Khái niệm hàn Laser

Hàn laser ( Laser welding/ Laser beam welding) là quá trình hàn nóng chảy ,sử dụng năng lượng của chùm tia ánh sáng đơn sắc hội tụ ở mật độ siêu cao để làm nóng chảy mép hàn và sau khi kết tinh ta được mối hàn .

Đặc điểm của hàn Laser:

+ Ưu điểm:

Thường hàn không cần vật liệu bổ xung.
Có thể hàn liên tục hoặc hàn xung, tốc độ hàn nhanh mà cẫn đảm bảo chất lượng mối hàn.
Hàn được nhiều loại vật liệu kim loại cũng nhu phi kim như chất dẻo ,gốm…
Liên kết hàn có biến dạng cực nhỏ do năng lượng được tập trung, tổn hao năng lượng thấp.
Vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao (tỷ lệ chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đến 10:1).
Tốc độ hàn rất cao và dễ cơ khí hóa ,tự động hóa (CNC).
Có thể hàn 1 lượt với chiều dày vật liệu đến 30 mm.
Có thể hàn tấm rất mỏng đến tấm rất dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh tiêu cự của hệ thống laser.
Có thể hàn các tấm vật liệu kim loại, hợp kim khác nhau.
Có thể hàn trong các điều kiện có từ trường cao.

+Nhược điểm:

Vật liệu có khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùn tia laser và làm giảm hiệu quả hàn
Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rổ khí và bị dòn
Bức xạ nhiệt ,bức xạ tử ngoại ,..lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần thiết bị
Thiết bị đắt tiền.
Đầu tư đào tạo thợ vận hành, cũng như người bao dưỡng thiết bị cao, chi phí sửa chữa là cao do đó cũng hạn chế việc công nghệ này được phổ biến rộng.

Ứng dụng của hàn laser:

Là phương pháp hàn tiến ,rất có triển vọng ,ứng dụng đa dạng
Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo yêu cầu chất lượng cao ,độ chính xác cao như công nghiệp vũ trụ, quân sự, y tế…
Hàn các chi tiết phức tạp: vành bánh răng với thân bánh răng, đồ trang sức, trục bậc, thiết bị chính xác, giáp mối ống,linh kiện điện tử, kim loại màu..

Nguồn phát Laser Nd:YAG

Laser Nd: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet được phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường kích hoạt (gain medium), nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps). Nó có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz

Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+. Nd hay Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan còn Y3Al5O12 là hợp chất của Ytri và nhôm oxit. Nồng độ ion Nd3+ pha thêm thường chiếm khoảng 0.5% đến 2%.

Sơ đồ cấu tạo đơn giản của nguồn phát laser Nd:YAG như sau:
1. Môi trường kích hoạt Tinh thể Nd:YAG
2. Hệ thống gương phản xạ đầu ra
3. Hệ thống gương phản xạ toàn phần
4. Nguồn kích thích ( nguồn bơm )
5. Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể
6. Hệ thống làm mát ( thường là nước )
7. Hệ thống phản xạ ánh sáng
8. Laser ra

Nguồn bơm ở đây có thể là:
Đèn quang học Krypton hoặc Xenon
Laser bán dẫn AlGaAs

Laser Nd:YAG có thể phát ra ở chế độ xung hoặc liên tục tùy thuộc vào tần số kích thích, nếu ta kích thích ở tần số nhỏ thì laser Nd:YAG phát ở chế độ xung, còn khi nguồn kích thích phát tần số cao hoặc liên tục thì Laser sẽ phát ra liên tục.

Ưu điểm của laser Nd:YAG

– Laser ND:YAG có thể phát ở chế đọ xung và chế độ liên tục do đó có thể ứng dụng rộng rãi.
– Công xuất laser ND:YAG có thể lên đến hàng trăm megawwatts.
– Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học.

Khuyết điểm

– Hiệu suất sử dụng năng lượng là thấp thường là dưới 5%
– Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd: YAG không cao

Nguồn laser CO2

Laser CO2 là nguồn phát laser sử dụng hỗn hợp khí chủ yếu là CO2 ( CO2 + He + N2 có thể thêm một ít H2, hơi nước có hoặc không có Xenon ) làm môi trường kích hoạt laser. Trong đó nguồn năng lượng kích thích các điện tử trong hỗn hợp khí ở đây có thể là nguồn DC hoặc AC có tần số biến thiên nằm trong dải sóng radio. Các phân tử Nito trong hỗn hợp khí sẽ nhận các kích thích của điện trường dao động và chuyền các dao động này sang các phân tử CO2 khi chúng va chạm với nhau. Các phân tử CO2 khi nhận được năng lượng dao động tích luy đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ.
Heli trong hỗn hợp giúp làm nghèo hóa mức laser thấp và đảm nhiệm chức năng truyền nhiệt ra thành ống vì Heli có hệ số truyền nhiệt lớn. Điều này sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của ống phóng.
Trong quá trình phóng điện CO2 thường bị phân rã thành Khí CO và O2 điều này làm cho thiết bị giảm dâng tuổi thọ do đó người ta cho thêm hydro hoặc hơi nước để giúp chuyển khi CO sinh ra về dạng khí CO2.

Laser CO2 có bước sóng 10.6 micro mét, nhưng nó cũng phát ra các tia có bước sóng từ 9 đến 11 micro mét. Năng lượng của các nguồn phát laser CO2 có thể từ một vài chục watt đến hàng ngàn Kilowatts hiệu xuất sử dụng năng lượng của nó thường trên 10% cao hơn hầu hết các loại laser thể rắn nhưng thấp hơn nhiều loại laser sử dụng diot.

Tùy từng năng lượng phát mà cấu tạo của các hệ thống laser CO2 là khác nhau.

Đối với laser năng lượng từ vài watt đến vài trăm watts, hệ thống tạo laser CO2 thường được đặt hoàn toàn trong ống kín liền khối. Các hệ thống này có tuổi thọ đến vài ngàn giờ phát. Các hệ thống lớn hơn có cấu tạo phức tạp và ngày càng được cải tiến, nó có thể cung cấp các laser năng lượng đến vài Megawatts như là được sử dụng trong các hệ thống vũ khí.

Ứng dụng của laser CO2

– Cắt các chất liệu nhưa, gỗ, thủy tinh nguồn phát thường có công suất từ 20 đến 200W.
– Cắt các vật liệu kim loại như thép, nhôm, đồng… Nguồn phát hàng chục hoặc hàng trăm kilowatts.
– Khi nhãn, khắc bề mặt
– Laser CO2 cũng được sử dụng trong các hoạt động giải phẫu thẩm mỹ.

Xem thêm: