe và cell pin xe điện, tạo ra các mối nối nhẹ, chắc chắn giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và độ bền. hàng không vũ trụtia laser sợi quang hàn các bộ phận nhạy nhiệt (như cánh tuabin titan và khung máy bay) với độ biến dạng tối thiểu, điều này rất quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất.

Trong tạp chí thiết bị điện tử Trong lĩnh vực này, laser sợi quang cho phép hàn các dây dẫn nhỏ, đầu nối và vỏ bọc mỏng manh. Các chùm tia cực kỳ chính xác của chúng có thể hàn các linh kiện siêu nhỏ (như vi mạch hoặc các thành phần bảng mạch) mà không làm hỏng mạch điện liền kề. Tương tự như vậy, thiết bị y tế Quá trình sản xuất dựa vào máy hàn laser sợi quang để tạo ra mối hàn sạch, tương thích sinh học. Các thiết bị như cấy ghép, dụng cụ phẫu thuật và cấy ghép thường được hàn bằng laser để đảm bảo các mối nối trơn tru, có thể khử trùng. Bảng dưới đây (từ Laserax) liệt kê các ứng dụng tiêu biểu:

Những ví dụ này cho thấy máy hàn laser sợi quang vượt trội ở bất cứ nơi nào yêu cầu chất lượng mối hàn và độ chính xác cao. Đối với bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến kim loại khác nhau hoặc hình học phức tạp, laser sợi quang phần lớn đã trở thành phương pháp hàn được ưa chuộng.

Vai trò ngày càng tăng của hàn laser sợi quang

Khi nhu cầu sản xuất tiếp tục thúc đẩy sản xuất nhanh hơn, chính xác hơn, thợ hàn laser sợi quang đang sẵn sàng đóng vai trò ngày càng quan trọng hơn trong nhiều ngành công nghiệp. Những tiến bộ về công suất nguồn laser và khả năng phân phối chùm tia đã giúp máy hàn laser sợi quang phù hợp hơn bao giờ hết với các nhiệm vụ chế tạo nặng. Đồng thời, khả năng tương thích với robot và các ô tự động cho phép các nhà máy tăng năng suất mà vẫn duy trì chất lượng mối hàn đồng đều.

Laser sợi quang đã là công cụ đắc lực cho các lĩnh vực công nghệ cao như xe điện và điện tử, và xu hướng này dự kiến ​​sẽ còn mở rộng. Về lâu dài, khi ngày càng nhiều ngành công nghiệp áp dụng công nghệ laser sợi quang, các mối hàn vốn đòi hỏi kỹ thuật lắp ghép phức tạp hoặc kỹ năng thủ công giờ đây có thể được tạo ra một cách đáng tin cậy với độ biến dạng tối thiểu. Tóm lại, máy hàn laser sợi quang đang thay đổi ngành hàn bằng cách mang lại độ chính xác, tính toàn vẹn và hiệu quả vượt trội trong môi trường sản xuất hiện đại.