Hướng dẫn cơ bản về hàn laser

Cơ bản về hàn laser

Hàn laser là một quá trình không tiếp xúc, đòi hỏi phải tiếp cận vùng hàn từ một phía của bộ phận được hàn.

• Mối hàn được hình thành khi ánh sáng laser mạnh làm nóng vật liệu nhanh chóng - thường được tính bằng mili giây.

• Thông thường có ba loại mối hàn:

– Chế độ dẫn điện.

– Chế độ dẫn điện/thâm nhập.

– Chế độ xuyên thấu hoặc chế độ lỗ khóa.

• Hàn chế độ dẫn điện được thực hiện ở mật độ năng lượng thấp tạo thành mối hàn nông và rộng.

• Chế độ dẫn/thâm nhập xảy ra ở mật độ năng lượng trung bình và có khả năng thâm nhập cao hơn chế độ dẫn.

• Chế độ hàn xuyên thấu hoặc hàn lỗ khóa được đặc trưng bởi các mối hàn sâu và hẹp.

– Ở chế độ này, ánh sáng laser tạo thành một sợi vật liệu bay hơi được gọi là “lỗ khóa” kéo dài vào vật liệu và tạo đường dẫn để ánh sáng laser được truyền hiệu quả vào vật liệu.

– Việc truyền năng lượng trực tiếp vào vật liệu không dựa vào sự dẫn nhiệt để đạt được độ thâm nhập, do đó giảm thiểu nhiệt truyền vào vật liệu và giảm vùng ảnh hưởng nhiệt.

Hàn dẫn điện

• Nối dẫn mô tả một nhóm các quá trình trong đó chùm tia laser được tập trung:

– Để cung cấp mật độ công suất theo thứ tự 10³ Wmm⁻²

– Làm nóng chảy vật liệu để tạo thành mối nối mà không làm bay hơi đáng kể.

• Hàn dẫn điện có hai chế độ:

– Làm nóng trực tiếp

– Truyền năng lượng.

Nhiệt trực tiếp

• Trong quá trình đun nóng trực tiếp,

– dòng nhiệt được điều chỉnh theo nguyên lý dẫn nhiệt cổ điển từ nguồn nhiệt bề mặt và mối hàn được thực hiện bằng cách làm nóng chảy một phần vật liệu cơ bản.

• Các mối hàn dẫn điện đầu tiên được thực hiện vào đầu những năm 1960, sử dụng ruby xung công suất thấp và CO2 tia laser cho đầu nối dây.

• Có thể thực hiện mối hàn dẫn điện trên nhiều loại kim loại và hợp kim dưới dạng dây và tấm mỏng với nhiều cấu hình khác nhau bằng cách sử dụng.

– CO2 , Nd:YAG và laser diode với mức công suất vào khoảng hàng chục watt.

– Làm nóng trực tiếp bằng CO2 Tia laser cũng có thể được sử dụng để hàn chồng và hàn đối đầu trong các tấm polyme.

Hàn truyền động

• Hàn truyền dẫn là phương pháp hiệu quả để nối các polyme truyền bức xạ hồng ngoại gần của tia laser Nd:YAG và diode.

• Năng lượng được hấp thụ thông qua các phương pháp hấp thụ giao diện mới.

• Vật liệu composite có thể được ghép nối với nhau nếu tính chất nhiệt của vật liệu nền và vật liệu gia cường tương tự nhau.

• Chế độ truyền năng lượng của hàn dẫn được sử dụng với các vật liệu truyền bức xạ hồng ngoại gần, đặc biệt là polyme.

• Mực hấp thụ được đặt tại giao diện của mối hàn chồng. Mực hấp thụ năng lượng chùm tia laser, được dẫn vào một độ dày giới hạn của vật liệu xung quanh để tạo thành một lớp màng giao diện nóng chảy đông cứng lại thành mối hàn.

• Có thể tạo mối ghép chồng dày mà không làm tan chảy bề mặt ngoài của mối ghép.

• Có thể thực hiện mối hàn đối đầu bằng cách hướng năng lượng về phía đường mối hàn theo một góc xuyên qua vật liệu ở một bên của mối hàn hoặc từ một đầu nếu vật liệu có khả năng truyền nhiệt cao.

