So với công nghệ hàn truyền thống,hàn laserCông nghệ này có những ưu điểm vượt trội về độ chính xác, hiệu quả, độ tin cậy, tự động hóa và các khía cạnh khác trong hàn. Trong những năm gần đây, nó đã phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực ô tô, năng lượng, điện tử và các lĩnh vực khác, và được coi là một trong những công nghệ sản xuất triển vọng nhất của thế kỷ 21.
1. Tổng quan về hệ thống chùm tia képhàn laser
Chùm tia képhàn laserPhương pháp này sử dụng các phương pháp quang học để tách cùng một tia laser thành hai chùm tia sáng riêng biệt để hàn, hoặc sử dụng hai loại laser khác nhau để kết hợp, chẳng hạn như laser CO2, laser Nd:YAG và laser bán dẫn công suất cao. Tất cả đều có thể được kết hợp. Phương pháp này được đề xuất chủ yếu để giải quyết vấn đề khả năng thích ứng của hàn laser với độ chính xác lắp ráp, cải thiện độ ổn định của quá trình hàn và nâng cao chất lượng mối hàn. Hàn hai chùm tiahàn laserCó thể điều chỉnh trường nhiệt độ hàn một cách thuận tiện và linh hoạt bằng cách thay đổi tỷ lệ năng lượng chùm tia, khoảng cách giữa các chùm tia, và thậm chí cả kiểu phân bố năng lượng của hai chùm tia laser, thay đổi kiểu hình thành lỗ khóa và kiểu dòng chảy của kim loại lỏng trong vũng nóng chảy. Cung cấp nhiều lựa chọn hơn cho các quy trình hàn. Nó không chỉ có ưu điểm về kích thước lớn mà còn có nhiều tính năng vượt trội.hàn laserMáy hàn này có khả năng xuyên thấu tốt, tốc độ nhanh và độ chính xác cao, đồng thời cũng phù hợp với các vật liệu và mối nối khó hàn bằng các phương pháp thông thường.hàn laser.
Dành cho chùm tia képhàn laserTrước tiên, chúng ta sẽ thảo luận về các phương pháp thực hiện hàn laser hai chùm tia. Tài liệu tham khảo cho thấy có hai cách chính để đạt được hàn hai chùm tia: hội tụ truyền qua và hội tụ phản xạ. Cụ thể, một cách được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc và khoảng cách của hai laser thông qua gương hội tụ và gương chuẩn trực. Cách khác được thực hiện bằng cách sử dụng một nguồn laser và sau đó hội tụ thông qua gương phản xạ, gương truyền qua và gương hình nêm để tạo ra hai chùm tia. Đối với phương pháp đầu tiên, chủ yếu có ba dạng. Dạng thứ nhất là ghép hai laser thông qua sợi quang và tách chúng thành hai chùm tia khác nhau dưới cùng một gương chuẩn trực và gương hội tụ. Dạng thứ hai là hai laser phát ra chùm tia laser thông qua các đầu hàn tương ứng của chúng, và một chùm tia kép được hình thành bằng cách điều chỉnh vị trí không gian của các đầu hàn. Phương pháp thứ ba là chùm tia laser trước tiên được tách ra thông qua hai gương 1 và 2, sau đó được hội tụ bởi hai gương hội tụ 3 và 4 tương ứng. Vị trí và khoảng cách giữa hai tiêu điểm có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh góc của hai gương hội tụ 3 và 4. Phương pháp thứ hai là sử dụng laser trạng thái rắn để tách ánh sáng nhằm tạo ra hai chùm tia, và điều chỉnh góc và khoảng cách thông qua gương phối cảnh và gương hội tụ. Hai hình cuối cùng trong hàng đầu tiên bên dưới cho thấy hệ thống quang phổ của laser CO2. Gương phẳng được thay thế bằng gương hình nêm và được đặt phía trước gương hội tụ để tách ánh sáng nhằm tạo ra hai chùm tia sáng song song.
