Hàn Laser: Nguyên tắc, đặc điểm và khía cạnh an toàn

Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: - 1. Giới thiệu về Hàn Laser 2. Nguyên tắc và cơ chế của Hàn Laser 3. Thiết lập và thiết bị Ruby Laser 4. Hoạt động 5. Thông số quy trình 6. Đặc điểm hàn 7. Thiết kế hàn 9. Biến thể 10. Tự động hóa 11. Các khía cạnh an toàn.

Giới thiệu về Hàn Laser:

Laser (khuếch đại ánh sáng bởi sự phát xạ kích thích của bức xạ) có lẽ là sự bổ sung mới nhất cho gia đình các quá trình hàn ngày càng phát triển. Các tia laser có tính định hướng cao, mạnh, đơn sắc (của một bước sóng) và tức là kết hợp, tất cả các sóng đều cùng pha. Một chùm tia như vậy có thể được tập trung vào một điểm rất nhỏ cho mật độ năng lượng rất cao có thể đạt tới 10 ⁹ W / mm ² .

Do đó, một chùm tia laser có thể làm tan chảy hoặc bay hơi bất kỳ vật liệu nào được biết đến, như chùm tia điện tử. Có ba loại laser cơ bản viz., Laser trạng thái rắn, laser khí và laser bán dẫn. Loại laser phụ thuộc vào nguồn phát.

Các laser trạng thái rắn sử dụng các tinh thể như ruby, sapphire và một số tinh thể pha tạp nhân tạo như thanh garnet nhôm yttri pha tạp neodymium (Nd-YAG). Laser trạng thái rắn là laser thành công đầu tiên và thật dễ dàng để giải thích cơ chế phát laser của một loại laser như vậy, ví dụ, laser ruby.

Nguyên lý và cơ chế của hàn Laser:

Chức năng của laser là khuếch đại ánh sáng. Ánh sáng thông thường không thể được sử dụng làm ánh sáng laser vì năng lượng bức xạ từ nguồn sáng thông thường không nhất quán và phân bố trên một dải phổ rộng, và các nguồn đơn màu đơn sắc không tồn tại. Do các bước sóng biến thể của các màu khác nhau tạo thành ánh sáng thông thường, không thể đối chiếu nó với một tiêu điểm sắc nét mà không làm giảm cường độ.

Do đó, đối với hoạt động của nó, tia laser phụ thuộc vào sự phát xạ của bức xạ được kích thích hoặc gây ra bởi sự hấp thụ năng lượng điện từ, hoặc các hạt năng lượng gọi là photon, bởi các nguyên tử. Khi năng lượng này được hấp thụ, các electron trong nguyên tử tăng spin và mở rộng quỹ đạo của chúng khiến các nguyên tử đi vào trạng thái kích thích.

Trạng thái kích thích này tồn tại trong thời gian ngắn và nguyên tử ngay lập tức rơi trở lại mức trung gian hoặc trạng thái siêu bền. Trong lần thả lại này, nguyên tử mất năng lượng nhiệt nhưng vẫn giữ lại năng lượng photon. Ngay sau khi nguyên tử rơi xuống một cách tự nhiên và ngẫu nhiên trở lại trạng thái cơ bản giải phóng năng lượng photon, hay năng lượng lượng tử, dưới dạng ánh sáng như được mô tả trong hình 14, 17. Điều này tự động giảm trở lại mức năng lượng ban đầu, mà không bị kích thích để làm như vậy, được gọi là phát xạ tự phát.

Chừng nào một nguyên tử tồn tại ở trạng thái kích thích, nó có thể được cảm ứng hoặc kích thích để phát ra một photon bởi một sóng photon bên ngoài có năng lượng chính xác bằng năng lượng của photon được giải phóng bởi nguyên tử trong trường hợp phát xạ tự phát. Đây là những gì được gọi là phát xạ bức xạ gây ra hoặc kích thích.

Kết quả là sóng tới được khuếch đại bởi sóng phát ra từ nguyên tử bị kích thích. Để tạo ra chùm tia laser, điều cần thiết là sóng phát ra phải cùng pha với sóng gây ra nó. Bằng cách này, laser có thể chuyển đổi ánh sáng điện, nhiệt hoặc năng lượng hóa học thành bức xạ đơn sắc, kết hợp trong vùng cực tím, nhìn thấy hoặc hồng ngoại của phổ điện từ.

