Đưa ra lựa chọn đúng đắn cho hàn laser
Không còn là điều mới lạ, hàn tia laser đã có một lịch sử lâu đời như một phương pháp nối hiệu quả. Ngày nay, quy trình này đại diện cho một công cụ khác trong hộp công cụ của nhà sản xuất và khi ngành công nghiệp Hoa Kỳ tiếp tục tận dụng các đặc tính hàn độc đáo và khả năng triển khai linh hoạt của laser, nó đã dần dần tìm được chỗ đứng trên nhiều sàn sản xuất hơn.
Phương pháp nối đã phát triển thành một quy trình đã được chứng minh và giống như bất kỳ quy trình sản xuất đã được chứng minh nào, nó phải phù hợp với ứng dụng bằng vật liệu và hình học phù hợp nhất. Và sự trùng khớp này diễn ra càng sớm (có thể là trong giai đoạn tiền sản xuất hoặc lý tưởng nhất là trong quá trình thiết kế sản phẩm thì càng tốt). Nói cách khác, nếu một công ty thiết kế quy trình hàn laser, thì công ty đó sẽ gặt hái được nhiều lợi ích.
Khái niệm cơ bản về triển khai laser
Hầu hết các quy trình laser hàn tự sinh, nghĩa là không có kim loại phụ, với vùng ảnh hưởng nhiệt tối thiểu (HAZ) và nhiệt vừa đủ để làm tan chảy và nung chảy vật liệu. Điều này tạo ra một mối hàn chất lượng cao với sự biến dạng nhiệt tối thiểu. Nhưng hàn tự sinh đòi hỏi sự tiếp xúc mật thiết giữa các bề mặt giao phối. Bởi vì tia laze là một nguồn nhiệt tập trung cao độ, mối nối thường nóng chảy, nóng chảy và nguội đi cực kỳ nhanh chóng. Điều này có nghĩa là quy trình phải hoạt động với vật liệu có thể chịu được sự nguội đi nhanh chóng mà không gây ra các khuyết tật mối hàn, chẳng hạn như nứt.
Việc áp dụng quy trình hàn laser bao gồm bốn cân nhắc chính:
1. Quy trình có khả thi cho ứng dụng không, có thể tạo ra các mối hàn đáp ứng các tiêu chí, có thể là độ bền kéo cụ thể, tính đồng nhất hoặc hình thức trực quan, dựa trên vật liệu chi tiết, hình học và dung sai lắp ghép?
2. Thiết bị laser nào phù hợp nhất cho ứng dụng? Đối với điều này, thông lượng của ứng dụng, đường hàn, phân phối chùm tia và các yêu cầu về độ xuyên thấu có thể là những yếu tố quyết định.
3. Ứng dụng sẽ yêu cầu trạm làm việc nào, bộ phận sẽ được giữ như thế nào và có cần thao tác với nó hoặc laser không? Liệu một hệ thống XY có đủ không, hay nó sẽ yêu cầu chuyển động Z, hoặc chuyển động quay? Về dụng cụ, một hoặc nhiều bộ phận sẽ được giữ cùng một lúc? Trạm làm việc sẽ có loại bao vây nào để chứa quy trình một cách an toàn? Để dỡ và tải, cửa sẽ là thủ công hay tự động? Máy trạm có vỏ bọc kín ánh sáng, được khóa liên hoàn hoàn toàn tuân theo hướng dẫn ANSI (Z126.1), bao gồm nhãn an toàn máy thích hợp không?
4. Hệ thống và quy trình sẽ được xác minh, giám sát và hỗ trợ như thế nào trong quá trình triển khai?
Yếu tố then chốt của tất cả là chọn đúng vật liệu và mang chúng tiếp xúc nhất quán hết lần này đến lần khác. Sau khi hoàn thành việc này, việc chọn tất cả các biến quy trình khác—loại laser và phân phối, dụng cụ, máy trạm, v.v.—trở nên đơn giản.
Hình 4 Công cụ lập mô hình bằng phần mềm (trái) có thể tăng tốc đáng kể quá trình hướng tới thiết kế vật cố định cuối cùng.
