Hàn laser là gì? Các nghiên cứu khoa học về Hàn laser

Giới thiệu chung

Hàn laser là kỹ thuật liên kết vật liệu thông qua việc chiếu chùm tia laser có mật độ công suất cao vào vùng cần hàn, tạo ra nhiệt độ cục bộ rất lớn đủ làm chảy chỗ nối và hợp nhất bề mặt tiếp xúc. Chùm tia laser có thể được điều chỉnh mật độ năng lượng, thời gian chiếu và đường kính vùng hội tụ để phù hợp với đặc tính vật liệu và yêu cầu chất lượng mối hàn. Với khả năng tập trung năng lượng cực kỳ chính xác, hàn laser hạn chế ảnh hưởng nhiệt đến khu vực xung quanh, giảm biến dạng chi tiết và cho phép mối hàn mảnh, thẩm mỹ cao.

Kỹ thuật này bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng từ thập niên 1960, khi laser đầu tiên được phát minh, và trải qua nhiều giai đoạn cải tiến về nguồn phát, hệ quang học dẫn tia, cũng như tự động hóa trong quá trình hàn. Đến nay, hàn laser đã trở thành một trong những giải pháp chủ lực trong nhiều ngành công nghiệp có yêu cầu cao về độ chính xác như ô tô, hàng không vũ trụ, cơ khí chính xác, điện tử, và y sinh. Việc tự động hóa và tích hợp rô-bốt ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất và độ ổn định của mối hàn.

• Độ chính xác cao: vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, mép mối hàn mảnh.
• Khả năng tự động hóa: dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất.
• Ứng dụng đa dạng: từ kim loại mỏng đến vật liệu composite, gốm sứ kim loại.

Nguyên lý cơ bản của hàn laser

Chùm tia laser được sinh ra từ nguồn laser như Nd:YAG, laser sợi quang (fiber), CO₂ hoặc laser bán dẫn (diode), sau đó được dẫn qua hệ thống gương hoặc ống dẫn quang và hội tụ qua thấu kính hội tụ để đạt mật độ công suất hàng chục đến hàng trăm MW/cm² tại tiêu điểm. Khi chùm tia gặp bề mặt vật liệu, năng lượng quang biến đổi thành nhiệt, làm chảy vật liệu và tạo nên mối hàn.

Sự hấp thụ năng lượng của vật liệu theo định luật Beer–Lambert:

$I(x) = I_{0}\,e^{-\alpha x}$

trong đó I₀ là cường độ bề mặt, α là hệ số hấp thụ tại bước sóng laser, x là chiều sâu. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào vật liệu, độ nhám bề mặt và bước sóng laser. Ở bước sóng thích hợp, hầu hết kim loại có độ hấp thụ cao, giúp ổn định quá trình tạo mối hàn.

Có hai chế độ chính trong hàn laser: chế độ dẫn truyền nhiệt (conduction mode) khi mật độ công suất thấp, vùng nóng chảy nông và rộng; chế độ khoang hơi (keyhole mode) khi mật độ cao, tạo lỗ hơi sâu, cho độ thâm nhập lớn và mối hàn dạng ống rỗng bên trong. Việc điều chỉnh công suất, tốc độ di chuyển và tiêu điểm giúp chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ để tối ưu chất lượng mối hàn.

Thiết bị và cấu hình hệ thống

Hệ thống hàn laser bao gồm bốn thành phần chính: nguồn laser, hệ dẫn tia, bộ quang hội tụ và hệ điều khiển – bảo vệ. Nguồn laser có thể là laser sợi quang với hiệu suất chuyển đổi điện-quang >30%, Nd:YAG bán dẫn thích hợp cho ứng dụng cơ khí nặng, CO₂ truyền thống cho vật liệu phi kim. Mỗi loại nguồn có ưu nhược riêng về chi phí, hiệu suất và chất lượng chùm tia.

