Ứng dụng Laser trong công nghệ hàn

Ứng dụng của Laser trong công nghệ hàn là phương pháp gia công tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt là chế tạo chi tiết máy có yêu cầu chất lượng, độ chính xác và năng suất cao hoặc hàn các vật liệu không dẫn điện như phi kim, chất dẻo, gốm...



      Hàn laser là quá trình hàn nóng chảy, sử dụng năng lượng của chùm tia sáng đơn sắc ở mật độ siêu cao để làm nóng chảy mép hàn và sau khi kết tinh ta được mối hàn. Hàn laser được thực hiện theo nguyên lý: Nguồn phát laser tạo ra tia laser, khuếch đại các tia sáng đơn sắc, gắn kết các tia sáng với độ phân kỳ thấp. Nguồn phát laser có các bộ phận chính: Môi trường hoạt hoá laser, nguồn kích động, hệ thống gương cộng hưởng quang học



Hình 1.  Nguyên lý hoạt động
      Môi trường hoạt hoá laser bao gồm: các nguyên tử, các ion, các phân tử hoặc các tinh thể, nó tạo thành một hệ thống vật lý lượng tử. Đặc trưng của hệ thống là có các mức năng lượng khác nhau trong sự cân băng nhiệt động lực học. Sự hấp thụ năng lượng của vật liệu là nguyên nhân thay đổi mật độ năng lượng của chùm tia laser. Nguồn kích động sẽ làm cho môi trường hoạt hoá laser phát xạ các. Photon, các photon này có thể khuếch tán theo hướng bất kỳ. Tuy nhiên chỉ có những phôton với bước sóng xác định mới được hệ thống cho qua, còn các phôton khác sẽ tiếp tục bị phản xạ,hấp thụ hay khuếch đại trong buồng cho đến khi nó có thông số phù hợp mới được đi ra khỏi hệ thống.
Trong thực tế có nhiều loại laser khác nhau,mỗi loại có những bước sóng và màu sắc nhất định.có loại bằng mắt thường ta có thể nhìn thấy,có loại chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường (trường hợp laser có bước sóng thuộc vùng tia cực tím-UV, hoặc tia hồng ngoại-IR).
     Rất nhiều các nguyên tử,phân tử hay ion có thể được hoạt hoá để phát ra ánh sáng laser:
     Laser eximer: ArF,KrF,XeCl
     Laser thể rắn: Ruby, Nd-YAG, Nd-Glass(Nd-thuỷ tinh)
     Laser thể dẫn hay Laser Điốt: GaAs, AaAIAS
    Laserthể khí:  CO2,HeNe, Ar
Các loai laser này khác nhau ở bước sóng và cường độ phát xạ. Do đó phạm vi ứng dụng của chúng cũng khác nhau. Những loại laser dùng trong công nghệ chế tạo là: CO2, laser Nd-YAG, laser điốt bước sóng.

Hình 2. Cấu tạo vùng hàn laser
      Nguyên lý hàn laser: Khi laser đập vào bề mặt vật liệu,phần lớn năng lượng thâm nhập vào vật liệu chuyển thành nhiệt năng và làm nóng chảy vật liệu.sau khi chùm tia đi qua thì vât liệu kết tinh tạo thành mối hàn. Do nhiệt độ của laser rất cao nên môt phần kim loại bị hoá hơi và thoát ra khỏi vùng nóng chảy. Một phần hơi kim loại và khí bảo vệ phân tách thành các ion và các điện tử tự do tạo thành một vùng khí plasma. Tại vũng hàn, không chỉ có bức xạ nhiệt mà còn có bức xạ tử ngoại. Tuỳ thuộc vào mật độ năng lượng và công suất của nguồn sáng laser mà mức độ nóng chảy của vật liệu sẽ khác nhau. Tuy nhiên nếu mật độ năng lượng quá cao sẽ làm bay hơi nhiều kim loại và đó là điều không mong muốn.
Hàn laser có những ưu điểm: Hàn có hoặc không cần vật liệu bổ sung, có thể hàn liên tục hoăc hàn bổ sung (hàn từng sung một) và hàn các vât liệu không dẫn điện như phi kim, chất dẻo, gốm.
     Liên kết có biến dạng cực nhỏ do năng lượng đường nhỏ,tổn hao năng lượng thấp. Vùng ảnh hưởng cực nhỏ và bề rộng và bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao. Tốc độ hàn rất cao và dễ cơ khí hoá, tự động hoá (CNC). Ngoài ra có thể hàn một lượt với chiều dày vật liệu đến 30 mm và hàn tấm rất mỏng đến tấm rất dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh tiêu cự của hệ thống laser. Năng suất hàn rất cao, chất lượng mối hàn rất tốt.



Hình 3. Một số ứng dụng hàn laser trong công nghệ hàn bánh răng và hàn trục
      Tuy nhiên công nghệ hàn laser này còn hạn chế: Phải sử dụng khí bảo vệ tia laser không có chức năng  bảo vệ  vũng hàn. Các bề mặt cần hàn phải được ép sát vào nhau bằng lực ép. Nguồn hàn bị giới hạn công suất (do hạn chế của công nghệ chế tạo thiết bị). Vật liệu có  khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùm tia laser và làm giảm hiệu quả của hàn. Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rỗ khí và bị giòn, bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại… lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần.