Lịch sử phát triển của hàn laser

Phương pháp hàn cho các chi tiết siêu nhỏ và nhỏ: Hàn laser là một phương pháp hàn hiệu quả và chính xác, sử dụng chùm tia laser có mật độ năng lượng cao làm nguồn nhiệt. Đây là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ gia công vật liệu bằng laser. Vào những năm 1970, nó chủ yếu được sử dụng để hàn các vật liệu thành mỏng và hàn tốc độ thấp, và quá trình hàn thuộc loại dẫn nhiệt. Cụ thể, bức xạ laser làm nóng bề mặt của phôi, và nhiệt trên bề mặt khuếch tán vào bên trong thông qua dẫn nhiệt. Bằng cách kiểm soát các thông số như độ rộng, năng lượng, công suất đỉnh và tần số lặp lại của xung laser, phôi được làm nóng chảy để tạo thành một vũng nóng chảy cụ thể. Nhờ những ưu điểm độc đáo của nó, nó đã được ứng dụng thành công vào việc...Hàn chính xác các chi tiết siêu nhỏ và nhỏ.Công nghệ hàn laser của Trung Quốc thuộc hàng tiên tiến nhất thế giới. Nước này sở hữu công nghệ và khả năng tạo hình các chi tiết hợp kim titan phức tạp có diện tích hơn 12 mét vuông bằng laser, và đã được ứng dụng trong việc chế tạo nguyên mẫu và sản phẩm của nhiều dự án nghiên cứu hàng không trong nước. Tháng 10 năm 2013, một chuyên gia hàn của Trung Quốc đã giành được giải thưởng Brook, giải thưởng học thuật cao nhất trong lĩnh vực hàn, khẳng định trình độ hàn laser đẳng cấp thế giới của Trung Quốc.

## Lịch sử phát triển Tia laser đầu tiên trên thế giới được tạo ra vào năm 1960 bằng cách kích thích tinh thể hồng ngọc bằng đèn flash. Do giới hạn về khả năng chịu nhiệt của tinh thể, nó chỉ có thể tạo ra các chùm tia xung rất ngắn với tần số thấp. Mặc dù năng lượng đỉnh của xung tức thời có thể đạt tới 10^6 watt, nhưng nó vẫn thuộc loại công suất thấp. Một thanh tinh thể neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG), với neodymium (Nd) làm phần tử kích thích, có thể tạo ra một chùm tia laser đơn bước sóng liên tục với công suất từ ​​1-8KW. Laser YAG, với bước sóng 1,06μm, có thể được kết nối với đầu xử lý laser thông qua sợi quang mềm, mang lại khả năng bố trí thiết bị linh hoạt và phù hợp để hàn các chi tiết có độ dày từ 0,5-6mm. Laser CO₂, sử dụng carbon dioxide làm chất kích thích (với bước sóng 10,6μm), có thể đạt công suất đầu ra lên đến 25KW và thực hiện hàn xuyên thấu một lần các tấm dày 2mm. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong gia công kim loại trong ngành công nghiệp. Vào giữa những năm 1980, hàn laser, như một công nghệ mới, đã thu hút sự chú ý rộng rãi ở châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản. Năm 1985, ThyssenKrupp Steel AG (Đức) và Volkswagen AG (Đức) đã hợp tác để áp dụng thành công tấm phôi hàn laser đầu tiên trên thế giới vào thân xe Audi 100. Vào những năm 1990, các nhà sản xuất ô tô lớn ở châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản bắt đầu sử dụng rộng rãi công nghệ tấm phôi hàn laser trong sản xuất thân xe ô tô. Kinh nghiệm thực tiễn từ cả các phòng thí nghiệm và các nhà sản xuất ô tô đã chứng minh rằng tấm phôi hàn laser có thể được áp dụng thành công trong sản xuất thân xe ô tô. Hàn laser tùy chỉnh sử dụng năng lượng laser để tự động ghép nối và hàn nhiều loại thép, thép không gỉ, hợp kim nhôm, v.v., với các vật liệu, độ dày và lớp phủ khác nhau thành một tấm, thanh