Hàn laser

Hàn nóng chảy: laser hội tụ khoan lỗ khóa cho mối hàn hẹp, sâu

Hàn laser làm chảy mối nối bằng chùm sáng hội tụ chặt, tạo mối hàn hẹp, sâu ở tốc độ cao. Vì nhiệt tập trung đến vậy, chi tiết hầu như không cong vênh. Nó nối thân xe, cell pin và implant y tế, thường bằng robot hoặc gương di chuyển nhanh.

Ảnh: Krorc, CC BY-SA 3.0, qua Wikimedia Commons

Hàn laser · hình chiếu cạnh lỗ khóa, cùng hình chiếu đầu của đường hàn laser và hồ quangCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới. Khung bên phải so sánh đường hàn thành phẩm với mối hàn hồ quang của cùng các tấm.

Cách hoạt động

Tạo và dẫn chùm tia. Một nguồn laser, ngày nay thường là laser sợi khoảng 1–10 kW, tạo chùm hồng ngoại mạnh. Sợi quang dẫn nó đến đầu hàn.
Hội tụ nó. Thấu kính ép chùm tia thành điểm rộng vài phần mười milimet. Điều đó đặt hơn một triệu oát lên mỗi centimet vuông.
Khoan lỗ khóa. Kim loại dưới điểm đó chảy và sôi một phần. Áp suất hơi giữ mở một kênh mỏng, lỗ khóa, cho phép chùm tia đi sâu vào mối nối.
Để nhựa chảy vòng quanh. Khi đầu di chuyển, kim loại nóng chảy chảy quanh lỗ khóa và khép lại phía sau nó.
Bảo vệ vũng hàn. Một loại khí như argon, heli hoặc nitơ bảo vệ kim loại nóng khỏi không khí và đẩy đi đám khói (đám mây hơi kim loại phía trên điểm hàn).
Đông nhanh. Vũng nhỏ đông lại gần như tức thì thành đường hàn hẹp, sâu. Vùng ảnh hưởng nhiệt (kim loại bị nhiệt làm thay đổi nhưng không nóng chảy) vẫn mỏng.

Hai chế độ. Ở mật độ công suất thấp hơn, laser chỉ làm chảy bề mặt, cho đường hàn nông, nhẵn (chế độ dẫn nhiệt) cho tấm mỏng và mối nối lộ ra. Trên một ngưỡng, nó mở ra lỗ khóa, có thể tạo mối hàn sâu hơn bề rộng đến khoảng mười lần.

Thông số chính

Vật liệu: Thép cacbon và thép không gỉ, nhôm, titan, hợp kim niken; đồng với laser xanh lá hoặc xanh dương hoặc cài đặt đặc biệt; một số loại nhựa
Chi tiết thường gặp: Nóc và cửa ô tô, phôi tailored (tấm có độ dày khác nhau nối trước khi dập), tab pin, bánh răng, vỏ máy tạo nhịp tim
Kích thước chi tiết: Từ lá dưới 0,1 mm đến tấm khoảng 20 mm trong một lượt với công suất cao; chi tiết lớn cỡ thân xe với robot
Độ chính xác: Chùm tia đặt trong khoảng ±0,1 mm; biến dạng rất thấp, nhưng chi tiết phải khớp với khe hở khoảng 0,1 mm hoặc nhỏ hơn
Bề mặt hoàn thiện: Đường hàn hẹp, nhẵn, thường gần như phẳng; ít bắn tóe
Số lượng phù hợp: Loạt lớn có tự động hóa; thiết bị cầm tay nay cũng phục vụ xưởng gia công
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Khoảng 10.000 đô la trở lên cho máy hàn laser sợi cầm tay; vài trăm nghìn đô la trở lên cho cell robot
Tốc độ: Thường 1–10 m đường hàn mỗi phút ở tấm mỏng; đầu quét nhảy giữa các mối hàn trong vài mili giây

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Mối hàn hẹp, sâu với ít nhiệt và biến dạng
Rất nhanh và dễ tự động hóa, kể cả từ xa với gương quét
Hàn từ một phía, không chạm vào chi tiết
Đủ chính xác cho chi tiết y tế và điện tử nhỏ

Hạn chế

Thiết bị đắt và an toàn laser nghiêm ngặt: chùm tia và các phản xạ của nó có thể gây mù
Cần lắp khít chặt: khe hở và lệch gây ra khuyết tật
Kim loại bóng như đồng và nhôm phản xạ phần lớn chùm tia
Làm nguội rất nhanh có thể tạo mối hàn cứng, giòn ở thép cacbon cao

Ứng dụng

Ô tôNóc, cửa, phôi tailored, bánh răng và chi tiết hộp số
Pin và di chuyển điệnTab cell, thanh cái (dải nối dày), vỏ pin
Y tếVỏ máy tạo nhịp tim và implant, dụng cụ phẫu thuật
Điện tửVỏ cảm biến, đầu nối, gói kín
Thiết bị nhà bếpBồn rửa thép không gỉ, tấm và ống thiết bị gia dụng

Cách nhận biết

Đường hàn rất mỏng, đều, thường chỉ rộng 1–2 mm, với các gợn đều, mịn.
Ít hoặc không có màu nhiệt hay cong vênh cạnh đường hàn.
Các hàng chấm nhỏ chồng nhau trên chi tiết nhỏ, tạo bằng laser xung (ví dụ trên thiết bị y tế hoặc trang sức được sửa).

So sánh với

Hàn hồ quang7.1rẻ hơn và dễ dung thứ khe hở hơn, nhưng rộng hơn, nông hơn và nóng hơn, biến dạng nhiều hơn.Hàn chùm tia điện tử7.5mối hàn còn sâu và sạch hơn từ chùm điện tử, nhưng cần buồng chân không.Hàn điểm điện trở7.2chỉ nối các tấm tại các điểm; laser có thể làm các đường hàn liên tục thay thế.

Xem video

Mech Vidya · Nguyên lý lỗ khóa, hoạt hình

Ricky Explains Lasers · Nguồn laser, sợi quang và đầu hàn, được mở ra xem

TRUMPF Inc. · Đầu quét nhảy giữa các mối hàn ở tốc độ cao

TRUMPFtube · Một cell hàn laser trong nhà máy thực tế

Xem ảnh thật

Wikipedia: Hàn chùm tia laser — nguyên lý, chế độ lỗ khóa và dẫn nhiệt, kèm liên kết đến ảnh
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Laser hội tụ tập trung công suất lớn đến mức mở một lỗ khóa hơi và hàn sâu trong một lượt.
Đường hàn hẹp nghĩa là ít nhiệt, ít biến dạng và tốc độ cao.
Cái giá là thiết bị đắt, quy tắc an toàn nghiêm ngặt và chi tiết phải lắp khít với nhau.