Giải phóng sức sáng tạo trong hàn laser
Trong mọi ngành, các sản phẩm đang được thiết kế, thiết kế lại hoặc đánh giá lại để có chất liệu hoặc chức năng tốt hơn. Các sản phẩm cuối cùng được làm từ nhiều thành phần và các thành phần này cần được nối với nhau theo một cách nào đó. Một trong những phương pháp nối này là hàn laser.
Hàn laser sử dụng chùm ánh sáng cường độ cao để tạo ra một vũng hàn nóng chảy để kết hợp các vật liệu lại với nhau. Đó là một quy trình không tiếp xúc, có lượng nhiệt đầu vào thấp so với các quy trình nhiệt hạch khác, cung cấp tốc độ xử lý cao và tạo ra các vùng nhiệt hạch sâu trong một lần chạy.
Tất nhiên, để tận dụng tối đa tất cả những lợi ích này và để đảm bảo quy trình lặp lại, chất lượng cao, các nhà chế tạo cần xem xét hàn laze so với các quy trình hàn nhiệt hạch khác như thế nào. Thiết kế chung và cố định cũng đóng một vai trò. Như với bất kỳ công nghệ chế tạo kim loại nào, việc triển khai thông minh bắt đầu bằng việc hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản của quy trình.
Hàn Laser 101
Hàn laser sử dụng một chùm ánh sáng tập trung vào một điểm nhỏ ở phôi. Được tạo ra từ một dạng môi trường nào đó, ánh sáng thoát ra khỏi nguồn laze và bắt đầu phân kỳ. Sau đó, nó được chuẩn trực để chùm tia song song và không phát triển. Khoảng cách từ lối ra đến bề mặt chuẩn trực được gọi là chiều dài chuẩn trực. Chùm tia vẫn chuẩn trực cho đến khi nó chạm vào một bề mặt tiêu điểm. Sau đó, chùm tia thu hẹp lại thành hình đồng hồ cát cho đến khi nó hội tụ tại điểm nhỏ nhất. Khoảng cách từ tiêu điểm đến tiêu cự nhỏ nhất gọi là tiêu cự. Kích thước của điểm lấy nét được xác định theo phương trình sau: Đường kính sợi quang × Độ dài tiêu cự/Chiều dài chuẩn trực = Đường kính tiêu điểm
Khoảng cách mà đường kính tiêu điểm nằm trong 86% diện tích tiêu điểm được gọi là độ sâu tiêu cự. Nếu vị trí tiêu điểm dịch chuyển ra ngoài khu vực này, kết quả của quy trình sẽ thay đổi. Tỷ lệ giữa độ dài tiêu cự và độ dài chuẩn trực càng lớn thì độ sâu tiêu cự càng lớn đối với một sợi nhất định.
Các sợi lớn hơn có độ sâu tiêu cự lớn hơn so với các sợi có đường kính nhỏ hơn. Các tỷ lệ lớn hơn và các sợi có kích thước điểm lớn hơn làm giảm mật độ năng lượng và do đó, giảm độ xuyên thấu.
Có hai hình thức hàn laser: hàn dẫn nhiệt và hàn lỗ khóa. Trong hàn dẫn nhiệt, chùm tia laser làm nóng chảy các bộ phận giao phối dọc theo một mối nối chung, và các vật liệu nóng chảy chảy cùng nhau và đông đặc lại để tạo thành mối hàn. Được sử dụng để nối các bộ phận có thành mỏng, hàn dẫn nhiệt sử dụng laser trạng thái rắn xung hoặc sóng liên tục.
Trong hàn dẫn nhiệt, năng lượng được đưa vào phôi chỉ thông qua dẫn nhiệt. Vì lý do này, độ sâu mối hàn dao động từ chỉ vài phần mười milimét đến 1 mm. Tính dẫn nhiệt của vật liệu giới hạn chiều sâu mối hàn tối đa và chiều rộng của mối hàn luôn lớn hơn chiều sâu của nó. Hàn laser dẫn nhiệt được sử dụng cho các mối hàn góc trên bề mặt nhìn thấy được của vỏ thiết bị cũng như các ứng dụng khác trong điện tử.
