Ứng dụng hàn laser trên thép không gỉ 2

Ứng dụng hàn laser trên thép không gỉ

Nguyên lý Hàn Laser

Hiểu rõ các nguyên lý cơ bản của hàn laser là yếu tố thiết yếu để tạo ra các mối hàn chắc chắn và đồng đều trên thép không gỉ. Quy trình này phụ thuộc vào các thông số được kiểm soát chặt chẽ, xác định độ sâu thấu, chiều rộng mối hàn và kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt. Các khái niệm dưới đây mô tả cách tia laser tương tác với thép không gỉ và ảnh hưởng của các thiết lập khác nhau đến kết quả.

Chế độ Dẫn nhiệt VS. Chế độ Khoan lỗ

Chế độ Dẫn nhiệt: Năng lượng laser làm nóng chảy bề mặt kim loại, và nhiệt lan truyền vào vật liệu chủ yếu qua dẫn nhiệt. Điều này tạo ra các mối hàn nông và rộng với mức độ hóa hơi tối thiểu – lý tưởng cho các chi tiết mỏng, yêu cầu nhiệt lượng thấp và mối hàn thẩm mỹ.

Chế độ Khoan lỗ (Keyhole): Ở mức mật độ công suất cao hơn, laser làm hóa hơi kim loại tại điểm tiêu của chùm tia, tạo thành một khoang nhỏ (keyhole). Chùm tia thâm nhập sâu hơn, cho phép hàn các chi tiết dày với mối hàn hẹp và sâu. Chế độ này mang lại độ thấu tối đa nhưng đòi hỏi kiểm soát chính xác để tránh rỗ khí và mất ổn định.

Sóng Liên Tục (CW) VS. Xung

Sóng Liên Tục (CW): Cung cấp năng lượng ổn định, liên tục. Lý tưởng cho các mối hàn dài liên tục nơi yêu cầu tốc độ và độ xuyên sâu đồng đều—thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động.

Xung: Cung cấp năng lượng theo từng đợt kiểm soát. Hữu ích cho các bộ phận nhạy cảm với nhiệt, công việc đòi hỏi chi tiết tinh xảo hoặc hàn điểm. Hàn xung làm giảm biến dạng và hiện tượng đổi màu do nhiệt, phù hợp cho các bộ phận lắp ráp chính xác và các thành phần bằng thép không gỉ mỏng.

Chất Lượng Tia, Kích Thước Vết Tia, và Năng Lượng Trên Đơn Vị Chiều Dài

Chất Lượng Tia: Chất lượng tia cao (được đo bằng M²) tạo ra một điểm tia nhỏ và tập trung hơn, cho phép hàn tinh xảo hơn và xuyên sâu hơn ở mức công suất thấp.

Kích Thước Vết Tia: Các điểm tia nhỏ làm tăng mật độ năng lượng, cải thiện độ xuyên sâu. Các điểm tia lớn làm phân tán nhiệt, giảm nguy cơ thủng vật liệu ở các vật liệu mỏng.

Năng lượng trên đơn vị chiều dài: Sự cân bằng giữa công suất laser và tốc độ di chuyển xác định tổng năng lượng đầu vào. Quá nhiều năng lượng gây biến dạng và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) quá mức; quá ít sẽ dẫn đến mối hàn yếu hoặc không kết nối hoàn toàn.

Dao động và Quét quang học

Hàn dao động (Wobble Welding): Bao gồm việc dao động tia laser theo các mẫu nhỏ trong khi di chuyển dọc theo đường hàn. Cải thiện khả năng lấp đầy khe hở, giảm độ nhạy với độ lệch chuẩn và có thể tạo ra các mối hàn rộng hơn, đồng thời dễ kiểm soát hơn.

Quang học quét (Scanning Optics): Sử dụng gương hoặc galvanometer để di chuyển tia laser với tốc độ cao trên bề mặt vật liệu. Cho phép thay đổi nhanh chóng các mẫu hàn, thực hiện nhiều điểm hàn và tích hợp dễ dàng với hệ thống tự động hóa. Chúng đặc biệt hữu ích trong sản xuất hàng loạt và các hình dạng phức tạp.

Hiệu suất của hàn laser phụ thuộc vào cách bạn kiểm soát tương tác giữa chùm tia và vật liệu. Chế độ dẫn nhiệt phù hợp với các mối hàn tinh tế và nông, trong khi chế độ khoan lỗ cho phép thâm nhập sâu. Chế độ liên tục (CW) mang lại tốc độ và độ ổn định, còn chế độ xung giúp kiểm soát nhiệt lượng trên các bộ phận mỏng manh. Chất lượng chùm tia và kích thước điểm tia quyết định mật độ năng lượng, và việc điều chỉnh năng lượng trên mỗi đơn vị chiều dài phù hợp với mối hàn là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền mà không gây biến dạng. Các kỹ thuật tiên tiến như hàn lắc (wobble welding) và quang học quét mở rộng tính linh hoạt, biến hàn laser thành một công cụ đa dụng trong gia công thép không gỉ across các ngành công nghiệp.

