Nguyên lý của máy hàn trang sức bằng laser là gì?

Máy hàn trang sức bằng laser là thiết bị công nghệ cao sử dụng tia laser làm nguồn nhiệt để nối chính xác các bộ phận kim loại của trang sức. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự tương tác giữa tia laser và vật chất. Cốt lõi là tập trung chính xác một chùm tia laser có mật độ năng lượng cao lên một diện tích rất nhỏ của vật gia công, đạt được việc hàn thông qua quá trình nóng chảy và đông đặc nhanh chóng.
I. Nguyên lý hoạt động cốt lõi: Sự tương tác giữa tia laser và kim loại
Hấp thụ và chuyển đổi năng lượng:
Khi một chùm tia laser có bước sóng cụ thể được chiếu vào bề mặt của kim loại, các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ năng lượng của các photon. Các máy hàn trang sức thường sử dụng laser Nd:YAG xung hoặc laser sợi quang, phát ra ánh sáng hồng ngoại gần (có bước sóng khoảng 1064nm) mà có thể được hấp thụ hiệu quả bởi hầu hết các kim loại trang sức như vàng, bạc, bạch kim và palladium.
Tích tụ nhiệt và nóng chảy:
Các electron đã hấp thụ năng lượng va chạm với mạng tinh thể, chuyển đổi năng lượng thành nhiệt. Trong một khoảng thời gian cực ngắn (thường ở thang miligiây hoặc vi giây), nhiệt độ của kim loại tại điểm tập trung tia laser tăng mạnh, nhanh chóng đạt tới và vượt quá điểm nóng chảy, tạo thành một vũng nóng chảy cục bộ. Do năng lượng laser tập trung cao, vùng ảnh hưởng bởi nhiệt rất nhỏ, và vật liệu xung quanh về cơ bản không bị hư hại do nhiệt.
Đông đặc vũng nóng chảy và liên kết:
Sau khi xung laser kết thúc, nguồn nhiệt biến mất ngay lập tức. Kim loại nóng chảy làm nguội và đông đặc bằng cách dẫn nhiệt nhanh từ ma trận xung quanh. Kim loại trong vùng nóng chảy và kim loại nền hình thành cấu trúc tinh thể chung trong quá trình đông đặc, do đó tạo ra một liên kết luyện kim chắc chắn.
II. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống
Bộ phát laser: Thành phần cốt lõi của hệ thống, có nhiệm vụ tạo ra tia laser. Các thiết bị hiện đại chủ yếu sử dụng laser sợi quang, với các ưu điểm như hiệu suất cao, chất lượng chùm tia tốt và không yêu cầu bảo trì.
Hệ thống dẫn và tập trung ánh sáng: Bao gồm các gương phản xạ, sợi quang và thấu kính tập trung. Chức năng của nó là dẫn và tập trung chính xác tia laser từ bộ phát laser lên chi tiết gia công, tạo ra một điểm sáng có mật độ năng lượng cực cao.
Bàn làm việc và hệ thống định vị: Dùng để cố định và di chuyển chính xác các phôi hoặc đầu laser. Thường được trang bị kính hiển vi, hệ thống camera CCD hoặc đèn căn chỉnh chữ thập để đạt được sự định vị chính xác các điểm hàn.
Hệ thống điều khiển: Sử dụng máy tính tích hợp và phần mềm để thiết lập và điều chỉnh các thông số laser như năng lượng xung, độ rộng xung, tần số và đường hàn, kiểm soát toàn bộ quá trình hàn.
Hệ thống khí bảo vệ: Trong khu vực hàn, khí trơ (như argon) được thổi vào để ngăn kim loại ở nhiệt độ cao phản ứng với oxy trong không khí, giữ cho điểm hàn sáng bóng và sạch sẽ.
III. Quy trình làm việc
Chức năng: Cố định sản phẩm trang sức cần hàn lên bàn làm việc, và căn chỉnh chính xác tiêu điểm laser với vùng hàn bằng hệ thống hình ảnh.
Thiết lập thông số: Dựa trên vật liệu kim loại, độ dày và yêu cầu hàn, thiết lập công suất laser, thời gian xung và tần số phù hợp trong hệ thống điều khiển.
Thả khí bảo vệ: Khởi động đường dẫn khí để đảm bảo khí trơ phủ kín khu vực hàn.
Phóng tia laser: Khởi động thiết bị, tia laser phát ra xung laser theo các thông số đã cài đặt trước, tác động lên bề mặt vật gia công.
Tạo mối hàn: Năng lượng laser làm nóng chảy kim loại ngay lập tức, tạo thành vũng nóng chảy. Khi tia laser ngừng, vũng nóng chảy đông đặc lại, hoàn tất việc hàn một điểm hàn. Bằng cách di chuyển vật gia công hoặc đầu laser, có thể thực hiện hàn điểm liên tục hoặc hàn đường hàn.
IV. Các Đặc điểm Kỹ thuật và Lợi thế Ứng dụng
Gia công không tiếp xúc: Đầu laser không tiếp xúc với vật gia công, loại bỏ ứng suất cơ học. Phù hợp với các chi tiết trang sức tinh tế và nhỏ.
Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ: Năng lượng được tập trung cao, tránh làm nóng toàn bộ chi tiết. Điều này đảm bảo rằng các viên đá quý đã được đính sẵn (đặc biệt là những loại đá quý nhạy cảm với nhiệt như tanzanite và opal, cũng như các vật liệu men) sẽ không bị hư hại do nhiệt.
Độ bền hàn cao: Đây là phương pháp liên kết theo kiểu luyện kim, độ bền của mối hàn gần bằng với độ bền của vật liệu cơ bản.
Độ chính xác cực cao: Đường kính điểm hàn có thể đạt mức micromet, cho phép hàn gần như vô hình và yêu cầu rất ít công đoạn đánh bóng sau đó.
Phạm vi vật liệu áp dụng rộng: Có thể sử dụng để hàn nhiều loại kim loại trang sức thông dụng như vàng K, bạch kim, bạc và hợp kim titan.
Nguyên lý của máy hàn trang sức bằng laser là sử dụng chùm tia laser có mật độ năng lượng cao để đun nóng cục bộ và tức thời kim loại, làm cho nó nóng chảy và đạt được sự liên kết luyện kim. Cốt lõi của công nghệ này nằm ở việc kiểm soát chính xác năng lượng laser, từ đó đạt được hiệu quả hàn chính xác, sạch sẽ và hiệu quả như yêu cầu trong ngành trang sức.