Trong số các laser trạng thái rắn được sử dụng cho mục đích công nghiệp, vật liệu phát laser thường khá là ruby. Ruby là oxit nhôm trong đó khoảng 0-05% là nguyên tử crom. Các nguyên tử crom không chỉ cung cấp các ion hoạt động cho hoạt động của tia laser mà còn tạo cho ruby ​​màu đỏ đặc trưng của nó. Các ion crom phát ra ánh sáng đỏ khi bị kích thích bởi ánh sáng xanh. Để hành động laser diễn ra, quá trình phát xạ kích thích phải xảy ra thường xuyên hơn quá trình hấp thụ photon đối nghịch. Theo lý thuyết lượng tử, xác suất của hai quá trình này xảy ra chỉ phụ thuộc vào dân số tương đối của mức năng lượng liên quan theo tỷ lệ của Boltzmann.

N ₂ / N ₁ = exp E ₁ - E ₂ / kT. (14.3)

Ở đâu,

N ₁ = Số nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn E _1,

N ₂ = Số nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn E _2,

T = Nhiệt độ tuyệt đối,

k = hằng số của Boltzmann.

Phát xạ laser thu được khi mức trên được xác định bằng chi phí của mức thấp hơn. Một tình huống như vậy được gọi là đảo ngược dân số và phương pháp để đạt được điều này được gọi là BƠM. Laser trạng thái rắn được bơm quang học bằng ống flash.

Hàng tỷ nguyên tử, phân tử hoặc ion của môi trường hoạt động hấp thụ năng lượng khi được bơm, chúng tồn tại trong một thời gian rất ngắn nhưng ngẫu nhiên, khi hết thời gian sống, chúng từ bỏ năng lượng dưới dạng một photon và trở về trạng thái cũ trạng thái cho đến khi được bơm lại. Các photon được giải phóng di chuyển theo mọi hướng liên quan đến trục quang của laser.

Nếu một photon va chạm với một nguyên tử năng lượng khác, v.v., nó khiến nó giải phóng photon sớm và hai photon sẽ truyền cùng pha cho đến khi va chạm tiếp theo. Các photon không truyền song song với trục quang của laser sẽ nhanh chóng bị mất khỏi hệ thống.

Những người di chuyển song song với trục có chiều dài đường đi của họ được mở rộng đáng kể bởi phản hồi quang được cung cấp bởi các gương, trước khi rời khoang laser qua gương truyền một phần. Hành động này giúp thu được chùm ánh sáng kết hợp rất cao của mức công suất cần thiết.

Beam Power và Mode:

Mật độ công suất trên đường kính của chùm đầu ra laser không đồng nhất và phụ thuộc vào môi trường hoạt động của laser, kích thước bên trong của nó, thiết kế phản hồi quang và hệ thống kích thích được sử dụng. Cấu hình mặt cắt ngang của chùm tia laser, cho thấy sự phân bố công suất của nó, được gọi là chế độ điện từ ngang (TEM). Nhiều TEM khác nhau có thể được thiết kế và mỗi loại được đánh giá bằng một số.

Nói chung, số càng cao thì càng khó tập trung chùm tia laser vào một điểm tốt để đạt được mật độ năng lượng cao, điều này rất quan trọng khi hàn laser. Laser với TEM ₀₀, TEM ₁₀, TEM ₁₁, TEM ₁₁ và TEM ₂₀ và thường được sử dụng kết hợp các chế độ này. Hình 14, 17 (A) cho thấy các hình dạng cơ bản của cấu hình công suất chùm của các chế độ này. Một số laser tạo ra một số chế độ khác nhau và chúng thường được gọi là có hoạt động đa chế độ.

Thiết bị Ruby Laser và Thiết lập Hàn Laser:

Thiết bị Ruby-laser bao gồm cơ bản là đầu laser và nguồn điện. Hình 14, 18 cho thấy một sơ đồ của laser như vậy. Nó bao gồm một thanh ruby ​​có đường kính khoảng 5-15 mm và chiều dài khoảng 100 đến 200 mm. Đường kính và chiều dài của thanh ruby ​​quyết định sức mạnh của phát xạ laser.

Các đầu của nó được đánh bóng thành các căn hộ quang học và sau đó được mạ bạc để có được bề mặt phản xạ 100% ở một đầu và 90-98% phản chiếu ở đầu kia cung cấp đầu ra chùm tia laser. Khoảng cách giữa hai đầu phản xạ cung cấp khoang cộng hưởng ở tần số mà khoảng cách là một số nguyên của một nửa bước sóng.