• Hệ dẫn tia: gương quang học hoặc ống dẫn quang (fiber optic) cho phép linh hoạt định vị chùm tia.
• Ống hội tụ: thấu kính hội tụ thủy tinh hoặc quang học sợi cho phép điều chỉnh tiêu điểm ±10 mm.
• Đầu hàn (welding head): tích hợp hệ thống khí bảo vệ (Ar, He) và cảm biến giám sát mối hàn.
• Bàn dịch chuyển/Rô-bốt: định vị chi tiết với độ lặp lại vị trí ±0.01 mm.

Hệ điều khiển trung tâm cho phép lập trình tham số công suất, tốc độ, đường quét và quản lý giám sát quá trình bằng camera, cảm biến nhiệt độ hoặc cảm biến plasma. Môi trường hàn thường sử dụng khí trơ để bảo vệ vùng nóng chảy, giảm oxy hóa và cải thiện độ bền mối hàn.

Vật liệu và cơ chế hấp thụ năng lượng

Các kim loại phổ biến trong hàn laser bao gồm thép carbon, thép không gỉ, nhôm, titan và hợp kim cao cấp. Mỗi loại vật liệu có hệ số hấp thụ, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng, ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập và hình dạng mối hàn. Ví dụ, nhôm có độ dẫn nhiệt cao, cần công suất lớn hơn để đạt vùng nóng chảy tương đương thép.

Thông số hấp thụ của một số kim loại ở bước sóng 1.06 µm

Vật liệu	Hệ số hấp thụ α (cm⁻¹)	Độ dẫn nhiệt k (W/m·K)
Thép không gỉ	4.5	16
Nhôm	0.2	205
Titan	2.0	22

Ở chế độ keyhole, năng lượng laser tạo lỗ hơi sâu, đốt cháy vật liệu và tạo áp suất hơi làm co kéo mối hàn, giúp tăng độ thâm nhập. Ở chế độ conduction, năng lượng vừa đủ làm chảy nông, mối hàn rộng, phù hợp khi cần hạn chế biến dạng. Việc chọn bước sóng, công suất và chế độ chiếu phù hợp tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ và chất lượng mối ghép.

Thông số quá trình hàn

Các thông số chính quyết định chất lượng mối hàn laser bao gồm công suất laser (P), tốc độ di chuyển (v), đường kính tiêu điểm (d) và lưu lượng khí bảo vệ (Q). Công suất quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng tiêu cực: quá cao có thể tạo lỗ hơi không kiểm soát, quá thấp khiến mối hàn không đủ thâm nhập.

Công thức tính toán nhiệt đầu vào (H) cho phép ước lượng lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu:

$H = \frac{\eta\,P}{v}$

trong đó η là hiệu suất hấp thụ (thường 0.3–0.7), P đơn vị W, v đơn vị m/s. Điều chỉnh v cao giúp mối hàn hẹp, thâm nhập nông; v thấp tạo thâm nhập sâu nhưng gia tăng vùng chịu nhiệt.

• Công suất (P): 200–10.000 W tùy loại laser và vật liệu.
• Tốc độ (v): 0.5–10 m/min, ảnh hưởng đến độ sâu và hình dạng mối hàn.
• Đường kính tiêu điểm (d): 0.1–1 mm, càng nhỏ càng nén năng lượng.
• Khí bảo vệ (Q): Ar, He ở lưu lượng 5–20 l/min để giảm oxy hóa.

Các phương pháp hàn laser

Chế độ Continuous Wave (CW) cung cấp chùm tia liên tục, phù hợp cho mối hàn thâm nhập sâu và độ ổn định cao. Phương pháp này thường sử dụng trong hàn thép dày và ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao.

Chế độ Pulsed Laser (xung) chia chùm tia thành các xung ngắn, kiểm soát nhiệt tốt hơn, giảm biến dạng và căng thẳng nhiệt. Mỗi xung thường có thời lượng 1–10 ms, năng lượng mỗi xung 1–50 J.

