Hàn điểm là phương pháp nối nhanh và tiết kiệm chi phí. Phương pháp này thích hợp để nối các chi tiết dạng tấm mỏng bằng các mối nối chồng không yêu cầu độ kín khí. Có nhiều loại hàn điểm, chẳng hạn như hàn điểm điện trở, hàn điểm hồ quang, hàn điểm bằng keo dán,hàn điểm compositevà hàn điểm laser. Hiện nay, hàn điểm điện trở được sử dụng rộng rãi trong sản xuất. Lấy ngành công nghiệp ô tô làm ví dụ, cần từ 3.000 đến 4.000 điểm hàn trong quá trình lắp ráp các bộ phận thân xe, đòi hỏi từ 250 đến 300 robot, cùng với các hệ thống điều khiển hỗ trợ và các thiết bị phụ trợ khác. Tuy nhiên, hàn điểm điện trở có tính linh hoạt kém. Với sự phát triển kinh tế nhanh chóng, chu kỳ cập nhật hình dạng và cấu trúc hình học của các bộ phận ô tô ngày càng ngắn. Việc nâng cấp các sản phẩm và mẫu mã mới đòi hỏi một loại công nghệ hàn điểm mới hiệu quả và linh hoạt. Do đó, công nghệ hàn điểm laser đang dần trở thành tâm điểm chú ý và được kỳ vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp ô tô. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, hàn điểm laser cũng đang được thử nghiệm như một công nghệ thay thế. Từ lâu, các mối nối chồng của các sản phẩm hàng không vũ trụ thường sử dụng phương pháp tán đinh, liên quan đến nhiều quy trình sản xuất và khối lượng công việc nặng nề. Với việc ứng dụng ngày càng nhiều các vật liệu mới như hợp kim nhôm, hợp kim titan và vật liệu composite, việc áp dụng các công nghệ hàn mới để thay thế các phương pháp nối truyền thống đã trở thành xu hướng chủ đạo. Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả sản xuất mà còn giảm trọng lượng kết cấu và đáp ứng các yêu cầu thiết kế kết cấu mới, điều này có ý nghĩa rất lớn đối với các sản phẩm hàng không vũ trụ. Độ chính xác cao và tính linh hoạt cao của hàn điểm laser mang lại những lợi thế đáng kể trong sản xuất thực tế, đặc biệt là trong ngành hàng không, nơi nó có thể thay thế các quy trình truyền thống như hàn điểm điện trở và tán đinh.
I. Định nghĩa và đặc điểm của hàn điểm bằng laser
Sự định nghĩa
Hàn điểm bằng laser đề cập đến quá trình làm nóng chảy và nối các chi tiết cần hàn bằng cách sử dụng một xung laser đơn (t > 1ms) hoặc một loạt các xung laser tại cùng một vị trí.
Hàn điểm laser về cơ bản tương tự như các quy trình hàn laser khác; điểm khác biệt duy nhất là không có sự dịch chuyển tương đối giữa chùm tia laser và phôi trong quá trình hàn điểm. Hàn điểm laser được chia thành hai loại: hàn dẫn nhiệt và hàn lỗ khóa. Trong hàn điểm dẫn nhiệt, laser chỉ có thể làm nóng chảy kim loại mà không làm bay hơi nó. Phương pháp này phù hợp hơn cho việc hàn các kim loại có độ dày nhỏ hơn 0,5mm, chẳng hạn như hàn điểm laser Nd:YAG các linh kiện điện tử. Trong hàn điểm laser lỗ khóa, laser có thể trực tiếp đi vào bên trong vật liệu thông qua lỗ khóa, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng laser và đạt được độ xuyên sâu lớn hơn. Hàn điểm điện trở truyền thống làm nóng chảy phôi để tạo thành các điểm hàn bằng nhiệt điện trở sinh ra bởi dòng điện, trong khi nguồn nhiệt của hàn điểm laser đến từ bức xạ laser, dẫn đến hình dạng điểm hàn khác biệt đáng kể.
Các thông số điều chỉnh của hàn điểm laser thường bao gồm công suất laser, thời gian hàn điểm và độ lệch tiêu cự. Đối với hàn điểm sử dụng chế độ xung, các thông số còn bao gồm dạng sóng xung, tần số và chu kỳ làm việc. Trong đó, công suất laser chủ yếu ảnh hưởng đến độ sâu xuyên thấu của mối hàn, trong khi thời gian hàn điểm có tác động lớn hơn đến kích thước chiều ngang của mối hàn. Nói chung, thời gian tác động của laser càng dài thì kích thước bề mặt trên và dưới của mối hàn và kích thước bề mặt nóng chảy càng lớn. Thay đổi độ lệch tiêu cự chủ yếu ảnh hưởng đến đường kính điểm và mật độ năng lượng tác động lên bề mặt phôi, do đó có tác động đáng kể đến hình dạng tổng thể của mối hàn.
Đặc trưng
- Với laser làm nguồn nhiệt, hàn điểm mang lại tốc độ cao, độ chính xác cao, lượng nhiệt đầu vào thấp và biến dạng phôi tối thiểu.