Sau khi hiểu rõ cách thức thi công dầm đôi, chúng ta hãy giới thiệu ngắn gọn các nguyên lý và phương pháp hàn. Trong dầm đôihàn laserTrong quy trình này, có ba cách bố trí chùm tia phổ biến, đó là bố trí nối tiếp, bố trí song song và bố trí hỗn hợp. Vải, tức là, có một khoảng cách theo cả hướng hàn và hướng thẳng đứng của quá trình hàn. Như thể hiện ở hàng cuối cùng của hình, theo các hình dạng khác nhau của các lỗ nhỏ và vũng nóng chảy xuất hiện dưới các khoảng cách điểm khác nhau trong quá trình hàn nối tiếp, chúng có thể được chia tiếp thành các trạng thái nóng chảy đơn lẻ: vũng, vũng nóng chảy chung và vũng nóng chảy tách biệt. Đặc điểm của vũng nóng chảy đơn lẻ và vũng nóng chảy tách biệt tương tự như của vũng nóng chảy đơn lẻ.hàn laserNhư thể hiện trong sơ đồ mô phỏng số, có những hiệu ứng quy trình khác nhau tùy thuộc vào từng loại.
Loại 1: Dưới một khoảng cách điểm nhất định, hai lỗ khóa chùm tia tạo thành một lỗ khóa lớn chung trong cùng một vũng nóng chảy; đối với loại 1, người ta báo cáo rằng một chùm tia sáng được sử dụng để tạo ra một lỗ nhỏ, và chùm tia sáng còn lại được sử dụng để xử lý nhiệt hàn, điều này có thể cải thiện hiệu quả các đặc tính cấu trúc của thép cacbon cao và thép hợp kim.
Loại 2: Tăng khoảng cách giữa các điểm trong cùng một vũng nóng chảy, tách hai chùm tia thành hai lỗ khóa độc lập và thay đổi mô hình dòng chảy của vũng nóng chảy; đối với loại 2, chức năng của nó tương đương với hàn hai chùm tia điện tử, giảm hiện tượng bắn tóe mối hàn và các mối hàn không đều ở tiêu cự thích hợp.
Loại 3: Tăng thêm khoảng cách giữa các điểm và thay đổi tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia, sao cho một trong hai chùm tia được sử dụng làm nguồn nhiệt để thực hiện quá trình xử lý trước hoặc sau khi hàn trong quá trình hàn, và chùm tia còn lại được sử dụng để tạo ra các lỗ nhỏ. Đối với loại 3, nghiên cứu cho thấy hai chùm tia tạo thành một lỗ hình chìa khóa, lỗ nhỏ này không dễ bị sụp đổ và mối hàn không dễ bị rỗ.
2. Ảnh hưởng của quy trình hàn đến chất lượng mối hàn
Ảnh hưởng của tỷ lệ năng lượng chùm tia nối tiếp đến sự hình thành đường hàn
Khi công suất laser là 2kW, tốc độ hàn là 45 mm/s, độ lệch tiêu cự là 0mm và khoảng cách giữa các chùm tia là 3 mm, hình dạng bề mặt mối hàn khi thay đổi tỷ lệ năng lượng chùm tia (RS = 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) được thể hiện trong hình vẽ. Khi RS = 0,50 và 2,00, mối hàn bị lõm nhiều hơn và có nhiều bắn tóe ở mép mối hàn, không tạo thành các hoa văn vảy cá đều đặn. Điều này là do khi tỷ lệ năng lượng chùm tia quá nhỏ hoặc quá lớn, năng lượng laser quá tập trung, khiến lỗ kim laser dao động nghiêm trọng hơn trong quá trình hàn, và áp suất phản hồi của hơi nước gây ra sự bắn tóe và văng bắn kim loại nóng chảy trong vũng hàn; lượng nhiệt đầu vào quá lớn khiến độ sâu thâm nhập của vũng hàn ở phía hợp kim nhôm quá lớn, gây ra hiện tượng lõm xuống dưới tác dụng của trọng lực. Khi RS=0,67 và 1,50, hoa văn vảy cá trên bề mặt mối hàn đồng đều, hình dạng mối hàn đẹp hơn, và không có vết nứt nóng, lỗ rỗ và các khuyết tật hàn khác có thể nhìn thấy trên bề mặt mối hàn. Hình dạng mặt cắt ngang của các mối hàn với tỷ lệ năng lượng chùm tia RS khác nhau được thể hiện trong hình vẽ. Mặt cắt ngang của các mối hàn có hình dạng “ly rượu” điển hình, cho thấy quá trình hàn được thực hiện ở chế độ hàn xuyên sâu bằng laser. RS có ảnh hưởng quan trọng đến độ sâu xuyên thấu P2 của mối hàn ở phía hợp kim nhôm. Khi tỷ lệ năng lượng chùm tia RS=0,5, P2 là 1203,2 micromet. Khi tỷ lệ năng lượng chùm tia là RS=0,67 và 1,5, P2 giảm đáng kể, lần lượt là 403,3 micromet và 93,6 micromet. Khi tỷ lệ năng lượng chùm tia là RS=2, độ sâu xuyên thấu của mặt cắt ngang mối hàn là 1151,6 micromet.