• Hybrid Laser–MIG/MAG: kết hợp laser với hồ quang điện MIG hoặc MAG, tận dụng ưu điểm thâm nhập sâu của laser và bổ sung kim loại mối hàn từ hồ quang, tăng tốc độ hàn và chất lượng mối nối.
• Laser dẫn truyền sợi quang: sử dụng ống dẫn quang truyền ánh sáng, linh hoạt trong việc tiếp cận vị trí khó, giảm tổn thất năng lượng so với gương phản xạ.

Ứng dụng công nghiệp

Trong ngành ô tô, hàn laser được dùng để ghép vỏ thân xe, khung xe đua, nối ống xả, và hàn linh kiện mỏng. Độ chính xác cao và tốc độ lớn giúp giảm trọng lượng và tăng độ cứng kết cấu.

Ngành hàng không sử dụng hàn laser cho chi tiết động cơ phản lực, cánh máy bay, và các bộ phận composite, nơi yêu cầu kiểm soát biến dạng tối đa và độ bền mỏi cao.

• Điện tử: hàn mạch in, gắn chip BGA, nối cáp quang.
• Y sinh: chế tạo dụng cụ và cấy ghép y khoa từ titan, hợp kim cobalt-chrome với độ sạch và tinh khiết bề mặt cực cao.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm của hàn laser bao gồm mối hàn nhỏ gọn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, giảm biến dạng, khả năng tự động hóa và tốc độ hàn nhanh. Các mối hàn có thể đạt độ bền tương đương hoặc vượt vật liệu gốc.

Hạn chế bao gồm chi phí đầu tư ban đầu lớn cho nguồn laser và hệ thống quang học, yêu cầu che chắn tia nghiêm ngặt và kỹ năng vận hành cao. Ngoài ra, với kim loại dày >20 mm, hiệu quả không bằng hàn hồ quang truyền thống.

So sánh ưu nhược điểm

Đặc điểm	Ưu điểm	Hạn chế
Độ chính xác	Vùng ảnh hưởng nhiệt <1 mm	Yêu cầu thấu kính chất lượng cao
Tốc độ	0.5–10 m/min	Chi phí vận hành cao
Độ dày hàn	2–20 mm hiệu quả	Khó với >20 mm

Tiêu chuẩn và an toàn

Tiêu chuẩn ISO 11554 quy định phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn laser, bao gồm kiểm tra hình thái học, uốn, kéo và kiểm tra không phá hủy. ANSI Z136 đảm bảo an toàn cho người vận hành và môi trường quanh khu vực hàn.

• Che chắn tia laser: tường chắn và cửa kính lọc bước sóng.
• Thiết bị bảo hộ cá nhân: kính laser bảo vệ mắt, găng tay chịu nhiệt.
• Hệ thống thông gió và hút khói để loại bỏ khí và bụi kim loại sinh ra.

Triển vọng và nghiên cứu tương lai

Các nghiên cứu hiện nay tập trung phát triển laser công suất siêu cao (>20 kW) cho hàn vật liệu dày và chế độ dual-beam để tối ưu hóa vùng ảnh hưởng nhiệt. Các hệ thống tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy tính giúp tự động điều chỉnh tham số theo điều kiện thực tế.

Nghiên cứu vật liệu phủ và lớp phủ nano trước hàn nhằm tăng hấp thụ năng lượng và giảm oxy hóa đang hứa hẹn mở rộng phạm vi ứng dụng với hợp kim nhôm và titan. Công nghệ laser di động, miniaturized laser sources cũng sẽ mang hàn laser đến ứng dụng hiện trường, sửa chữa kết cấu lớn.

Tài liệu tham khảo

1. Laser Institute of America – Laser Applications
2. TWI – What is laser welding?
3. Industrial Laser Solutions – Technology Overview
4. Journal of Materials Processing Technology – Laser Welding Review
5. Applied Optics – Laser–Matter Interaction