định hình hoặc tấm ghép liền khối. Điều này đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất vật liệu khác nhau của các bộ phận, và đạt được thiết bị có trọng lượng nhẹ nhất, cấu trúc tối ưu và hiệu suất tốt nhất. Tại các nước phát triển như châu Âu và Hoa Kỳ,hàn laserCông nghệ hàn laser không chỉ được sử dụng trong ngành sản xuất thiết bị vận tải mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xây dựng, cầu đường, sản xuất tấm hàn thiết bị gia dụng và hàn tấm thép trong dây chuyền cán (nối tấm trong quá trình cán liên tục). Các doanh nghiệp hàn laser nổi tiếng thế giới bao gồm Soudonic (Thụy Sĩ), Tập đoàn ArcelorMittal (Pháp), ThyssenKrupp TWB (Đức), Servo-Robot (Canada) và Precitec (Đức). Việc ứng dụng công nghệ hàn laser phôi tại Trung Quốc mới chỉ bắt đầu. Vào ngày 25 tháng 10 năm 2002, dây chuyền sản xuất thương mại chuyên nghiệp đầu tiên của Trung Quốc về hàn laser phôi đã chính thức đi vào hoạt động. Dây chuyền này được giới thiệu bởi Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding thuộc ThyssenKrupp TWB (Đức). Sau đó, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. và các doanh nghiệp khác lần lượt đưa vào sản xuất. Năm 2003, nước ngoài đã thực hiện thành công việc hàn dây hàn laser CO₂ chùm tia kép vàHàn dây hàn laser YAGCông nghệ này được ứng dụng cho cấu trúc tấm vách dưới bằng hợp kim nhôm A318. Nó đã thay thế cấu trúc tán đinh truyền thống, giảm trọng lượng thân máy bay 20% và tiết kiệm 20% chi phí. Ông Gong Shuili tin rằng công nghệ hàn laser sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và nâng cấp ngành công nghiệp sản xuất hàng không truyền thống của Trung Quốc. Ông ngay lập tức đăng ký một số dự án nghiên cứu sơ bộ liên quan, thành lập một nhóm nghiên cứu và đi đầu trong việc đưa công nghệ “hàn laser hai chùm tia” vào các dự án nghiên cứu ở Trung Quốc. Ngay từ đầu, ông đã lên kế hoạch ứng dụng công nghệ này vào sản xuất máy bay. Nhóm chuyên gia Trung Quốc đã báo cáo công nghệ sơ bộ cho một viện thiết kế máy bay và quảng bá những ưu điểm và tính khả thi của hàn laser hai chùm tia. Sau nhiều lần xác minh và đánh giá, viện thiết kế đã quyết định áp dụng công nghệ này vào sản xuất các tấm vách có gân cho một loại máy bay nhất định, đạt được mục tiêu ban đầu là ứng dụng công nghệ “hàn laser hai chùm tia” vào sản xuất máy bay. Công ty đã đột phá các công nghệ then chốt như điều khiển chính xác dây hàn laser cho hợp kim nhẹ, phát triển thiết bị hàn lai dây hàn laser hai chùm tích hợp và tiên tiến, thiết lập nền tảng hàn dây hàn laser hai chùm công suất cao đầu tiên của Trung Quốc, thực hiện hàn đồng bộ hai chùm và hai mặt các mối nối chữ T trong các cấu trúc thành mỏng lớn, và lần đầu tiên ứng dụng thành công vào sản xuất hàn các bộ phận cấu trúc quan trọng của tấm vách sườn máy bay, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển máy bay thế hệ mới của Trung Quốc. Năm 2003, bộ thiết bị hàn dải trực tuyến quy mô lớn đầu tiên trong nước do HG Laser cung cấp đã vượt qua nghiệm thu. Thiết bị này tích hợp cắt laser, hàn và xử lý nhiệt, đưa HG Laser trở thành một trong bốn doanh nghiệp trên thế giới có khả năng sản xuất thiết bị như vậy. Năm 2004, dự án “Công nghệ và thiết bị cắt, hàn laser công suất cao và xử lý cắt-hàn kết hợp” của HG Laser Farley Laserlab đã giành giải Nhì Giải thưởng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ Quốc gia, đưa công ty trở thành doanh nghiệp laser duy nhất tại Trung Quốc có khả năng nghiên cứu và phát triển công nghệ và thiết bị này. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp laser, thị trường đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với công nghệ gia công laser. Công nghệ laser đã dần chuyển từ ứng dụng đơn lẻ sang ứng dụng đa dạng. Về gia công laser, nó không còn giới hạn ở việc cắt hoặc hàn đơn lẻ. Nhu cầu thị trường đối với thiết bị gia công laser tích hợp kết hợp cắt và hàn đang tăng lên, và do đó, thiết bị cắt và hàn laser tích hợp đã xuất hiện. HG Laser Farley Laserlab đã phát triển máy cắt và hàn tích hợp Walc9030, với khổ siêu lớn 9×3 mét, hiện là thiết bị cắt và hàn laser tích hợp khổ lớn nhất thế giới. Walc9030 là thiết bị cắt và hàn khổ lớn tích hợp...chức năng cắt laser và hàn laserMáy được trang bị đầu cắt chuyên nghiệp và đầu hàn, hai đầu gia công này dùng chung một chùm tia. Công nghệ điều khiển số đảm bảo chúng không gây nhiễu lẫn nhau. Thiết bị có thể hoàn thành đồng thời hai quy trình yêu cầu cắt và hàn. Nó có thể chuyển đổi tự do giữa cắt trước rồi hàn, hoặc hàn trước rồi cắt, thực hiện cả chức năng cắt và hàn laser chỉ với một thiết bị mà không cần thiết bị bổ sung. Điều này giúp tiết kiệm chi phí thiết bị cho các nhà sản xuất ứng dụng, nâng cao hiệu quả và phạm vi gia công. Hơn nữa, nhờ sự tích hợp giữa cắt và hàn, độ chính xác gia công được đảm bảo hoàn toàn, hiệu suất thiết bị hiệu quả và ổn định. Ngoài ra, nó đã khắc phục được khó khăn do biến dạng nhiệt của tấm trong quá trình hàn tùy chỉnh các tấm siêu lớn và thực hiện ổn định các đường dẫn quang học bay siêu dài. Nó có thể hàn hai tấm phẳng dài 6 mét và rộng 1,5 mét cùng một lúc, và bề mặt hàn nhẵn và phẳng mà không cần xử lý sau bổ sung. Đồng thời, nó có thể cắt các tấm có chiều rộng 3 mét, chiều dài hơn 6 mét và độ dày dưới 20mm trong một quy trình tạo hình mà không cần định vị lại. Viện Tự động hóa Thẩm Dương, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã tiến hành hợp tác quốc tế với Tập đoàn IHI (Nhật Bản). Theo chiến lược phát triển khoa học và công nghệ quốc gia “giới thiệu, tiếp thu, ứng dụng và đổi mới”, viện đã vượt qua được một số công nghệ then chốt.hàn laserVào tháng 9 năm 2006, công ty đã phát triển dây chuyền sản xuất hàn laser tùy chỉnh hoàn chỉnh đầu tiên của Trung Quốc và thành công trong việc phát triển hệ thống hàn laser robot, thực hiện hàn laser các bề mặt phẳng và đường cong trong không gian. Tháng 10 năm 2013, một chuyên gia hàn người Trung Quốc đã giành được Giải thưởng Brook, giải thưởng học thuật cao nhất trong lĩnh vực hàn. Viện Hàn (TWI, Anh) đề cử và giới thiệu các ứng viên hàng năm từ hơn 4.000 đơn vị thành viên tại hơn 120 quốc gia, và cuối cùng trao giải thưởng này cho một chuyên gia để ghi nhận những đóng góp xuất sắc của họ cho khoa học và công nghệ hàn hoặc nối và ứng dụng công nghiệp của nó. Giải thưởng này không chỉ là sự ghi nhận đối với ông Gong Shuili và nhóm của ông mà còn là sự khẳng định vai trò của AVIC trong việc thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ nối vật liệu.