Quy tắc thiết kế và lắp ráp mối hàn

Trong hàn laser, thiết kế mối hàn và độ chính xác khi lắp ráp có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn, độ ngấu và hình thức bên ngoài. Không giống như một số phương pháp hàn hồ quang, hàn laser có độ dung sai thấp hơn đối với các khe hở lớn hoặc lệch khớp vì tia hàn hẹp và vùng kim loại nóng chảy nhỏ. Việc lựa chọn đúng kiểu mối hàn, chuẩn bị mép hàn chính xác và đảm bảo lắp ráp chính xác là yếu tố thiết yếu để tạo ra các mối hàn bằng thép không gỉ chắc chắn, không khuyết tật.

Mối hàn đối đầu

Mô tả: Hai chi tiết được đặt thẳng hàng trong cùng một mặt phẳng, được hàn dọc theo các mép tiếp giáp.

Lưu ý khi hàn laser: Hiệu quả nhất khi khe hở nhỏ hoặc không có khe hở (<0,1 mm với các chi tiết mỏng). Yêu cầu phải chuẩn bị mép hàn chính xác để tránh hiện tượng không ngấu hoàn toàn. Chế độ khoan lỗ (keyhole) thường được sử dụng cho các chi tiết dày hơn.

Ứng dụng: Các tấm vỏ bọc bằng kim loại tấm, thiết bị chịu áp lực, ống dẫn.

Mối hàn chồng

Mô tả: Một chi tiết chồng lên chi tiết kia, và tia laser xuyên qua lớp trên vào lớp dưới.

Lưu ý khi hàn bằng laser: Hiệu quả để nối các vật liệu có độ dày khác nhau. Khoảng chồng lấp phải đồng đều và bề mặt phải sạch sẽ để tránh nhiễm bẩn bị giữ lại. Việc hơi làm mờ có thể cải thiện độ đồng đều của độ ngập.

Ứng dụng: Các tấm thân xe ô tô, vỏ bọc, các bộ phận cấu trúc mỏng.

Mối hàn góc

Mô tả: Các chi tiết được nối với nhau ở một góc, thường là 90°, với kim loại hàn được đắp vào góc nối.

Lưu ý khi hàn bằng laser: Rất phù hợp để tự động hóa nhưng đòi hỏi độ chính xác cao trong việc căn chỉnh mối hàn. Việc bo tròn mép có thể cải thiện khả năng tiếp cận của tia laser ở các góc hẹp. Hàn lắc (wobble welding) có thể giúp lấp đầy mối hàn một cách đồng đều.

Ứng dụng: Khung xe, giá đỡ, cấu trúc dạng hộp.

Cạnh và Góc

Mô tả: Bao gồm các mối nối góc và mối hàn mép, nơi tia laser làm nóng chảy vật liệu tại đường biên.

Các lưu ý khi hàn laser: Rất nhạy cảm với lỗi lệch trục. Nhiệt lượng đầu vào thấp giúp giảm biến dạng, nhưng cần kẹp chặt cẩn thận để giữ nguyên hình học. Thường được sử dụng cho các bộ phận bằng thép không gỉ trang trí do mối hàn sạch, nhìn thấy rõ.

Vát mép và chuẩn bị mối hàn

Mô tả: Các mép được vát hoặc chuẩn bị sẵn để cho phép thâm nhập sâu hơn hoặc chứa vật liệu độn.

Các lưu ý khi hàn laser: Phổ biến cho các chi tiết thép không gỉ dày hơn nơi yêu cầu thâm nhập trong một lượt hàn duy nhất. Góc vát mép và mặt đáy phải đồng đều; vát mép quá mức có thể làm giảm hiệu suất mối hàn.

Hàn điểm định vị

Mô tả: Những mối hàn nhỏ, tạm thời dùng để giữ các bộ phận đúng vị trí trước khi hàn chính thức.

Các lưu ý khi hàn laser: Ngăn chặn sự dịch chuyển của bộ phận trong quá trình hàn và giảm thiểu sự thay đổi khoảng hở. Mối hàn điểm bằng laser nhanh, ít biến dạng và dễ tự động hóa. Khoảng cách giữa các điểm hàn cần phù hợp với độ dày vật liệu và độ cứng vững của mối hàn.

Hàn laser đòi hỏi sự khít chặt và chuẩn bị mối hàn đồng đều vì quy trình này tạo ra một vũng kim loại nóng chảy nhỏ, có độ dung sai thấp đối với khe hở hoặc lệch khớp. Mối hàn đối đầu yêu cầu tiếp xúc mép gần như hoàn hảo, mối hàn chồng cần các bề mặt chồng phủ sạch sẽ, và mối hàn góc được lợi từ việc tiếp cận góc cạnh chính xác. Các mép, góc và vát mép phải đồng đều để đảm bảo thấu hoàn toàn, và việc hàn điểm sẽ giữ cho các chi tiết không bị lệch trong quá trình hàn tốc độ cao. Bằng cách tuân theo các quy tắc thiết kế mối hàn và lắp ráp này, các mối hàn thép không gỉ sẽ chắc chắn, chính xác và sạch đẹp về mặt hình thức.