Các bề mặt phản chiếu được sản xuất bởi một trong hai loại lớp phủ. Một loại lớp phủ được sản xuất bằng cách lắng đọng một lớp kim loại mỏng như nhôm, bạc hoặc vàng. Tuy nhiên, một lớp phủ kim loại như vậy có thể bị cháy khi sử dụng và do đó làm mất chất lượng phản chiếu của nó.

Một lớp phủ phản chiếu hiệu suất cao hơn có thể được tạo ra bằng cách phủ các đầu của vật liệu phát quang bằng một số màng không dẫn điện, tạo ra gương điện môi. Gương điện môi phụ thuộc vào sự giao thoa giữa các sóng ánh sáng được phản chiếu bởi các màng đa lớp, bao gồm chủ yếu là sunfua và florua.

Thanh ruby ​​được đánh bóng được đặt ở trung tâm của đầu laser và được đặt trong một ống thủy tinh trong suốt. Khí nitơ lạnh được lưu thông trên bề mặt của thanh ruby ​​và chảy ra ngoài bằng một đường dẫn trở lại bên ngoài ống thủy tinh. Giữa ống thủy tinh và ống đèn flash là ống thủy tinh hai mặt được sơ tán để cung cấp tấm chắn chân không.

Ống chân không hai thành có chứa nitơ lỏng cung cấp nguồn khí lạnh thu được từ một ống cách điện đến đầu laser. Ống chân không ngăn dòng nhiệt từ ống flash đến thanh ruby ​​nhưng việc truyền ánh sáng không bị ảnh hưởng nhiều.

Một lớp vỏ bên ngoài trong một vỏ hình trụ phản xạ hình elip kép được cung cấp để bao quanh toàn bộ tổ hợp để cung cấp lượng ánh sáng tối đa cho thanh ruby ​​như trong hình 14.19. Một bộ triệt được cung cấp để ngăn chặn sự phát sáng giữa đèn flash Xenon và lớp vỏ bên ngoài. Đèn flash hiệu quả nhất khi ấm. Do đó, để giữ ấm và đồng thời ngăn chặn sự phát sinh do độ ẩm, không khí nóng được lưu thông liên tục qua đèn flash.

Hệ thống cung cấp năng lượng của đơn vị hàn laser bao gồm đơn vị năng lượng cho ống đèn flash, màn trập hoạt động bằng điện từ và máy biến áp chiếu sáng trên băng ghế và đầu laser. Các đèn flash được cung cấp năng lượng với nguồn cung cấp 18 KV. Mạch ống flash chứa các cuộn dây có thể điều chỉnh để thay đổi thời gian phóng điện, từ đó thay đổi thời gian của xung ánh sáng được bắn bởi ống flash.

Để bơm laser ruby ​​thường sử dụng ống flash Xenon bao gồm một bóng đèn được chế tạo từ thạch anh trong suốt quang học có chứa hai điện cực vonfram. Khi đèn tắt, áp suất bên trong bóng đèn là 10 bầu không khí. Nguồn cho đèn Xenon được cung cấp bởi nguồn dc với điện áp không tải ít nhất 70 volt và đặc tính volt-ampere giảm xuống.

Đèn flash Xenon có thể được vận hành liên tục trong hàng trăm giờ với tốc độ hàng nghìn lần nhấp nháy mỗi giây. Một nguồn flash đơn cực mạnh có thể có công suất lên tới hàng chục triệu công suất nến cực đại và nguồn sáng hồ quang ngắn có thể có thời lượng flash ngắn tới 1 siêu.sec (một micro giây). Bằng cách vận hành theo cách này, đèn trở thành một thiết bị hiệu quả để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng, đó là quá trình bơm laser.

Vì ánh sáng laser hầu như đơn sắc, về cơ bản là chuẩn trực và kết hợp, nên dễ dàng tập trung nó bằng các thiết bị quang học thường được sử dụng như lăng kính và thấu kính. Tuy nhiên, chùm tia cũng được tập trung bởi các thấu kính halogen và hệ thống gương.

Laser được phân loại là laser công suất thấp (10KW).

Hoạt động của hàn Laser:

Tia laser ruby ​​được bơm bởi Xenon hoặc ống flash Krypton. Khi ống đèn flash chiếu sáng que, hầu hết các nguyên tử crom được chuyển sang trạng thái kích thích. Hành động laser xảy ra trong thanh ruby ​​khi hơn một nửa số nguyên tử crom đã được bơm lên mức năng lượng cao hoặc trạng thái siêu bền gây ra sự đảo ngược dân số. Hành động laser bắt đầu nếu một nguyên tử bị kích thích tự phát ra một photon dọc theo trục của thanh ruby.