## Thông số cấu trúc

### Thiết bị hoạt động Nó bao gồm một bộ dao động quang học và một môi trường được đặt giữa các gương ở hai đầu của khoang dao động. Khi môi trường được kích thích đến trạng thái năng lượng cao, nó bắt đầu tạo ra các sóng ánh sáng đồng pha, phản xạ qua lại giữa các gương ở hai đầu, tạo thành hiệu ứng nối tiếp quang điện. Điều này khuếch đại các sóng ánh sáng, và khi thu được đủ năng lượng, tia laser sẽ được phát ra. Laser cũng có thể được định nghĩa là một thiết bị chuyển đổi các nguồn năng lượng sơ cấp như năng lượng điện, năng lượng hóa học, năng lượng nhiệt, năng lượng ánh sáng hoặc năng lượng hạt nhân thành các chùm bức xạ điện từ có tần số quang học cụ thể (tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại). Sự chuyển đổi này có thể dễ dàng được thực hiện trong một số môi trường rắn, lỏng hoặc khí nhất định. Khi các môi trường này được kích thích dưới dạng nguyên tử hoặc phân tử, chúng tạo ra một chùm ánh sáng có pha gần như nhau và gần như một bước sóng duy nhất - đó là laser. Do tính chất đồng pha và bước sóng đơn, góc phân kỳ rất nhỏ, và nó có thể được truyền đi một khoảng cách dài trước khi được tập trung cao độ để thực hiện các chức năng như hàn, cắt và xử lý nhiệt. ### Phân loại Laser Có hai loại laser chính được sử dụng trong hàn, đó là laser CO₂ và laser Nd:YAG. Cả laser CO₂ và laser Nd:YAG đều là ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy được bằng mắt thường. Tia laser Nd:YAG chủ yếu là ánh sáng cận hồng ngoại với bước sóng 1,06μm. Các chất dẫn nhiệt có tỷ lệ hấp thụ ánh sáng bước sóng này tương đối cao, và đối với hầu hết các kim loại, độ phản xạ là 20%-30%. Tia cận hồng ngoại có thể được hội tụ đến đường kính 0,25mm bằng cách sử dụng các thấu kính quang học tiêu chuẩn. Tia laser CO₂ là ánh sáng hồng ngoại xa với bước sóng 10,6μm. Hầu hết các kim loại có độ phản xạ từ 80%-90% đối với loại ánh sáng này, vì vậy cần có các thấu kính quang học đặc biệt để hội tụ tia đến đường kính 0,75-1,0mm. Công suất của laser Nd:YAG thường đạt khoảng 4.000-6.000W, và công suất tối đa hiện nay đã đạt 10.000W. Ngược lại, công suất của laser CO₂ có thể dễ dàng đạt 20.000W hoặc thậm chí cao hơn. Laser CO₂ công suất cao giải quyết vấn đề phản xạ cao thông qua hiệu ứng lỗ khóa. Khi bề mặt vật liệu bị chiếu xạ bởi điểm sáng tan chảy, một lỗ khóa được hình thành. Lỗ khóa này chứa đầy hơi nước, giống như một vật thể đen, hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của ánh sáng tới. Nhiệt độ cân bằng bên trong lỗ khóa đạt khoảng 25.000°C, và độ phản xạ giảm nhanh chóng trong vòng vài micro giây. Mặc dù trọng tâm phát triển của laser CO₂ vẫn tập trung vào phát triển thiết bị và nghiên cứu, nhưng hiện nay không còn là việc tăng công suất đầu ra tối đa, mà là làm thế nào để cải thiện chất lượng chùm tia và hiệu suất hội tụ của nó. Ngoài ra, khi sử dụng argon làm khí bảo vệ cho hàn laser CO₂ với công suất trên 10kW, nó thường tạo ra plasma mạnh, làm giảm độ sâu xuyên thấu. Do đó, heli, không tạo ra plasma, thường được sử dụng làm khí bảo vệ cho hàn laser CO₂ công suất cao. Việc ứng dụng các tổ hợp laser diode để kích thích tinh thể Nd:YAG công suất cao là một chủ đề nghiên cứu và phát triển quan trọng, sẽ cải thiện đáng kể chất lượng chùm tia laser và tạo ra quy trình xử lý laser hiệu quả hơn. Việc sử dụng mảng diode trực tiếp để kích thích và phát ra laser trong vùng cận hồng ngoại đã đạt được công suất trung bình 1kW và hiệu suất chuyển đổi quang điện gần 50%. Các diode cũng có tuổi thọ cao hơn (10.000 giờ), giúp giảm chi phí bảo trì thiết bị laser. Sự phát triển của thiết bị laser trạng thái rắn bơm diode (DPSSL) cũng đang được đẩy mạnh.