Chọn vật liệu
Hình 1 Một hệ thống CO 2 truyền chùm tia qua các gương cố định. Một hệ thống nhiều trục bao gồm một loạt các gương trực giao có thể tịnh tiến hoặc xoay để tạo ra chuyển động
.
Tia laser tạo ra một mối hàn mỏng với HAZ nhỏ, nhưng vật liệu phải có khả năng chịu được quá trình làm mát nhanh. Chu kỳ nhiệt nhanh chóng của quá trình hàn laze có thể tạo ra vấn đề nếu có mặt một số nguyên tố—các nguyên tố hóa rắn ở các điểm nóng chảy khác nhau hoặc tạo thành các cấu trúc giòn bên trong mối hàn và vi cấu trúc HAZ. Một phần triệu giây sau khi hàn laser, một số nguyên tố nhất định có thể hóa rắn sớm hơn, di chuyển về phía ranh giới hạt, dẫn đến giòn và cuối cùng gây nứt trong quá trình làm nguội nhanh hoặc thậm chí sau khi làm nguội.
Bốn yếu tố đáng xem khi lựa chọn vật liệu: carbon, phốt pho, lưu huỳnh và mangan. Thông thường, một vật liệu phải có 0,12% carbon hoặc ít hơn. Một công ty có thể phải chọn từ 303, 304L hoặc 316. Nhiều người có thể chọn 303 vì đặc tính gia công tự do của nó, nhưng hàm lượng carbon cao (0,15 phần trăm) và hàm lượng lưu huỳnh cao gây ra các vấn đề khi hàn laser. Lựa chọn tốt hơn có thể là inox 304, 314L hoặc inox 316. Trong vật liệu không gỉ, chẳng hạn như dòng 304 và 316, tỷ lệ crom-niken thường vượt quá 1,7. Đối với thép carbon, một mối quan hệ quan trọng khác là tỷ lệ mangan so với lưu huỳnh. Mangan làm giảm tác dụng của lưu huỳnh để tạo ra FeS, một hợp chất làm giòn. Thông thường, tỷ lệ Mn-to-S phải lớn hơn 10.
Đối với nhôm, các quy tắc trở nên hơi mờ nhạt do có nhiều loại hợp kim và nguyên tố hợp kim. Nếu có thể, nên chọn hợp kim có các nguyên tố hợp kim tối thiểu. Mặt khác, các thử nghiệm hàn có thể được sử dụng để chứng minh tính khả thi của quy trình.
Chọn hình học chung
Hình 2 Một hệ thống Nd:YAG cung cấp tia laser thông qua sợi quang linh hoạt. Chiều dài của sợi quang thường từ 16 đến 65 feet, cho phép đặt tia laser một cách thuận tiện.
Mối nối đối đầu cung cấp cách hiệu quả nhất để nối hai kim loại cơ bản, vì năng lượng được tập trung trực tiếp xuống đường nối. Nhưng một phần phù hợp có thể đặc biệt quan trọng.
Hai phôi gia công phải tiếp xúc trực tiếp với nhau (được tiếp xúc với nhau trong dung sai nhỏ hơn 100 micron, tùy thuộc vào độ dày), các cạnh vật liệu phải sạch với độ cong và biến dạng tối thiểu, đồng thời chùm tia phải theo dõi chính xác dọc theo đường nối.
Các mối hàn chồng có dung sai dễ chịu nhất, bởi vì diện tích mối nối thực sự lớn bằng chính chiều rộng mối nối. Miễn là tia laser hàn trong phạm vi chiều rộng đó, phản ứng tổng hợp sẽ xảy ra. Nhưng sự định hướng như vậy có thể không hiệu quả, bởi vì tia laser tiêu tốn năng lượng xuyên qua lớp trên cùng để đến được đường nối.
Mối hàn góc là một phương tiện tốt, có khả năng chịu đựng tốt hơn một chút so với mối hàn đối đầu, nhưng không nhiều bằng hình học mối nối, với hiệu quả hàn ở đâu đó ở giữa hai mối hàn.