Photon này sẽ kích thích một nguyên tử bị kích thích khác phát ra một photon thứ hai (hoặc cảm ứng). Quá trình này tiếp tục tích lũy vì các photon được phản xạ từ đầu que và đi qua khoang cộng hưởng liên tục tạo thành một mặt sóng. Kết quả của nhiều phản xạ từ cả hai đầu của thanh ruby, năng lượng chùm tia được xây dựng đến một mức độ lớn.

Nếu cường độ ánh sáng từ ống đèn flash vượt quá một số mức tới hạn, thì hành động phát sáng diễn ra và một chùm photon mạnh có bước sóng 6943A được phát ra trong vài phần nghìn giây. Các chùm tia laser đầu ra có tính định hướng cao, mạnh mẽ, đơn sắc và kết hợp.

Mật độ năng lượng của chùm sáng tại vị trí của thấu kính được đưa ra theo phương trình:

ρ = E / Viêu từ .. (144)

Ở đâu,

= mật độ năng lượng,

E = năng lượng chùm tia,

V = khối lượng tiêu điểm.

Khối lượng lấy nét cho một chùm tia laser rất nhỏ. Do đó, mật độ năng lượng của chùm tia như vậy ở tiêu điểm có thể rất cao đạt tới 10 ⁷ W / cm ² . Thời lượng của một xung laser là ngắn, ở mức ^10-9 giây.

Trong hàn laser, điều quan trọng là các xung có thời gian tối đa và khoảng cách tối thiểu, nghĩa là tần số lặp lại xung cao (PRF). Tuy nhiên, laser ruby ​​có hiệu suất thấp và một phần chính của năng lượng bơm được chuyển thành nhiệt. Điều đó làm cho thanh ruby ​​rất nóng và do đó ống flash không thể hoạt động chính xác ở PRF cao.

Điều này đòi hỏi phải rút càng nhiều nhiệt được tạo ra bởi bơm quang càng tốt; ví dụ, đối với laser trạng thái rắn có công suất trung bình 400W, hệ thống làm mát phải loại bỏ khoảng 15 KW nhiệt thải. Do đó, PRF và sản lượng điện của laser bị giới hạn bởi hệ thống làm mát của chúng. Hiệu quả của laser ruby ​​rất thấp; khoảng 0-1%. Tuy nhiên, nguồn cảm hứng của thực tế này, laser ruby ​​được sử dụng rộng rãi như là công cụ hàn.

Với laser hàn hiện có, PRF có thể dao động trong khoảng từ 1 đến 100 mỗi phút. Vùng thâm nhập bởi một xung laser là một phần nhỏ của mm. Đây là lý do tại sao các laser như vậy được sử dụng phổ biến hơn để chỉ kết nối tại chỗ.

Do PRF thấp và công suất thấp, các laser không thể, tuy nhiên, vie với quy trình EBW có khả năng tạo ra các mối hàn xuyên rất hẹp và sâu trong các kim loại nặng. Tuy nhiên, hàn chùm tia laser so với hàn chùm tia điện tử thì linh hoạt hơn vì nó có thể hàn các kim loại trong không khí, trong lá chắn khí và thậm chí trong chân không. Ngoài ra, một chùm tia laser có thể hàn xuyên qua các vật liệu trong suốt vì chúng không cản trở sự đi qua của ánh sáng laser.

Phần lớn ánh sáng từ tia laser đi qua các cạnh của thanh ruby ​​và không trở thành một phần của chùm tia laser. Cảm hứng về hiệu quả cực kỳ thấp, những tổn thất năng lượng này có thể chấp nhận được vì điểm ánh sáng tập trung từ tia laser có cường độ gấp hàng triệu lần so với ánh sáng từ đèn flash bắt đầu hành động phát sáng và mạnh hơn nhiều lần so với ánh sáng của bước sóng đó phát ra từ một diện tích tương đương của bề mặt mặt trời.

