Những hạn chế của máy hàn laser là gì?

Máy hàn laser là một loại thiết bị gia công sử dụng các tia laser có mật độ năng lượng cao để thực hiện việc nối các vật liệu. Với năng lượng tập trung, lượng nhiệt đầu vào có thể kiểm soát và hình dạng mối hàn ổn định, chúng được sử dụng rộng rãi để nối các bộ phận kết cấu kim loại và các bộ phận chính xác. Trong ứng dụng thực tế, hàn laser mang lại những ưu điểm đáng kể nhưng cũng tồn tại một số hạn chế nhất định.

I. Ưu điểm của hàn laser
1. Mật độ năng lượng cao

Tia laser có mật độ công suất cao, có thể tạo ra vũng nóng chảy tức thời trong một khu vực nhỏ để đạt được hàn ngấu sâu hoặc hàn dẫn nhiệt. Phương pháp này phù hợp với các chi tiết yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt vùng ảnh hưởng nhiệt.

2. Nhiệt lượng truyền vào thấp và biến dạng nhỏ

Hàn laser có tổng nhiệt lượng truyền vào thấp và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hẹp, giảm biến dạng của chi tiết, phù hợp với các bộ phận thành mỏng và chi tiết chính xác.

3. Tốc độ hàn cao

Hàn laser mang lại tốc độ hàn cao, phù hợp với các dây chuyền sản xuất tự động và nâng cao hiệu suất sản xuất.

4. Chất lượng hàn cao

Đường hàn hẹp, có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng cao và độ ngấu đồng đều, đáp ứng yêu cầu của các mối hàn độ bền cao.

5. Xử lý không tiếp xúc

Đầu hàn không cần tiếp xúc với chi tiết trong quá trình hàn, phù hợp với các cấu trúc phức tạp hoặc mối hàn khó tiếp cận.

II. Hạn chế của máy hàn laser
1. Yêu cầu cao về độ chính xác lắp ráp

Tia laser có kích thước điểm nhỏ và nhạy cảm với khe hàn, độ chính xác định vị và dung sai kích thước. Khe hở quá lớn có thể gây ra hiện tượng hồ quang không ổn định, không ngấu hoặc sụp hàn.

2. Nhạy cảm với điều kiện bề mặt vật liệu

Vật liệu có độ phản xạ cao (như đồng, nhôm, vàng và bạc) có khả năng hấp thụ tia laser hồng ngoại thấp, dễ gây phản xạ và không đủ năng lượng ghép nối. Dầu mỡ và lớp oxit trên bề mặt cũng ảnh hưởng đến độ ổn định khi hàn.

3. Chi phí thiết bị cao

Nguồn laser, các thành phần quang học và hệ thống làm mát đều đắt tiền. Chi phí bảo trì và thay thế các bộ phận quang học cao hơn so với thiết bị hàn truyền thống.

4. Yêu cầu cao về môi trường làm việc

Các hệ thống laser yêu cầu môi trường nhiệt độ ổn định và phải tránh bụi, sương dầu xâm nhập vào đường truyền quang. Các máy công suất lớn cần hệ thống làm mát bằng nước và nguồn điện ổn định.

5. Yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn bảo vệ

Bức xạ laser, tia bắn tung tóe và ánh sáng phản xạ tiềm ẩn nguy cơ rủi ro. Người vận hành phải đeo kính bảo hộ và sử dụng buồng che chắn hoặc màn an toàn quang học.

6. Kiểm tra mối hàn khó khăn

Hàn xuyên thấu sâu tạo ra các mối hàn hẹp và sâu khiến các khuyết tật bên trong—như rỗ khí, co ngót và hàn không ngập cạnh—khó phát hiện bằng mắt thường. Cần phải thực hiện kiểm tra không phá hủy bằng tia X hoặc siêu âm.

7. Hạn chế trong hàn tấm dày

Đối với vật liệu vượt quá độ dày nhất định, hàn một lớp không thể đạt được độ ngậm đầy đủ. Có thể cần hàn nhiều lớp hoặc hàn hỗn hợp laser - hồ quang.

8. Dễ nứt ở một số loại vật liệu nhất định

Thép cacbon cao, thép tôi và gang dễ bị nứt nóng hoặc nứt nguội trong quá trình hàn laser. Cần phải gia nhiệt trước, kiểm soát làm nguội hoặc điều chỉnh dạng sóng.

III. Vật liệu áp dụng và các hạn chế về vật liệu
Vật liệu áp dụng:

1. Thép không gỉ

2. Thép carbon

3. Nhôm và hợp kim nhôm

4. Đồng và hợp kim đồng

5. Hợp kim nền niken

6. Hợp kim titan

7. Vật liệu tấm kim loại mỏng

Những hạn chế về mặt vật chất:

1. Vật liệu có độ phản xạ cao (đồng, nhôm) yêu cầu laser xanh/lục hoặc mật độ công suất cao hơn.

2. Thép cacbon cao và gang dẻo cần được gia nhiệt trước hoặc hàn điều khiển dạng sóng.

3. Vật liệu phi kim (nhựa, gốm) yêu cầu các loại laser khác nhau (như laser CO₂ hoặc laser picosecond).

IV. Các tình huống ứng dụng điển hình của hàn laser

1. Chế tạo chính xác: hàn linh kiện điện tử, hàn kín cảm biến, hàn chấu pin lithium.

2. Sản xuất ô tô: hàn cấu trúc thân xe, hàn thép cường độ cao, hàn vỏ pin.

3. Hàng không vũ trụ: hàn các chi tiết thành mỏng từ hợp kim nền niken và hợp kim titan.

4. Thiết bị y tế: hàn các dụng cụ vi mô bằng thép không gỉ và titan.

5. Sản xuất đồ kim khí: dụng cụ nhà bếp, vỏ kim loại, tay cầm và các bộ phận tấm mỏng khác.

6. Ngành công nghiệp năng lượng mới: hàn các thành phần dẫn điện đồng–nhôm, hàn lá stato động cơ.

V. Yêu cầu về môi trường làm việc

1. Nhiệt độ trong nhà ổn định (thông thường từ 15–30°C)

2. Độ ẩm vừa phải để tránh ngưng tụ

3. Không khí sạch, không bụi và sương dầu

4. Nguồn điện ổn định, không dao động điện áp

5. Hệ thống làm mát để duy trì nhiệt độ laser và đầu hàn

6. Khu vực an toàn laser với thiết bị bảo hộ phù hợp

Các máy hàn laser mang lại tốc độ cao, độ chính xác cao, vùng ảnh hưởng nhiệt thấp và phù hợp với tự động hóa. Chúng hỗ trợ nhiều loại vật liệu kim loại khác nhau và hiệu quả trong các ứng dụng hàn yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi độ chính xác lắp ráp cao, điều kiện vật liệu cụ thể và thông số môi trường được kiểm soát chặt chẽ, đồng thời có chi phí thiết bị và bảo trì cao hơn. Một số vật liệu có xu hướng nứt hoặc gặp vấn đề về ghép nối năng lượng. Trên thực tế, cần lựa chọn loại laser và quy trình hàn phù hợp dựa trên đặc tính vật liệu, cấu trúc chi tiết, độ dày và yêu cầu sản xuất