Thông số quy trình chính của hàn laser

1) Công suất laze. Có một ngưỡng mật độ năng lượng laser trong hàn laser, dưới đó độ sâu nóng chảy sẽ nông và khi đạt hoặc vượt quá giá trị này, độ sâu nóng chảy sẽ tăng lên đáng kể. Chỉ khi mật độ năng lượng laser trên phôi vượt quá ngưỡng (phụ thuộc vào vật liệu), plasma mới được tạo ra, đánh dấu sự ổn định của hàn nhiệt hạch sâu. Nếu công suất laser ở dưới ngưỡng này thì phôi chỉ trải qua quá trình nóng chảy bề mặt, tức là quá trình hàn tiến hành ở dạng truyền nhiệt ổn định. Khi mật độ năng lượng laser gần đến mức hình thành lỗ nhỏ, quá trình hàn nhiệt hạch sâu và hàn dẫn sẽ xen kẽ và trở thành quá trình hàn không ổn định, dẫn đến biến động lớn về độ sâu nóng chảy. Trong hàn nhiệt hạch sâu bằng laser, công suất laser kiểm soát cả độ sâu thâm nhập và tốc độ hàn, như trong Hình 1. Độ sâu hàn nóng chảy liên quan trực tiếp đến mật độ công suất chùm tia và là một hàm số của công suất chùm tia tới và tiêu điểm chùm tia. Nói chung, đối với một đường kính nhất định của chùm tia laser, độ sâu nóng chảy tăng khi công suất chùm tia tăng.

2) Tiêu điểm của chùm tia. Kích thước điểm chùm tia là một trong những biến số quan trọng nhất trong hàn laser, vì nó quyết định mật độ năng lượng. Tuy nhiên, phép đo của nó là một thách thức đối với các laser công suất cao, mặc dù đã có sẵn nhiều kỹ thuật đo gián tiếp.

Kích thước điểm giới hạn nhiễu xạ tiêu cự của chùm tia có thể được tính toán từ lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, nhưng điểm thực tế lớn hơn giá trị tính toán do có hiện tượng quang sai của thấu kính hội tụ. Phương pháp đo thực tế đơn giản nhất là phương pháp biên dạng đẳng nhiệt, là đo tiêu điểm và đường kính lỗ thủng sau khi đốt và xuyên qua tấm polypropylen bằng giấy dày. Phương pháp này nên được đo bằng thực hành, nắm vững kích thước của công suất laser và thời gian tác động của chùm tia.

3) Giá trị hấp thụ vật liệu. Sự hấp thụ tia laser của vật liệu phụ thuộc vào một số tính chất quan trọng của vật liệu, chẳng hạn như tốc độ hấp thụ, độ phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, v.v. Điều quan trọng nhất là tốc độ hấp thụ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với chùm tia laser bao gồm hai khía cạnh: thứ nhất là điện trở suất của vật liệu. Sau khi đo tốc độ hấp thụ của bề mặt được đánh bóng của vật liệu, người ta thấy rằng tốc độ hấp thụ của vật liệu tỷ lệ thuận với căn bậc hai của hệ số điện trở suất, do đó hệ số này thay đổi theo nhiệt độ; thứ hai, trạng thái bề mặt (hoặc độ hoàn thiện) của vật liệu có ảnh hưởng quan trọng hơn đến tốc độ hấp thụ của chùm tia, do đó có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hàn.

Bước sóng đầu ra của laser CO2 thường là 10,6μm, gốm sứ, thủy tinh, cao su, nhựa và các phi kim loại khác có tốc độ hấp thụ ở nhiệt độ phòng rất cao, trong khi vật liệu kim loại ở nhiệt độ phòng có độ hấp thụ rất kém, cho đến khi vật liệu tan chảy hoặc thậm chí bốc hơi, độ hấp thụ của nó tăng mạnh. Việc sử dụng lớp phủ bề mặt hoặc phương pháp tạo bề mặt bằng màng oxit để cải thiện khả năng hấp thụ của vật liệu đối với chùm tia là rất hiệu quả.

4) tốc độ hàn. Tốc độ hàn ảnh hưởng lớn đến độ sâu nóng chảy, tăng tốc độ sẽ làm cho độ sâu nóng chảy nông, nhưng tốc độ quá thấp sẽ dẫn đến vật liệu nóng chảy quá mức, phôi hàn xuyên qua. Do đó, một công suất laser nhất định và độ dày nhất định của một vật liệu cụ thể có phạm vi tốc độ hàn phù hợp và trong đó có thể đạt được giá trị tốc độ tương ứng khi độ sâu nóng chảy tối đa. Hình 2 đưa ra mối quan hệ giữa tốc độ hàn và độ sâu nóng chảy của thép 1018.

5) Khí bảo vệ. Quá trình hàn laser thường sử dụng khí trơ để bảo vệ bể tan chảy, khi một số vật liệu hàn bất kể quá trình oxy hóa bề mặt thì cũng không xem xét bảo vệ, nhưng đối với hầu hết các ứng dụng thường sử dụng helium, argon, nitơ và các loại khí khác để bảo vệ, do đó phôi khỏi quá trình oxy hóa trong quá trình hàn.