Thông thường, tia laser có kích thước điểm quang học có đường kính khoảng 0,02 inch; do đó, độ chính xác trong việc căn chỉnh bộ phận và theo dõi chùm tia dọc theo mối nối phải phù hợp với điều này, với dung sai thông thường nằm trong khoảng từ 10 đến 15 phần trăm đường kính chùm tia. Hầu hết các ứng dụng hàn laze thông thường—đặc biệt là các ứng dụng cho máy đo mỏng—sử dụng cấu hình phi lê và xếp chồng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng dụng cụ và dung sai tương đối dễ chịu.
Chọn quy trình Laser
Đối với hầu hết, sự lựa chọn quy trình thường thuộc về ba nguồn laser: CO 2 , sợi quang hoặc Nd:YAG xung. Cả CO 2 và laser sợi quang được phát triển gần đây đều phù hợp với hàn đường xuyên thấu (dày lớn hơn 0,04 inch), mặc dù sợi quang có thể được sử dụng cho một số ứng dụng vi mô. Xét về hiệu suất hàn, laser CO 2 là nguồn tiết kiệm chi phí nhất để xuyên qua các thước đo dày, đặc biệt là thép. Mặc dù laser sợi quang đắt hơn trên mỗi watt, nhưng nó mang lại lợi thế về việc cung cấp sợi quang để dễ tích hợp, giảm chi phí vận hành và cải thiện khả năng hàn nhôm.
Cả hai nguồn laser đều có thể xuyên qua tấm dày và thực hiện hàn lỗ khóa nhanh hơn bất kỳ quy trình nào khác. Do đó, việc lựa chọn phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ, một mối hàn quay đơn giản sẽ ưu tiên CO 2 , nhưng trạm hàn rô-bốt hoặc nhiều trục lại ưu tiên sợi quang. Laser CO 2 vẫn chiếm ưu thế trong các ứng dụng máy đo dày và mỏng tốc độ cao, nhưng do tính đơn giản và dễ bảo trì của chúng, laser sợi quang có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng hàn hơn trong những năm tới.
CO 2 và laser sợi quang hàn với công suất trung bình; một tia laser 5 kW tạo ra 5 kW. Mặt khác, xung Nd:YAG có thể cung cấp xung lên tới 10 kW từ laser 500 W. Khả năng kiểm soát chính xác công suất cực đại, thời lượng xung và hình dạng xung làm cho laser Nd:YAG hiệu quả đối với hàn điểm và hàn đường nối nhiệt đầu vào tối thiểu.
Đó là những xung trong Nd:YAG thực hiện hầu hết công việc, cho phép các tia laser có công suất trung bình rất thấp xuyên qua kim loại. Chẳng hạn, Nd:YAG 25-W có thể xuyên qua 0,030-in. thép và nhôm, nhờ công suất cực đại tương đối cao. Ứng dụng tương tự sẽ yêu cầu ít nhất một tia laser sợi quang hoặc CO 2 sóng liên tục (CW) 1 kW để đạt được độ xuyên thấu như vậy, đặc biệt đối với nhôm.
Nhược điểm của Nd:YAG là không hiệu quả. Đèn flash phát ra các bước sóng khác nhau với mỗi xung, nhưng chỉ một số trong số các bước sóng đó đến được thanh, nguồn của tia laze; phần còn lại tiêu tan dưới dạng nhiệt. Điều này có nghĩa là hiệu suất năng lượng dao động trong khoảng 3% đến 4%, so với 10% đến 12% của CO 2 và 25% đối với laser sợi quang.
Tuy nhiên, đối với hàn đường hàn nhỏ, mịn—như hàn trong ngành điện tử và y tế—Nd:YAG vẫn là quy trình được lựa chọn vì nó chỉ yêu cầu công suất hàn trung bình rất thấp, ít nhiệt đầu vào hơn và chất lượng chùm tia có luôn được cải thiện qua các năm.
Chọn công cụ và máy trạm
Việc kim loại cơ bản được giữ tại chỗ để hàn dễ dàng như thế nào có thể quyết định quy trình laser nào cuối cùng sẽ được đưa vào phân xưởng. Một bộ phận có thể được hàn hiệu quả hơn bằng laser CO 2 chỉ dựa trên tốc độ hàn. Nhưng một phần hình học, thiết lập và cố định cũng nên nhập phương trình. Với hệ thống CO 2 (xem Hình 1 ), các gương phải được căn chỉnh chính xác, cũng như các bộ phận mở rộng chùm tia và ống lồng giữa các gương đó.