Hàn lỗ khóa (xem Hình 1 ) yêu cầu mật độ năng lượng cực cao khoảng 1 megawatt trên mỗi centimet vuông. Nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu mối hàn sâu hoặc khi nhiều lớp vật liệu phải được hàn đồng thời.
Trong quá trình này, chùm tia laser không chỉ làm nóng chảy kim loại mà còn tạo ra hơi nước. Hơi tản ra gây áp suất lên kim loại nóng chảy và làm nó dịch chuyển một phần. Vật liệu, trong khi đó, tiếp tục tan chảy. Kết quả là tạo ra một lỗ sâu, hẹp, chứa đầy hơi hoặc lỗ khóa, được bao quanh bởi kim loại nóng chảy.
Khi chùm tia laser di chuyển dọc theo mối hàn, lỗ khóa sẽ di chuyển cùng với nó xuyên qua phôi. Kim loại nóng chảy chảy xung quanh lỗ khóa và đông đặc lại theo đường mòn của nó. Điều này tạo ra một mối hàn sâu, hẹp với cấu trúc bên trong đồng nhất. Chiều sâu mối hàn có thể vượt quá 10 lần chiều rộng mối hàn. Vật liệu nóng chảy hấp thụ gần như hoàn toàn chùm tia laser và hiệu quả của quá trình hàn tăng lên. Hơi nước trong lỗ khóa cũng hấp thụ ánh sáng laze và bị ion hóa một phần. Điều này dẫn đến sự hình thành plasma, cũng đưa năng lượng vào phôi. Kết quả là, hàn xuyên sâu được phân biệt bởi hiệu quả cao và tốc độ hàn nhanh. Nhờ tốc độ cao, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ và độ méo tiếng ở mức tối thiểu.
So sánh hàn tổng hợp
So với các quy trình khác, hàn laser mang lại chất lượng mối hàn cao nhất, lượng nhiệt đầu vào thấp nhất và độ xuyên kim cao nhất trong một lần hàn. Nó có một trong những phạm vi kết hợp vật liệu và hình dạng bộ phận cao nhất, cực kỳ dễ kiểm soát và có thể lặp lại, đồng thời là một trong những cách dễ dàng nhất để tự động hóa (xem Hình 2 ). Tất cả điều này cho phép thiết kế mối nối mới và các bộ phận có thể được sản xuất với tốc độ cao hơn với ít xử lý sau hàn hơn.
Hàn laze cũng có một trong những khoản đầu tư ban đầu cao nhất, chi phí dụng cụ và yêu cầu lắp ráp mối hàn. Những điều này phải được tính đến khi chọn hàn laze làm phương pháp nối cho quy trình sản xuất của bạn.
Cân nhắc chung
Hàn ngấu sâu cho phép một mối hàn thay thế nhiều mối hàn trong các thiết kế mối nối khác nhau. Hình 3 cho thấy một số cấu hình khớp hàn laser điển hình. Mối hàn giáp mép không yêu cầu vát mép đối với các miếng dày hơn, mối hàn chữ T có thể được hàn từ một phía với độ bền tối đa và mối hàn mép có thể được hàn xuyên qua tấm trên cùng hoặc dọc theo đường may. Điều này cho phép linh hoạt khi thiết kế các bộ phận và vị trí mối hàn của bạn.
Hàn mông đòi hỏi độ chính xác vị trí cao. Kích thước điểm hàn điển hình có đường kính từ 50 đến 900 µm. Dung sai vị trí cho phép phải nhỏ hơn một nửa đường kính chùm tia để đảm bảo chùm tia laze tương tác với cả hai mặt của khớp. Khe hở cho phép thường là 10% vật liệu mỏng nhất hoặc nhỏ hơn 50% đường kính dầm hàn. Do đó, cố định là rất quan trọng trong các cấu hình khớp này để đảm bảo độ lặp lại vị trí cao và khoảng cách tối thiểu.