Hàn và hàn bằng tia laser

• Trong quá trình hàn và hàn bằng laser, chùm tia được sử dụng để làm nóng chảy chất độn bổ sung, làm ướt các cạnh của mối nối mà không làm nóng chảy vật liệu cơ bản.

• Hàn laser bắt đầu trở nên phổ biến vào đầu những năm 1980 để nối các đầu dây của linh kiện điện tử qua các lỗ trên bảng mạch in. Các thông số quy trình được xác định bởi các đặc tính vật liệu.

Hàn Laser thâm nhập

• Ở mật độ công suất cao, tất cả vật liệu sẽ bốc hơi nếu năng lượng có thể được hấp thụ. Do đó, khi hàn theo cách này, lỗ thường được hình thành do bốc hơi.

• "Lỗ" này sau đó được xuyên qua vật liệu với các bức tường nóng chảy được bịt kín phía sau nó.

• Kết quả là cái được gọi là "mối hàn lỗ khóa". Mối hàn này được đặc trưng bởi vùng hàn song song và chiều rộng hẹp.

Hiệu quả hàn laser

• Một thuật ngữ để định nghĩa khái niệm hiệu quả này được gọi là "hiệu quả kết hợp".

• Hiệu suất nối không phải là hiệu suất thực sự vì nó có đơn vị là (mm2 nối/kJ cung cấp).

– Hiệu suất = Vt/P (nghịch đảo của năng lượng riêng trong quá trình cắt) trong đó V = tốc độ di chuyển, mm/giây; t = độ dày hàn, mm; P = công suất tới, KW.

Tham gia hiệu quả

• Giá trị hiệu suất ghép nối càng cao thì năng lượng tiêu tốn cho việc gia nhiệt không cần thiết càng ít.

– Vùng ảnh hưởng nhiệt thấp (HAZ).

– Độ méo tiếng thấp hơn.

• Hàn điện trở hiệu quả nhất về mặt này vì năng lượng nóng chảy và HAZ chỉ được tạo ra ở giao diện điện trở cao cần hàn.

• Tia laser và chùm electron cũng có hiệu suất tốt và mật độ công suất cao.

Biến thể quy trình

• Hàn laser tăng cường hồ quang.

– Hồ quang từ mỏ hàn TIG gắn gần điểm tương tác của chùm tia laser sẽ tự động khóa vào điểm nóng do tia laser tạo ra.

– Nhiệt độ cần thiết cho hiện tượng này là khoảng 300°C cao hơn nhiệt độ xung quanh.

– Hiệu ứng này có thể là làm ổn định hồ quang không ổn định do tốc độ di chuyển ngang của nó hoặc làm giảm điện trở của hồ quang ổn định.

– Việc khóa chỉ xảy ra đối với các hồ quang có dòng điện thấp và do đó tia catốt chậm; nghĩa là đối với dòng điện nhỏ hơn 80A.

– Hồ quang nằm cùng phía với phôi và tia laser cho phép tăng gấp đôi tốc độ hàn nhưng lại tăng nhẹ chi phí vốn.

• Hàn Laser chùm tia đôi

– Nếu sử dụng đồng thời hai chùm tia laser thì có thể kiểm soát được hình dạng vũng hàn và hình dạng mối hàn.

– Sử dụng hai chùm tia điện tử, lỗ khóa có thể được ổn định, tạo ra ít sóng hơn trên vũng hàn và tạo ra khả năng thâm nhập và hình dạng mối hàn tốt hơn.

– Một chất kích thích và CO2 Sự kết hợp chùm tia laser cho thấy khả năng ghép nối được cải thiện khi hàn các vật liệu có độ phản xạ cao như nhôm hoặc đồng.

– Sự kết hợp tăng cường chủ yếu được xem xét là do:

• thay đổi khả năng phản xạ bằng cách tạo gợn sóng trên bề mặt do excimer gây ra.

• một hiệu ứng thứ cấp xuất hiện từ sự kết hợp thông qua plasma được tạo ra bởi excimer.