Nd:YAG và laser sợi quang cung cấp khả năng truyền chùm tia linh hoạt qua sợi quang, trái ngược với quang học cứng (xem Hình 2 ). Thiết lập ban đầu chỉ yêu cầu bắt vít bộ hiệu ứng cuối vào đầu lấy nét; bản thân tia laser có thể được định vị ở bất kỳ đâu trong máy trạm. Laser Nd:YAG cũng có thể cung cấp các đặc tính “chia sẻ thời gian” hoặc “chia sẻ năng lượng” (xem Hình 3 ). Với một số sợi quang được điều khiển độc lập được kết nối với một nguồn laser duy nhất, hệ thống có thể phân phối toàn bộ năng lượng của tia laser cho các máy trạm khác nhau vào các thời điểm khác nhau hoặc có thể phân chia tổng năng lượng giữa các máy trạm để sử dụng đồng thời. (Laser CO 2 cũng có khả năng này, nhưng điều này một lần nữa có thể gây ra một số phức tạp khi chế tạo quang học cứng.)
Hình 3Với tính năng chia sẻ năng lượng, nhiều đầu hàn chia sẻ một nguồn laser duy nhất. Đối với laser Nd:YAG, việc chia sẻ năng lượng xảy ra bên trong laser, với các cáp quang riêng lẻ dẫn đến các trạm làm việc riêng biệt.
Trong máy trạm, công cụ có thể tạo ra hoặc phá vỡ toàn bộ hệ thống. Không giữ được thì không hàn được. Một số ngành, chẳng hạn như y tế và điện tử, phải sản xuất các bộ phận phức tạp và những bộ phận đó phải có khu vực để chúng có thể được giữ chắc chắn mà không chặn đầu lấy nét laze, bản thân tia laze lấy nét hoặc khí che chắn. Làm thế nào là một phần sẽ được đưa vào máy trạm? Nó sẽ sử dụng dụng cụ cố định, dụng cụ kẹp từ tính, dụng cụ nhả nhanh? Xem xét các công cụ một cách chi tiết có thể loại bỏ các vấn đề lớn trong quá trình thực hiện.
Mô phỏng, Xác minh và Truyền thông
Trong quy trình thiết kế hệ thống, phần mềm mô hình hóa là một công cụ vô giá (xem Hình 4 ) để đảm bảo mọi khía cạnh của thiết kế đều được xem xét và không có gì bị bỏ qua. Nhiều khi những điều đơn giản, chẳng hạn như độ hở của chùm tia hoặc khí tiếp cận với mối hàn, đã bị bỏ sót. Phần mềm tăng tốc quá trình, đồng thời hoạt động như một mạng lưới an toàn. Tuy nhiên, không có gì tuyệt vời hơn khi có các bộ phận thực sự trong tay với các thử nghiệm trực tiếp và chứng minh kỹ thuật hàn laze. Ở giai đoạn này, quá trình trở nên lặp đi lặp lại, liên quan đến việc tinh chỉnh các khái niệm ban đầu.
Giao tiếp giữa tất cả các bên là nền tảng của việc thiết kế, phân phối và lắp đặt hệ thống đúng thời hạn và thành công. Điều cần thiết là các kỹ sư dự án từ người dùng cuối và nhà cung cấp phải duy trì liên lạc thường xuyên để đảm bảo các thay đổi có thể được đáp ứng nhanh chóng và các vấn đề được giải quyết, để không có bất ngờ nào ở lần mua lại cuối cùng.