- Mức độ tự do trong việc lựa chọn vị trí hàn điểm được cải thiện đáng kể, cho phép hàn điểm ở mọi vị trí và dễ dàng thực hiện.hàn điểm một mặtNhờ đó, sự tự do trong thiết kế sản phẩm được nâng cao đáng kể.
- Hàn điểm bằng laser có yêu cầu thấp về kích thước mối nối chồng. Có rất ít hạn chế đối với các thông số như lượng chồng mối nối và khoảng cách giữa các điểm hàn, và không cần phải xem xét ảnh hưởng của việc đoản mạch dòng điện.
- Đối với việc hàn các tấm có độ dày không đều, các vật liệu khác nhau và các vật liệu đặc biệt (hợp kim nhôm, tấm mạ kẽm), hàn điểm bằng laser cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp hàn điểm truyền thống.
- Nó không yêu cầu nhiều thiết bị phụ trợ, có thể nhanh chóng thích ứng với những thay đổi của sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.
II. Phân tích khuyết tật của hàn điểm laser
Các vết nứt, lỗ rỗ và hiện tượng chảy xệ là những khuyết tật phổ biến nhất trong hàn điểm laser, sẽ được phân tích chi tiết từng loại dưới đây.
1. Các vết nứt
Các vết nứt được chia thành vết nứt bề mặt và vết nứt dọc. Tốc độ gia nhiệt và làm nguội trong quá trình hàn điểm bằng laser rất nhanh, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vùng được gia nhiệt và kim loại xung quanh, dễ gây ra hiện tượng nứt. Sự xuất hiện của vết nứt có liên quan chặt chẽ đến vật liệu; ví dụ, hợp kim nhôm có xu hướng bị nứt cao hơn nhiều trong quá trình hàn điểm bằng laser so với thép không gỉ. Một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn sự hình thành vết nứt là tối ưu hóa dạng sóng xung để kiểm soát tốc độ làm nguội của quá trình đông đặc kim loại và giảm ứng suất bên trong.
2. Lỗ chân lông
Các khuyết tật dạng lỗ rỗng (lỗ xốp) trong mối hàn điểm laser có thể được chia thành lỗ rỗng nhỏ và lỗ rỗng lớn. Lỗ rỗng nhỏ chủ yếu do sự giảm độ hòa tan của hydro trong kim loại lỏng trong quá trình đông đặc kim loại, cũng như sự bay hơi nhanh của kim loại trong lỗ khóa và sự xáo trộn của vũng nóng chảy. Lỗ rỗng lớn chủ yếu do tốc độ làm nguội quá nhanh trong quá trình hàn điểm laser, không đủ thời gian để kim loại xung quanh lỗ khóa lấp đầy. Nói chung, lỗ rỗng nhỏ dễ hình thành trong hàn điểm xung dài, trong khi lỗ rỗng lớn có nhiều khả năng xảy ra trong hàn điểm xung ngắn.
Trong hàn điểm laser, có hai vị trí dễ xuất hiện lỗ rỗ nhất: một là gần vùng nóng chảy ở giữa mối hàn, và vị trí còn lại là ở chân mối hàn. Hình ảnh nóng chảy thu được bằng tia X cho thấy các lỗ rỗ gần vùng nóng chảy chủ yếu do hiện tượng thắt cổ khi lỗ hình chìa khóa đóng lại; đối với các lỗ rỗ ở chân mối hàn, chúng chủ yếu hình thành do sự sụp đổ của lỗ hình chìa khóa do sự biến mất nhanh chóng của tia laser sau khi lỗ hình chìa khóa được tạo thành.
3. Chảy xệ
Hiện tượng võng là một hiện tượng dễ nhận thấy trong hàn điểm laser. Sự võng ở trung tâm bề mặt mối hàn và sự tích tụ kim loại xung quanh nó là do lực phản hồi sinh ra bởi sự bay hơi kim loại đẩy kim loại lỏng lên bề mặt mối hàn. Trong quá trình làm nguội, kim loại tích tụ trên bề mặt đông đặc nhanh chóng và không thể được lấp đầy hoàn toàn. Ngoài ra, sự hao hụt vật liệu do bay hơi kim loại nhanh và bắn tóe cũng là một yếu tố góp phần gây ra hiện tượng võng ở trung tâm. Thời gian xung có tác động đáng kể đến cả sự võng của bề mặt mối hàn và sự hình thành lỗ rỗ. Có thể thu được các mối hàn đạt yêu cầu bằng cách tối ưu hóa dạng sóng và thời gian xung.