Các cách phổ biến để giải thích cho điều này là thiết kế bộ phận phù hợp với lực ép hoặc thiết kế bộ cố định chắc chắn. Một số có thể sử dụng hệ thống tầm nhìn để đảm bảo định vị bộ phận, nhưng điều này sẽ làm tăng thêm thời gian chu kỳ và độ phức tạp cho việc lập trình sản xuất. Nó cũng quan trọng để chọn kích thước điểm chính xác tại một phần. Kích thước điểm lớn hơn phù hợp với các biến thể lớn hơn nhưng yêu cầu đầu vào năng lượng nhiều hơn để đạt được độ sâu ngấu mối hàn như nhau.
Hàn mông có nhiều lợi ích. Độ bền của mối hàn được xác định bởi lượng hàn dọc theo đường nối, do đó lượng ngấu xác định lượng độ bền của mối hàn. Các mối hàn sâu, hẹp sinh ra ít nhiệt hơn, tạo ra HAZ nhỏ và hạn chế biến dạng. Nó cũng cho phép sử dụng ít vật liệu hơn vì không cần chồng lên nhau.
Hàn lap có nhiều cân nhắc khác nhau. Khoảng cách cho phép thường là 10% độ dày vật liệu trên cùng. Chiều rộng mối hàn và sự hợp nhất tại giao diện giữa hai vật liệu xác định độ bền của mối hàn. So với khớp đối đầu, cấu hình vòng như vậy dẫn đến năng lượng đầu vào cao hơn, HAZ lớn hơn và biến dạng nhiều hơn.
Nếu hàn xuyên qua tấm trên cùng (3 trong Hình 2), chùm tia laser phải xuyên qua tấm trên cùng và vào tấm dưới cùng, và tất cả năng lượng tiêu tốn để xuyên qua tấm trên cùng không làm tăng thêm bất kỳ độ bền nào của mối hàn. Các mối hàn ghép phải rộng hơn để tăng độ bền. Điều này đòi hỏi nhiều năng lượng đầu vào hơn, đạt được thông qua kích thước điểm lớn hơn hoặc bằng cách dao động với kích thước điểm nhỏ hơn. Nếu sự biến dạng tối thiểu là quan trọng, mối hàn chỉ nên xuyên qua một phần tấm dưới cùng. Nếu các ứng dụng yêu cầu đầu vào nhiệt thấp và công suất thấp hoặc tốc độ xử lý cao, thì các mối nối thâm nhập một phần có thể là lý tưởng. Chúng tạo ra một bề mặt ở mặt sau của mối hàn không bị ảnh hưởng bởi nhiệt đầu vào và do đó, một bề mặt loại A.
Với các mối hàn ngấu một phần, độ ngấu tối thiểu vào tấm đáy phải nằm trong khoảng từ 20% đến 50% đối với vật liệu mỏng hơn và 0,5 mm đối với vật liệu dày hơn để đảm bảo phản ứng tổng hợp có thể lặp lại gây ra sự thay đổi trong sản xuất. Thiết kế dễ dàng nhất để hàn là có vật liệu mỏng nhất ở trên và vật liệu dày hơn ở phía dưới. Nếu tấm trên cùng dày hơn, sự xâm nhập một phần vào tấm dưới cùng sẽ khó kiểm soát hơn, điều này cũng khiến việc duy trì bề mặt loại A ở mặt sau của mối hàn trở nên khó khăn hơn.
Tuy nhiên, hàn chồng có nhiều lợi ích. Nó không yêu cầu độ chính xác vị trí cao, cho phép cố định mà không cần yêu cầu định vị nghiêm ngặt. So với hàn đối đầu, hàn chồng có cửa sổ quy trình lớn hơn, chủ yếu là do độ sâu thâm nhập linh hoạt hơn.
Truy cập chung và xử lý hậu kỳ
Hàn laser cũng cho phép tiếp cận các khớp mà trước đây không thể đạt được. Bởi vì nó là một quá trình không tiếp xúc, hàn trong lỗ và trong không gian chật hẹp là có thể nếu chiều rộng chùm tia khi nó đi vào tiêu điểm được xem xét. Điều này cho phép linh hoạt trong thiết kế khớp và các bộ phận có thể được thiết kế với ít vật liệu hơn.