Helium không dễ bị ion hóa (năng lượng ion hóa cao), cho phép tia laser đi qua và năng lượng chùm tia tới được bề mặt phôi mà không bị cản trở. Đây là loại khí bảo vệ hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser nhưng đắt hơn.

Argon rẻ hơn và đậm đặc hơn nên bảo vệ tốt hơn. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa plasma kim loại ở nhiệt độ cao, dẫn đến che chắn một phần chùm tia đối với phôi, làm giảm công suất laser hiệu quả để hàn và cũng làm giảm tốc độ hàn và độ sâu nóng chảy. Bề mặt của bộ phận hàn mịn hơn khi được bảo vệ bằng argon so với khi được bảo vệ bằng khí heli.

Nitơ là loại khí bảo vệ rẻ nhất, nhưng nó không phù hợp với một số loại hàn thép không gỉ, chủ yếu là do các vấn đề về luyện kim, chẳng hạn như sự hấp thụ, đôi khi tạo ra độ xốp ở vùng lòng.

Vai trò thứ hai của việc sử dụng khí bảo vệ là bảo vệ thấu kính hội tụ khỏi bị nhiễm hơi kim loại và bắn ra các giọt chất lỏng nóng chảy. Điều này đặc biệt cần thiết trong hàn laser công suất cao, nơi tia phóng ra trở nên rất mạnh.

Chức năng thứ ba của khí bảo vệ là nó có hiệu quả trong việc phân tán lớp bảo vệ plasma được tạo ra bởi quá trình hàn laser công suất cao. Hơi kim loại hấp thụ chùm tia laser và ion hóa thành đám mây plasma, đồng thời khí bảo vệ xung quanh hơi kim loại cũng bị ion hóa bởi nhiệt. Nếu có quá nhiều plasma, chùm tia laser sẽ bị plasma tiêu thụ ở một mức độ nào đó. Sự hiện diện của plasma dưới dạng năng lượng thứ hai trên bề mặt làm việc làm cho độ sâu nóng chảy nông hơn và bề mặt vũng hàn rộng hơn. Tốc độ tạo phức của electron được tăng lên bằng cách tăng số lượng va chạm giữa ba vật thể electron-ion và nguyên tử trung tính để giảm mật độ electron trong plasma. Nguyên tử trung hòa càng nhẹ thì tần số va chạm càng cao thì tốc độ kết hợp càng cao; mặt khác, chỉ có năng lượng ion hóa cao của khí bảo vệ, để không làm tăng mật độ electron do sự ion hóa của chính khí.

Như có thể thấy từ bảng, kích thước đám mây plasma thay đổi tùy theo loại khí bảo vệ được sử dụng, trong đó helium là nhỏ nhất, tiếp theo là nitơ và lớn nhất khi sử dụng argon. Kích thước plasma càng lớn thì độ sâu nóng chảy càng nông. Lý do cho sự khác biệt này trước hết là do mức độ ion hóa khác nhau của các phân tử khí và cũng do sự khác biệt về sự khuếch tán của hơi kim loại do mật độ khác nhau của khí bảo vệ.

Helium ít bị ion hóa nhất và ít đậm đặc nhất, và nó nhanh chóng xua tan hơi kim loại bốc lên từ bể kim loại nóng chảy. Do đó, việc sử dụng khí heli làm khí bảo vệ có thể ức chế tối đa plasma, từ đó làm tăng độ sâu nóng chảy và cải thiện tốc độ hàn; không dễ gây ra độ xốp vì trọng lượng nhẹ và khả năng thoát hơi. Tất nhiên, từ kết quả hàn thực tế của chúng tôi, tác dụng bảo vệ bằng khí argon là không tệ.

Đám mây plasma ở độ sâu nóng chảy ở vùng tốc độ hàn thấp là rõ ràng nhất. Khi tốc độ hàn tăng lên, ảnh hưởng của nó sẽ bị suy yếu.

Khí bảo vệ được đẩy ra qua lỗ phun ở áp suất nhất định để tiếp cận bề mặt phôi. Hình dạng thủy động của vòi phun và kích thước đường kính của đầu ra là rất quan trọng. Nó phải đủ lớn để dẫn khí bảo vệ phun ra bao phủ bề mặt hàn, nhưng để bảo vệ hiệu quả thấu kính và ngăn ngừa ô nhiễm hơi kim loại hoặc bắn kim loại làm hỏng thấu kính, kích thước vòi phun cũng phải hạn chế. Tốc độ dòng chảy cũng phải được kiểm soát, nếu không thì dòng khí bảo vệ theo lớp sẽ trở nên hỗn loạn và bầu không khí sẽ bị cuốn vào bể nóng chảy, cuối cùng hình thành nên độ xốp.