4. Ảnh hưởng của mức độ mất nét đến các điểm hàn
Sự thay đổi về lượng lệch tiêu cự ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính điểm hàn và mật độ năng lượng. Khi lượng lệch tiêu cự tăng theo cả hướng âm và dương, điều đó có nghĩa là đường kính điểm hàn tăng và mật độ năng lượng giảm. Trong quá trình hàn điểm bằng laser, có một mối quan hệ tương ứng nhất định giữa đường kính điểm hàn và kích thước lỗ khóa ban đầu được tạo ra bởi tia laser chiếu vào phôi, trong khi mật độ năng lượng quyết định tốc độ giãn nở của vũng nóng chảy. Khi giá trị tuyệt đối của lượng lệch tiêu cự nhỏ, đường kính điểm laser nhỏ, mật độ công suất laser cao và tốc độ giãn nở của vũng nóng chảy điểm hàn nhanh, nhưng đường kính lỗ khóa ban đầu nhỏ. Ngược lại, khi lượng lệch tiêu cự lớn, đường kính lỗ khóa ban đầu lớn, nhưng tốc độ giãn nở của vũng nóng chảy chậm lại và kích thước điểm hàn thu được có thể không lớn. Do đó, trong quá trình thay đổi lượng lệch tiêu cự, hiệu ứng tổng hợp của đường kính điểm hàn và mật độ công suất bề mặt của điểm hàn quyết định kích thước của điểm hàn.
III. Ứng dụng công nghệ hàn điểm bằng laser
Hàn điểm laser có tốc độ cao, độ xuyên sâu lớn, biến dạng tối thiểu và có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc trong điều kiện đặc biệt với thiết bị hàn đơn giản. Ngoài ra, sự xuất hiện của laser xung tần số cao (với tần số cao hơn 40 xung/giây) đã cho phép ứng dụng rộng rãi hàn điểm laser trong việc lắp ráp và hàn các linh kiện siêu nhỏ và nhỏ trong sản xuất tự động hàng loạt. Khi hàn các linh kiện điện tử nhỏ yêu cầu vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ—chẳng hạn như mối nối giữa thủy tinh và kim loại, mối nối trong mạch bán dẫn nhạy nhiệt và mối nối giữa các kim loại khác nhau trong dây dẫn—hàn điểm laser có nhiều ưu điểm hơn so với các quy trình hàn điểm truyền thống (ví dụ: hàn điểm điện trở), với các mối hàn không gây ô nhiễm và chất lượng hàn cao. Hình 6-60 cho thấy một ví dụ ứng dụng của hàn điểm laser trong sản xuất đèn pha ô tô: một laser xung trạng thái rắn 500W tạo ra bốn điểm hàn tương tự với tần số xung rất cao.
Khi thực hiện hàn điểm chính xác cao trên các cấu trúc vi mô bằng năng lượng xung cao, laser Nd:YAG xung có ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế. Trong hầu hết các ứng dụng hàn điểm công nghiệp, người ta thường sử dụng laser trạng thái rắn xung với công suất trung bình 50W và công suất xung > 2kW. Laser có thể tác động trực tiếp lên phôi thông qua sợi quang hoặc các thấu kính hội tụ kết hợp.
Hàn điểm bằng laser có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu. Ví dụ, khi hàn điểm pin Li, sử dụng laser Nd:Công nghệ hàn điểm laser YAGViệc kết nối các kim loại khác nhau hiệu quả hơn so với hàn TIG và hàn điểm điện trở. Đặc biệt, vì sợi quang được sử dụng để truyền tia laser trong quá trình sản xuất, nên việc di chuyển nhanh chóng và linh hoạt giữa các bàn làm việc khác nhau trở nên thuận tiện hơn.
Tóm lại, hàn điểm bằng laser có những đặc điểm sau:
- Khi công suất laser tăng lên, đường kính bề mặt của mối hàn dao động lên xuống, trong khi đường kính của bề mặt nóng chảy và bề mặt dưới tăng chậm. Sự thay đổi về hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn không rõ rệt. Khi thời gian tăng lên, kích thước của mối hàn tăng nhanh, và tốc độ thay đổi đường kính bề mặt nóng chảy lớn hơn tốc độ thay đổi đường kính bề mặt trên và dưới. Sự thay đổi về lượng lệch tiêu cự có tác động đáng kể đến kích thước của mối hàn. Nó trực tiếp làm thay đổi đường kính mối hàn và mật độ công suất laser, và hiệu ứng tổng hợp của hai yếu tố này quyết định kích thước của mối hàn.
- Trong trường hợp xuyên thấu hoàn toàn, sẽ có hiện tượng lõm rõ rệt trên bề mặt mối hàn laser. Khi công suất và thời gian chiếu laser tăng lên, độ sâu lõm trên bề mặt mối hàn cũng tăng lên. Khi thời gian chiếu hoặc khoảng cách giữa các lần chiếu lớn, bề mặt phía dưới cũng có thể xuất hiện vết lõm.
- Khi khoảng cách giữa hai điểm hàn tăng lên, sự biến dạng tổng thể của điểm hàn, hiện tượng võng ở trung tâm và lõm trở nên rõ rệt. Bề mặt nóng chảy co lại, và độ bền giảm nhanh chóng. Hiện nay, trong lĩnh vực hàn điện trở, pin và điện tử, quy trình hàn hai điểm đồng thời được sử dụng phổ biến, thường áp dụng thiết kế với hai nguồn sáng laser.
Thời gian đăng bài: 27/10/2025