Ánh sáng laser phát ra từ thanh ruby ​​có hình dạng phù hợp và hướng vào công việc bằng một hệ thống quang học bao gồm lăng kính, thấu kính và thấu kính phụ kiện. Một số ống kính phụ kiện có thể được bao gồm, nếu cần, trong hệ thống quang học để tập trung chùm tia tới một điểm có đường kính 0-25 đến 0-05 mm. Mật độ năng lượng tại điểm tập trung cao đến mức bất kỳ vật liệu đã biết nào cũng có thể bị nóng chảy, bay hơi hoặc hàn bằng chùm tia laser tập trung như vậy.

Một chùm tia laser bị phản xạ một phần hoặc bị lệch bởi các bề mặt kim loại mịn trong khi chùm tia điện tử thì không. Khi một phần đáng kể của chùm tia laser bị phản xạ, nó có thể ức chế sự truyền năng lượng vào phôi. Tuy nhiên, khi mật độ năng lượng của chùm tia laser tập trung vượt quá 10 KW / mm ^2, sự thay đổi rõ rệt về tỷ lệ năng lượng được hấp thụ bởi bề mặt diễn ra như trong hình 14.20.

Khi mức ngưỡng này vượt quá mức truyền năng lượng được cải thiện diễn ra và chùm tia laser gây ra loại xuyên thấu lỗ khóa. Sự cải thiện trong việc truyền năng lượng này có liên quan đến sự phát triển của plasma trên bề mặt làm việc. Mặc dù đây là một lợi thế ở giai đoạn ban đầu, việc tạo ra plasma quá mức trên bể hàn cuối cùng trở thành một trở ngại cho chùm tia.

Để tạo ra các hạt có hình dạng mịn, điều cần thiết là phải bảo vệ hồ hàn bằng một ít khí trơ và helium được tìm thấy để phục vụ mục đích tốt nhất.

Hàn với chùm tia laser không thực sự khả thi dưới mức công suất 1, 5 kw; trong khi trên mức này, khả năng thâm nhập tối đa là khoảng 2 mm / kw.

Thông số quy trình cho hàn Laser:

Lựa chọn các tham số quá trình dựa trên ba yếu tố viz.:

(i) Số lượng tụ điện và điện áp tương ứng để đạt được mức đầu vào năng lượng mong muốn, dựa trên mối quan hệ,

E = 1 / 2CV ² Điên ... (14-5)

Ở đâu,

C = điện dung

V = điện áp

(iii) Lựa chọn đúng quang học để kiểm soát kích thước và hình dạng của điểm chùm tia,

(iii) Lựa chọn tiêu điểm chùm tia trên hoặc trên bề mặt phôi.

Số lượng tụ điện được sử dụng để đạt được mức năng lượng mong muốn là một xem xét quan trọng. Tăng số lượng tụ điện trong mạch dẫn đến thời gian chu kỳ xung dài hơn với công suất giảm của chùm xung.

Để có được một mối hàn âm thanh xuyên thấu hoàn toàn mà không cần cắt, điều mong muốn là:

(i) Công suất chùm tia laser phải đủ để làm nóng chảy kim loại nhưng không đủ cao để làm bay hơi nó ở tốc độ hàn đã chọn,

(ii) Thời gian chu kỳ xung đủ dài để nhiệt được truyền qua độ dày của vật liệu.

Một yếu tố khác là vị trí của tiêu điểm của chùm tia đối với bề mặt phôi. Sự thâm nhập tối đa xảy ra khi chùm tia được tập trung một chút bên dưới bề mặt. Sự thâm nhập ít hơn khi chùm tia tập trung trên bề mặt hoặc sâu bên trong phôi. Độ sâu thâm nhập tăng khi tăng công suất chùm tia.

Đặc điểm hàn cho hàn Laser:

Hàn laser đã được sử dụng để sản xuất các khớp kim loại tương tự và không giống nhau với thép, đồng, niken, thép không gỉ, hợp kim nhôm, hợp kim cơ sở sắt-niken, titan và các kim loại và hợp kim chịu lửa.

Do đầu vào năng lượng cụ thể rất thấp cho công việc, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và thiệt hại nhiệt đối với vật liệu tiếp giáp với mối hàn được giảm thiểu. Độ xốp của rễ đã được quan sát thấy ở một số loại thép đóng tàu và điều này được coi là do tốc độ không đạt yêu cầu so với tỷ lệ công suất chùm tia.

Độ xốp của rễ trong các mối hàn kép có liên quan đến sự phát triển của khí và không đủ thời gian để loại bỏ nó. Độ dẻo phù hợp đã được chứng minh, bằng thử nghiệm uốn cong bên, trong hầu hết các mối hàn trong các loại thép này. Các mối hàn laser xuyên sâu tự phát thể hiện các tính chất cơ học so sánh thuận lợi với hàn hồ quang thông thường sử dụng kim loại phụ.