Xử lý nhiệt sau khi hàn không cần thiết trong nhiều trường hợp vì HAZ của hàn laze nhỏ và nhiệt lượng tổng thể thấp. Ngoài ra còn có ít mối hàn nhô ra ở mặt trên hoặc mặt sau của mối hàn cần được gia công sau khi hàn. Quá trình này có thể có sự bắn tóe tối thiểu để tạo ra các mối hàn rõ ràng về mặt trực quan, đặc biệt là khi bổ sung khí bảo vệ. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu thực hiện nhiều thao tác gia công và làm sạch sau hàn.
Cân nhắc thiết kế lịch thi đấu
Hình 4 cho thấy một vật cố định cứng cho một mối hàn góc. Kiểu cố định này phổ biến đối với hàn giáp mép và hàn mép đối với các bộ phận hình ống hoặc hình chữ nhật. Các kẹp rất gần với đường may và tạo áp lực để đảm bảo khe hở tối thiểu. Không có dụng cụ nào phía trên mối nối có thể tương tác với chùm tia hàn khi nó đi vào tiêu điểm.
Cấu hình này cũng cung cấp khoảng hở cho vòi phun khí bảo vệ nếu khí bảo vệ là cần thiết vì mục đích thẩm mỹ hoặc vì lý do luyện kim trong một số kim loại như titan. Các thiết bị cố định phải liên tục giữ khớp ở cùng vị trí Z so với chùm tia để chùm tia laser ở cùng một vị trí tiêu cự. Điều này rất quan trọng để có được cùng mật độ công suất nhằm đảm bảo kết quả có thể lặp lại.
Hàn vòng yêu cầu ít cố định mạnh mẽ hơn. Hình 4 cho thấy một thiết kế cố định điển hình. Thay vì các kẹp dài và cứng để giữ cố định toàn bộ đường may, nhiều kẹp đảm bảo tiếp xúc thích hợp giữa hai tấm trên một diện tích lớn. Việc cố định như vậy có thể được tự động hóa bằng kẹp khí nén. Trong ví dụ, một quang quét nhanh chóng hàn tất cả các mối nối cần thiết. Gương Galvo (gương tốc độ cao bên trong quang hàn định vị chùm tia để hàn và cung cấp tất cả các chuyển động cho đường hàn). Điều này cho phép một con đường robot đơn giản.
Đối với các mối hàn đặc biệt quan trọng, một thiết bị cố định lớn duy nhất, được thiết kế với đường hàn được gia công bằng máy, có thể đảm bảo lắp ghép bộ phận lý tưởng. Phương pháp cố định có chi phí dụng cụ cao hơn nhưng cũng rất mạnh mẽ và có thể lặp lại. Áp dụng tải trọng lớn đồng đều trên bề mặt bộ phận, việc cố định như vậy có thể lý tưởng cho các bộ phận được dập có sự thay đổi lớn về độ phẳng bề mặt.
Giải phóng sức sáng tạo
Hàn laser cho phép sự sáng tạo và một số tự do trong thiết kế một phần, miễn là tất cả các yếu tố cần thiết đều được xem xét. Ví dụ, kích thước điểm nào là cần thiết cho một quy trình nhất định? Kích thước điểm lớn hơn cung cấp diện tích nóng chảy nhiều hơn và độ sâu tiêu điểm lớn hơn nhưng cần nhiều năng lượng hơn để đạt được độ sâu hàn giống nhau.
Tương tự, cấu hình chung nào là tốt nhất? Hàn giáp mép đòi hỏi độ chính xác và khả năng lặp lại quy trình nhưng có thể đạt được mối hàn chắc chắn với lượng nhiệt đầu vào tối thiểu. Ngược lại, hàn chồng yêu cầu cố định ít chính xác hơn và có cửa sổ quy trình lớn hơn nhưng yêu cầu nhiều nhiệt hơn để đạt được các mối hàn chắc chắn hơn.
Với tất cả các cân nhắc về quy trình hàn laser cũng có vô số cơ hội. Đó là một công cụ tuyệt vời để nâng cao sản xuất với các thiết kế bộ phận mới, sáng tạo không chỉ nâng cao chất lượng mà còn nhờ có ít bước sản xuất hơn, bao gồm ít xử lý thứ cấp hơn có khả năng giảm chi phí đáng kể.