Để nâng cao hiệu quả bảo vệ, còn có thêm phương pháp thổi ngang, tức là thông qua một vòi phun có đường kính nhỏ hơn sẽ đưa khí bảo vệ đến một góc nhất định trực tiếp vào lỗ hàn nóng chảy sâu. Khí bảo vệ không chỉ ngăn chặn đám mây plasma trên bề mặt phôi mà còn tác động đến plasma trong lỗ và sự hình thành lỗ nhỏ, làm tăng thêm độ sâu của phản ứng tổng hợp và thu được đường hàn sâu hơn và rộng hơn mong muốn. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác kích thước và hướng dòng khí, nếu không sẽ dễ tạo ra nhiễu loạn và làm hỏng bể tan chảy, dẫn đến quá trình hàn khó ổn định.

6) Tiêu cự của thấu kính. Hàn thường được sử dụng để tập trung vào cách hội tụ tia laser, lựa chọn chung là tiêu cự 63 ~ 254mm (2,5 '~ 10') của ống kính. Kích thước điểm lấy nét tỷ lệ thuận với tiêu cự, tiêu cự càng ngắn thì điểm càng nhỏ. Nhưng tiêu cự cũng ảnh hưởng đến độ sâu tiêu cự, tức là độ sâu tiêu cự tăng đồng thời với tiêu cự, do đó tiêu cự ngắn có thể cải thiện mật độ năng lượng, nhưng do độ sâu tiêu cự nhỏ nên khoảng cách giữa thấu kính và phôi phải được duy trì chính xác và độ sâu nóng chảy không lớn. Do ảnh hưởng của tia bắn được tạo ra trong quá trình hàn và chế độ laser, mối hàn thực tế sử dụng độ sâu lấy nét ngắn nhất có tiêu cự 126mm (5'). Khi đường may lớn hoặc đường hàn cần được tăng lên bằng cách tăng kích thước điểm, có thể chọn thấu kính có tiêu cự 254mm (10'), trong trường hợp đó cần có công suất đầu ra laser (mật độ công suất) cao hơn để đạt được hiệu ứng lỗ nhỏ tan chảy sâu.

Khi công suất laser vượt quá 2kW, đặc biệt đối với chùm tia laser CO2 10,6μm, do sử dụng vật liệu quang học đặc biệt để tạo thành hệ thống quang học, để tránh nguy cơ hư hỏng quang học đối với thấu kính lấy nét, thường chọn phương pháp lấy nét phản xạ, thường sử dụng gương đồng đánh bóng cho gương phản xạ. Do khả năng làm mát hiệu quả nên nó thường được khuyên dùng để lấy nét chùm tia laser công suất cao.

7) vị trí tiêu điểm. Hàn, để duy trì đủ mật độ năng lượng, vị trí tiêu điểm là rất quan trọng. Những thay đổi về vị trí của tiêu điểm so với bề mặt phôi ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và chiều sâu của mối hàn. Hình 3 cho thấy ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến độ sâu nóng chảy và chiều rộng đường nối của thép 1018. Trong hầu hết các ứng dụng hàn laser, tiêu điểm thường được đặt ở khoảng 1/4 độ sâu nóng chảy mong muốn bên dưới bề mặt phôi.

8) Vị trí chùm tia laser. Khi hàn laser các vật liệu khác nhau, vị trí chùm tia laser sẽ kiểm soát chất lượng cuối cùng của mối hàn, đặc biệt trong trường hợp các mối hàn đối đầu nhạy cảm hơn so với các mối hàn chồng lên nhau. Ví dụ, khi các bánh răng thép cứng được hàn vào trống thép nhẹ, việc kiểm soát thích hợp vị trí chùm tia laze sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra mối hàn có thành phần chủ yếu là cacbon thấp, có khả năng chống nứt tốt hơn. Trong một số ứng dụng, hình dạng của phôi được hàn đòi hỏi chùm tia laser phải bị lệch một góc. Khi góc lệch giữa trục chùm tia và mặt phẳng khớp nằm trong khoảng 100 độ, sự hấp thụ năng lượng laser của phôi sẽ không bị ảnh hưởng.

9) Điểm bắt đầu và kết thúc hàn của công suất laser tăng dần, kiểm soát giảm dần. Hàn nhiệt hạch sâu bằng laser, bất kể độ sâu của mối hàn, hiện tượng lỗ nhỏ luôn tồn tại. Khi quá trình hàn kết thúc và tắt công tắc nguồn sẽ xuất hiện vết lõm ở cuối mối hàn. Ngoài ra, khi lớp hàn laser bao phủ lên mối hàn ban đầu sẽ có hiện tượng hấp thụ tia laser quá mức dẫn đến mối hàn bị quá nhiệt hoặc bị rỗ khí.

Để ngăn chặn hiện tượng trên, điểm bắt đầu và dừng nguồn có thể được lập trình để thời gian bắt đầu và dừng nguồn có thể điều chỉnh được, tức là công suất khởi động được tăng điện tử từ 0 đến giá trị công suất cài đặt trong một khoảng thời gian ngắn và thời gian hàn được điều chỉnh, và cuối cùng công suất giảm dần từ công suất cài đặt xuống giá trị 0 khi kết thúc hàn.