Quá trình tinh chế kim loại hàn xảy ra trong một số điều kiện nhất định trong quá trình hàn thép do sự hấp thụ của chùm tia bằng các vùi phi kim loại trong kim loại dẫn đến sự hóa hơi và loại bỏ chúng. Quan sát tinh lọc vùng nhiệt hạch trong quá trình hàn laser của một số hợp kim cơ sở kim loại khác nhau cho thấy đây có thể là một đặc điểm độc đáo của sự thâm nhập sâu, hàn laser tự sinh.

Kiểm tra kim loại của các mối hàn thép cũng cho thấy sự giảm hàm lượng bao gồm được coi là nguyên nhân làm tăng năng lượng thềm than và kích thước hạt tương đối thô và do đó nhiệt độ chuyển tiếp cao.

Trong số các hợp kim cấu trúc thường được sử dụng, hợp kim nhôm đã được chứng minh là khó hàn nhất do sự phản xạ bề mặt ban đầu cao và sự hình thành độ xốp tương tự như trong hàn hồ quang.

Các nghiên cứu về hàn thép chống ăn mòn và hợp kim titan đã chỉ ra rằng các khớp chất lượng cao có thể được chế tạo trên tấm dày 0-1 đến 2 mm. Các mối hàn được kín chân không và có 90% cường độ của kim loại gốc. Tốc độ hàn được sử dụng cho các mối hàn như vậy là 17-25 cm / phút.

Thiết kế hàn cho hàn Laser:

Các thiết kế chung và sự phù hợp được sử dụng trong hàn laser thường tương tự như các thiết kế được sử dụng cho hàn chùm điện tử. Tuy nhiên, một số thiết kế chung được sử dụng để hàn laser của kim loại tấm cũng được thể hiện trong hình 14, 21. Khoảng cách khớp vượt quá 3% độ dày vật liệu thường có thể dẫn đến lấp đầy. Kết quả tương tự thu được nếu sử dụng năng lượng quá mức để hàn, dẫn đến rơi qua. Việc lấp đầy được khắc phục bằng cách bổ sung kim loại phụ trong suốt quá trình hàn chính hoặc vượt qua lần thứ hai của mỹ phẩm. Filler kim loại đôi khi được thêm vào để sửa đổi hóa học kim loại hàn. Trong trường hợp như vậy, một rãnh vuông có khe hẹp hoặc rãnh vee có thể được sử dụng để cung cấp cho bổ sung filler mong muốn.

Nói chung, quy trình được thiết lập tốt để chuẩn bị mối hàn cũng áp dụng cho hàn laser. Vị trí hàn phẳng hoặc hàn phẳng được ưu tiên mặc dù hàn ngoài vị trí như các mối hàn ngang, dọc và trên có thể được thực hiện trong các điều kiện tốt trong chế độ hàn lỗ khóa.

Ứng dụng của hàn Laser:

Một trong những ưu điểm chính của hàn laser là tạo ra nhiệt cực mạnh ảnh hưởng đến một diện tích cực kỳ nhỏ, do đó, yêu cầu năng lượng đầu vào để chế tạo mối hàn là thấp. Do đặc tính này của quá trình, nó có thể được sử dụng để hàn các kim loại khác nhau với các tính chất vật lý khác nhau. Ngoài ra, các kim loại có điện trở tương đối cao và các thành phần khác nhau đáng kể, kích thước và khối lượng có thể được hàn.

Thông thường không có kim loại phụ được sử dụng trong hàn laser, do đó, bất kỳ thành phần nào ở một vị trí cụ thể đều có thể được hàn với điều kiện là chùm tia laser có thể được tập trung tại điểm đó. Các mối hàn với độ chính xác cao có thể được chế tạo ngay cả ở độ dày kim loại chỉ bằng một phần mm. Do tốc độ gia nhiệt và làm mát rất cao trong hàn laser, sự tăng trưởng của hạt bị hạn chế cũng như giảm căng thẳng và làm thẳng mối hàn được loại bỏ.

Một trong những ứng dụng đặc biệt phù hợp với laser hiện nay là chế tạo các kết nối vi mô. Do đó, hàn laser được tìm thấy đặc biệt phù hợp với kỹ thuật vô tuyến và điện tử để hàn dây dẫn dẫn đến các màng trên bảng vi mạch, mạch trạng thái rắn và mô-đun vi mô.