Giám sát và hỗ trợ
Các hệ thống laser có thể có một số khả năng tự giám sát. Thông thường, tất cả các tia laser đều có phản hồi công suất bên trong để đảm bảo công suất được cung cấp phù hợp với công suất yêu cầu và đồng hồ đo công suất bên ngoài xác minh công suất sau quang học tiêu điểm cuối cùng. Nhiều màn hình hàn laser cũng hiển thị thông tin cơ bản liên quan đến độ lệch của quy trình, nhưng không thể phát hiện đủ thông tin để xác định xem mối hàn có tốt hay không. Các hệ thống khác cung cấp chẩn đoán từ xa, vì vậy các kỹ thuật viên bên ngoài có thể truy cập vào máy và thực hiện khắc phục sự cố. Tuy nhiên, bất kể phương pháp giám sát nào, việc xác minh quy trình tốt nhất liên quan đến việc sử dụng mối hàn được đánh giá chuẩn cho thấy chiều rộng và độ ngấu cho một lịch trình hàn nhất định.
Tất cả các giai đoạn thực hiện hàn laser phải được đánh dấu bằng mối quan hệ làm việc chặt chẽ giữa tất cả các bên. Các công ty không bao giờ nên thực hiện quy trình laser mà không biết rằng có sẵn hỗ trợ kỹ thuật đầy đủ và phù hợp, nội bộ hoặc từ nhà cung cấp đã ký hợp đồng.
Điểm mấu chốt: Bất kể việc triển khai diễn ra tốt đẹp như thế nào, các vấn đề vẫn có thể phát sinh và cần có chuyên môn kỹ thuật để trợ giúp.
Cân nhắc các phương án
Khi triển khai một hệ thống laser, không có yếu tố đơn lẻ nào loại vật liệu, hình học khớp nối và bộ phận, quy trình laser, trạm làm việc, xác minh và hỗ trợ tồn tại trong chân không. Ví dụ, ngay cả khi việc lựa chọn vật liệu không lý tưởng, các yêu cầu về quy trình và hình học khớp nối có thể chứng minh rằng laser vẫn là giải pháp tốt nhất. Một ứng dụng liên quan đến vật liệu được coi là khó hàn, chẳng hạn như thép không gỉ 430, có thể hoạt động với hình dạng mối nối nhỏ, mặc dù hàm lượng carbon cao (trên 0,12%). Ứng dụng đường may nhỏ có thể liên quan đến rất ít nhiệt, tập trung ở một khu vực nhỏ như vậy, nên có thể tránh được việc xử lý nhiệt sau khi hàn hoặc nứt.
Một ví dụ khác, hãy xem xét một công ty đang tìm cách tạo ra mối hàn giáp mép chất lượng cực cao. Loại vật liệu và độ dày có thể hướng ứng dụng tới laser Nd:YAG hoặc laser sợi quang và ban đầu, các kỹ sư có thể chọn laser sợi quang. Tuy nhiên, vì các mối hàn laze sử dụng công suất trung bình nên kích thước điểm của quy trình cần thiết để cung cấp đủ mật độ công suất có thể cần phải cực kỳ nhỏ, có thể là từ 50 đến 100 micrômét. Một chùm mỏng như vậy làm cho công cụ trở thành một thách thức lớn và việc theo dõi đường nối trở nên quan trọng. Công ty sẽ giữ bộ phận như thế nào để chùm tia chạm vào đúng vị trí mọi lúc? Tại đây, các kỹ sư có thể chọn sử dụng Nd:YAG với kích thước điểm hơn 200 micron. Bản thân hàn có nhanh như laser sợi quang không? Có thể không, nhưng tốc độ hàn chẳng là gì nếu bộ phận không thể’
Cuối cùng, đó là việc cân nhắc các yêu cầu về chất lượng và chi phí, đồng thời thiết kế bộ phận sao cho phù hợp với quy trình. Với các yêu cầu về vật liệu và hình học khớp được đặt ra, hầu hết các yếu tố còn lại thường phù hợp.
Công ty Cổ phần Thiết bị và Giải pháp Cơ khí Automech
Trụ sở chính: số 285 đường Phúc Lợi, quận Long Biên, Hà Nội
Chi nhánh Đà Nẵng: lô 11, khu A4 – Nguyễn Sinh Sắc, quận Liên Chiểu, Đà Nẵng
Chi nhánh TP HCM: số 84, đường 10, khu đô thị Vạn Phúc, Hiệp Bình Phước, Thủ Đức
Hotline: 0987 899 347
Website: automech.vn
Fanpage: Automech Life