Hàn laser: Mối hàn chất lượng cao cho gia công kim loại

Nguyên lý Hàn Laser: Công nghệ và Quy trình

Kỹ thuật Hàn kiểu Lỗ khoan (Keyhole) và Hàn Dẫn nhiệt (Conduction)

Có hai loại hàn laser: kiểu lỗ khoan (keyhole) và dẫn nhiệt (conduction). Hàn kiểu lỗ khoan được thực hiện bằng tia laser có mật độ công suất cao (≥1 MW/cm²), làm nóng chảy và hóa hơi vật liệu của vật hàn; hàn kiểu lỗ khoan có khả năng hàn thấu sâu tới 25mm trong thép, phù hợp với các vật hàn dày. Hàn dẫn nhiệt được thực hiện với mật độ công suất thấp (<0,5 MW/cm²), làm nóng chảy bề mặt rắn hoặc lỏng mà không làm hóa hơi, thích hợp cho các mối hàn ghép nối không khít, các chi tiết mỏng hoặc hàn mép tấm với bề mặt khác.

Tương tác tia với các hợp kim kim loại khác nhau

Các mối hàn laser phụ thuộc vào loại kim loại do sự khác biệt về độ phản xạ và tính chất nhiệt. Độ phản xạ tuyệt vời của nó (85-95% ở bước sóng 1µm) đòi hỏi công suất cao hơn 20-30% so với thép. Do độ dẫn nhiệt thấp của thép không gỉ, cần phải kiểm soát nhiệt độ thích hợp để ngăn chặn sự hình thành carbide chrome. Tia xung cho phép kiểm soát mục tiêu đồng chịu sốc nhiệt cao và titan đòi hỏi phải được bảo vệ bằng khí trơ (argon/helium) để tránh giòn do oxy.

Các thông số quan trọng: Công suất, Tốc độ và Điều khiển xung

Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào việc cân bằng:

• Sức mạnh : 2-6 kW cho phép thâm nhập sâu hơn nhưng có nguy cơ bị cắt lõm.
• Tốc độ : Tốc độ trên 10 m/phút làm giảm nhiệt nhưng đòi hỏi độ tập trung tia chính xác cao hơn.
• Điều khiển xung : Xung ở tần số 50-500 Hz giúp kiểm soát nhiệt trong các mối nối không đồng nhất, đặc biệt quan trọng đối với hợp kim nhôm-liti trong hàng không vũ trụ.

Ưu điểm độ chính xác của hệ thống hàn laser

Khả Năng Hàn Vi Sóng (Độ Chính Xác 0,1mm)

Phương pháp hàn laser tạo ra các mối hàn hẹp đến mức 0,1mm, rất quan trọng đối với các thiết bị y tế cấy ghép và linh kiện điện tử vi mô. Tia hàn (đường kính <0,5mm) tập trung nhiệt độ tại điểm hàn, giữ nguyên tính toàn vẹn của các cụm linh kiện nhạy cảm với nhiệt như vỏ máy tạo nhịp tim. Điều này giúp giảm 60–80% công đoạn gia công sau hàn so với phương pháp hàn TIG.

Giám Sát Thời Gian Thực Thông Qua Cảm Biến Quang Học

Camera tốc độ cao và điốt quang theo dõi động lực học vũng hàn ở tốc độ 20.000 khung hình mỗi giây, phát hiện tức thì hiện tượng rỗ khí hoặc hàn không xuyên thấu. Trong ngành hàng không vũ trụ, điều này giúp giảm tỷ lệ lỗi xuống dưới 0,2% đối với các mối hàn kín cánh tuabin. Các hệ thống tiên tiến còn sử dụng phân tích quang phổ và học máy để dự đoán độ bền mối hàn dựa trên đặc tính của đám mây plasma.

Hàn Laser So Với Các Phương Pháp Hàn Nóng Chảy Truyền Thống

So Sánh Lượng Nhiệt Đầu Vào: Giảm 30-50% Biến Dạng

Hàn laser giảm 60-80% lượng nhiệt đưa vào so với phương pháp hồ quang, với vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hẹp hơn 70%. Các nhà sản xuất ô tô báo cáo giảm 30-50% lỗi sau hàn ở các tấm cửa (Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ, 2018).

Nghiên cứu điển hình: Phân tích thời gian chu kỳ hàn khung xe ô tô

A nghiên cứu 2025 cho thấy hệ thống laser giảm thời gian chu kỳ khung xe từ 45 xuống còn 12 phút. BMW đạt được 2.400 mối hàn trên mỗi xe với độ lặp lại 0,02mm.

Tiết kiệm vật liệu nhờ mối hàn hẹp hơn

Hệ thống laser đạt được đường hàn 0,8mm so với 3mm trong hàn hồ quang, giảm 40% lượng vật liệu hàn phụ. Trong điện tử, điều này nâng cao hiệu suất sử dụng vật liệu từ 78% lên 92%.

Tối ưu hóa độ bền mối hàn bằng laser

Chiến lược tập trung tia cho kim loại dày trên 10mm

Đối với các chi tiết dày, chùm tia dao động cải thiện tỷ lệ độ sâu trên chiều rộng lên 40%. Chiến lược hàn nhiều lớp cho phép hàn nhôm dày 18mm với hiệu suất mối hàn đạt 95%.

Lựa chọn khí bảo vệ cho nhôm và thép không gỉ

Hỗn hợp argon-helium (70/30) giảm độ xốp của nhôm tới 60%. Đối với thép không gỉ, khí bảo vệ bổ sung nitơ (2-4% N₂) làm tăng khả năng chống rỗ.

Khả năng tương thích của xử lý nhiệt sau hàn

Gia nhiệt kiểm soát ở mức 450-600°C giúp giảm ứng suất trong titan trong khi vẫn giữ được 85% độ bền mỏi của kim loại gốc (ASTM E407-22).

Ứng Dụng Và Giải Pháp Cụ Thể Theo Ngành

Hàng không: Hàn các đường ống nhiên liệu bằng titan

Hàn laser đạt độ bền kéo 900MPa trên titan dày 3mm ở tốc độ 8m/phút, giảm 70% yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn so với phương pháp TIG.

Thiết Bị Y Tế: Đảm Bảo Kín Khít Cho Các Bộ Phận Cấy Trồng

Tia laser sợi tạo ra các mối hàn rộng 50µm với độ lặp lại 5µm, đạt được tốc độ rò rỉ dưới 1×10⁻⁹ mbar·L/s cho các vỏ máy tạo nhịp tim.

Ô TÔ: Hàn Khay Pin Cho Xe Điện (EVs)

Tia laser quét hàn các khay nhôm với tốc độ 120mm/ms, giảm biến dạng nhiệt tới 60% và tiết kiệm 18% vật liệu trên mỗi khung xe.

Phần Câu hỏi Thường gặp

Những loại vật liệu nào phù hợp cho việc hàn laser?

Hàn laser hoạt động hiệu quả với nhiều loại kim loại như thép, nhôm, titan và đồng, tuy nhiên độ phản quang và tính chất nhiệt của kim loại có thể ảnh hưởng đến quá trình hàn.

Hàn laser so với các phương pháp truyền thống như thế nào?

Hàn laser mang lại lượng nhiệt đầu vào thấp hơn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp hơn và yêu cầu ít gia công sau hơn so với các phương pháp nóng chảy truyền thống, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu suất.

Khả năng giám sát thời gian thực trong hàn laser là gì?

Các hệ thống tiên tiến được trang bị cảm biến quang học theo dõi động lực học vũng hàn, sử dụng camera tốc độ cao và điốt quang để phát hiện ngay lập tức các khuyết tật.