Chùm tia laser có thể hàn các thành phần kim loại đa dạng nhất được sử dụng trong vi điện tử, ví dụ, vàng và silic, vàng và gecmani, niken và tantalum, đồng và nhôm đều có thể được hàn thành công bằng phương pháp hàn tia laser.

Hàn dây niken đường kính 0, 5 mm trong cấu hình song song, hàn điểm băng ruy băng niken dày 0, 125 mm, hàn kín các mô-đun điện tử và hàn ống titan có độ dày thành 0, 25 mm đến đĩa titan dày 0, 625 mm là một số ứng dụng cụ thể được báo cáo về việc sử dụng của hàn tia laser.

Các biến thể của hàn tia laser:

Ngoài các laser ở trạng thái rắn như laser ruby, còn có các laser trong đó các vật liệu phát quang là các chất lỏng như dung dịch oxit neodymium, một số thuốc nhuộm, v.v. Laser lỏng vô cơ có khả năng và hiệu suất rất cao đối với các xung trạng thái rắn laser nhưng vượt quá chúng về mặt năng lượng xung ngoài vì các phần tử phát quang của chúng có khối lượng lớn.

Thứ ba và là loại laser hiệu quả nhất là loại trong đó vật liệu phát laser là các tinh thể bán dẫn đơn lẻ như gallium và indium arsenide, cho phép cadmium, selen và lưu huỳnh, v.v. Laser bán dẫn có trọng lượng nhỏ, cần đầu vào thấp năng lượng và có hiệu quả cao lên tới 70%.

Thứ tư và có lẽ là loại laser quan trọng nhất là loại sử dụng các loại khí và hỗn hợp của chúng như hydro, nitơ, argon và carbon dioxide. Laser khí có phổ bức xạ rộng nhất và công suất cao nhất trong hoạt động sóng liên tục (CW) kết hợp với hiệu suất khá cao từ 15 đến 25%.

Trong số tất cả các biến thể laser laser CO ₂ và laser ND: YAG đang được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng công nghiệp vì chúng có khả năng hoạt động đa luồng bền bỉ và do đó chúng được thảo luận chi tiết ở đây.

Tự động hóa trong hàn tia laser:

Mắt người có thể được sử dụng để quan sát chùm tia laser với điều kiện nó nằm trong vùng khả kiến ​​(nghĩa là bước sóng trong khoảng 0, 3 đến 0, 7m) của quang phổ. Tuy nhiên, hầu hết các ánh sáng laser được sử dụng để hàn là vô hình đối với mắt người như hiển nhiên trong Hình 14, 45 cung cấp các hướng dẫn về vị trí phổ của một số bước sóng chùm tia laser phổ biến hơn. Do đó, bắt buộc phải sử dụng tự động hóa để sử dụng hiệu quả và thành công chùm tia laser để hàn nếu không nó có thể dẫn đến chế tạo chất lượng không thể chấp nhận hoặc thậm chí có thể dẫn đến tai nạn nghiêm trọng.

Khi tự động hóa hoặc hiệu quả cao hơn được yêu cầu máy dò vị trí chùm tia laser được sử dụng để định vị và định vị chùm tia laser. Với mục đích này, các máy dò vị trí có sẵn để phát hiện một hoặc hai chiều của chùm tia laser. Một sơ đồ đơn giản hóa của một hệ thống căn chỉnh laser với máy dò góc phần tư được hiển thị trong Hình 14.46. Mỗi góc phần tư của máy dò là một điốt quang riêng biệt tạo ra tín hiệu đầu ra điện tỷ lệ với công suất ánh sáng mà nó nhận được.

Nếu chùm tia laser tới tập trung vào máy dò thì mỗi phân đoạn của máy dò góc phần tư sẽ nhận được cùng một công suất. Khi chùm tia laser không tập trung, một hoặc hai góc phần tư của máy dò sẽ nhận được nhiều năng lượng ánh sáng hơn. Các hệ thống đã được thiết kế sử dụng đầu ra từ máy dò góc phần tư để cho vị trí chùm tia laser so với trung tâm máy dò. Những tiến bộ gần đây trong hệ thống thị giác máy tính đã làm cho hệ thống dò mảng diode hai chiều có sẵn rộng rãi trong công nghiệp. Đối với photodiode lót trung tâm một chiều hoặc photodiodes hiệu ứng bên có thể được sử dụng.

Sử dụng bộ phát hiện vị trí thích hợp kết hợp với hệ thống tự động / Rô bốt có thể đạt được chất lượng mong muốn trong chế tạo hàn.

Các khía cạnh an toàn của hàn Laser:

Các mối nguy hiểm thông thường liên quan đến hàn tia laser bao gồm tổn thương mắt, bỏng da, ảnh hưởng đến hệ hô hấp, sốc điện, mối nguy hóa học và nguy cơ xử lý chất làm mát lạnh.

Các chùm tia laser không tạo ra tia X trong quá trình hoạt động bình thường, tuy nhiên chúng tạo ra ánh sáng cường độ cao có thể làm hỏng thị lực hoặc gây bỏng nặng. Nếu bước sóng nằm trong khoảng từ 0, 4 đến 1, 4, thì hệ thống mắt của con người tập trung chùm tia tới 10 ⁵ lần trên võng mạc. Vùng bước sóng này được gọi là vùng tập trung mắt hoặc vùng nguy hiểm võng mạc.

Tỷ lệ có thể nhìn thấy của vùng lấy nét mắt trong đó mắt phát hiện màu chỉ nằm trong khoảng từ 0, 4 đến 0, 7. Bước sóng trong khoảng 0, 7 đến 1, 4 Pha không được phát hiện bởi võng mạc, chúng vô hình với hệ thống mắt, mặc dù chúng có thể tập trung bằng mắt.

Do đó, nếu bước sóng của chùm tia nằm trong vùng tập trung mắt, tổn thương mắt xảy ra ở các mô võng mạc vì rất ít năng lượng được hấp thụ bởi giác mạc, thủy tinh thể và các mô nước. Tuy nhiên, các bước sóng bên ngoài vùng tập trung được hấp thụ bởi các thành phần bên ngoài của mắt, gây tổn thương đặc biệt là giác mạc.

Do đó, bắt buộc phải có kiến ​​thức trước về bước sóng của chùm tia laser và Hình 14, 45 cung cấp thông tin cần thiết.

Phải cẩn thận trong kính phù hợp cho hệ thống laser cụ thể được sử dụng. Ở bước sóng hồng ngoại dài hơn, ví dụ bước sóng 10, 6 tiam của laser CO ₂, ngay cả thủy tinh thường cũng mờ đục.

Đó là một thực tế phổ biến để đảm bảo rằng các khu vực làm việc xung quanh laser được sơn bằng màu sáng và được chiếu sáng rực rỡ.

Da hấp thụ tất cả các bước sóng laser nhưng cần nhiều năng lượng hơn cho tổn thương da hơn là tổn thương mắt, và cần nhiều năng lượng hơn từ laser sóng liên tục để gây tổn hại hơn so với laser xung. Nếu laser phát ra bức xạ liên tục trong khoảng thời gian tối thiểu 0, 25 giây, nó được coi là laser sóng liên tục. Laser Excimer và CO ₂ đặc biệt ở khả năng làm hỏng da. Áo sơ mi và găng tay dài chống cháy giúp bảo vệ da đầy đủ cho hầu hết các trường hợp.

Mặc dù chùm tia laser không bị lệch bởi trường tĩnh điện hoặc điện từ, nhưng chùm tia bị phản xạ một phần hoặc bị lệch bởi bề mặt kim loại mịn có thể ảnh hưởng đến mắt hoặc da, và vết bỏng laser có thể sâu và rất chậm lành.

Hầu hết các hệ thống laser liên quan đến việc sử dụng dòng điện cường độ cao điện áp cao do đó khả năng bị điện giật gây chết người là không bao giờ có. Nguyên vẹn, gần như tất cả các tai nạn nghiêm trọng hoặc gây tử vong với laser đều liên quan đến việc cung cấp điện. Do đó, không bao giờ làm việc một mình khi trực tiếp vận hành laser công suất cao.

Khói kim loại độc hoặc mịn có thể được hình thành trong quá trình thâm nhập sâu và hàn thử trên nhựa. Sản xuất plasma nghiêm trọng có thể tạo ra ozone đòi hỏi phải cung cấp đầy đủ cho hệ thống thông gió và khí thải.

Tóm lại, có thể nói rằng laser an toàn như bất kỳ công cụ năng lượng cao nào khác và cần được xử lý đúng cách. Người dùng có trách nhiệm học cách xử lý chính xác.