Ảnh hưởng của tỷ lệ năng lượng chùm tia song song đến sự hình thành đường hàn
Khi công suất laser là 2,8kW, tốc độ hàn là 33mm/s, độ lệch tiêu cự là 0mm và khoảng cách giữa các chùm tia là 1mm, bề mặt mối hàn thu được bằng cách thay đổi tỷ lệ năng lượng chùm tia (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5, 2, 4) được thể hiện trong hình vẽ. Khi RS=2, hoa văn vảy cá trên bề mặt mối hàn tương đối không đều. Bề mặt mối hàn thu được với năm tỷ lệ năng lượng chùm tia khác nhau được hình thành tốt, và không có các khuyết tật nhìn thấy được như lỗ rỗ và bắn tóe. Do đó, so với phương pháp hàn chùm tia kép nối tiếp, phương pháp này cho kết quả tốt hơn.hàn laserKhi sử dụng chùm tia kép song song, bề mặt mối hàn đồng đều và đẹp hơn. Ở tỷ lệ năng lượng chùm tia RS=0,25, mối hàn có một vết lõm nhẹ; khi tỷ lệ năng lượng chùm tia tăng dần (RS=0,5, 0,67 và 1,5), bề mặt mối hàn đồng đều và không có vết lõm; tuy nhiên, khi tỷ lệ năng lượng chùm tia tiếp tục tăng (RS=1,50, 2,00), bề mặt mối hàn lại xuất hiện các vết lõm. Khi tỷ lệ năng lượng chùm tia RS=0,25, 1,5 và 2, mặt cắt ngang của mối hàn có dạng “ly rượu”; khi RS=0,50, 0,67 và 1, mặt cắt ngang của mối hàn có dạng “phễu”. Khi RS=4, không chỉ xuất hiện các vết nứt ở đáy mối hàn mà còn xuất hiện một số lỗ rỗ ở phần giữa và dưới của mối hàn. Khi RS=2, xuất hiện các lỗ rỗ lớn bên trong mối hàn, nhưng không xuất hiện vết nứt. Khi RS=0,5, 0,67 và 1,5, độ sâu xuyên thấu P2 của mối hàn ở phía hợp kim nhôm nhỏ hơn, mặt cắt ngang của mối hàn được hình thành tốt và không có khuyết tật hàn rõ ràng. Điều này cho thấy tỷ lệ năng lượng chùm tia trong quá trình hàn laser hai chùm tia song song cũng có tác động quan trọng đến độ xuyên thấu và khuyết tật hàn.
Chùm tia song song – ảnh hưởng của khoảng cách giữa các chùm tia đến sự hình thành đường hàn.
Khi công suất laser là 2,8kW, tốc độ hàn là 33mm/s, độ lệch tiêu cự là 0mm và tỷ lệ năng lượng chùm tia RS=0,67, thay đổi khoảng cách giữa các chùm tia (d=0,5mm, 1mm, 1,5mm, 2mm) để thu được hình thái bề mặt mối hàn như hình minh họa. Khi d=0,5mm, 1mm, 1,5mm, 2mm, bề mặt mối hàn nhẵn và phẳng, hình dạng đẹp; hoa văn vảy cá của mối hàn đều đặn và đẹp, không có lỗ rỗ, vết nứt và các khuyết tật khác có thể nhìn thấy. Do đó, dưới bốn điều kiện khoảng cách chùm tia, bề mặt mối hàn được hình thành tốt. Ngoài ra, khi d=2mm, hai mối hàn khác nhau được hình thành, điều này cho thấy hai chùm tia laser song song không còn tác động lên vũng nóng chảy và không thể tạo thành mối hàn lai laser hai chùm tia hiệu quả. Khi khoảng cách giữa các chùm tia là 0,5mm, mối hàn có dạng “hình phễu”, độ sâu xuyên thấu P2 của mối hàn trên phía hợp kim nhôm là 712,9 micron, và không có vết nứt, lỗ rỗ hoặc các khuyết tật khác bên trong mối hàn. Khi khoảng cách giữa các chùm tia tiếp tục tăng, độ sâu xuyên thấu P2 của mối hàn trên phía hợp kim nhôm giảm đáng kể. Khi khoảng cách giữa các chùm tia là 1 mm, độ sâu xuyên thấu của mối hàn trên phía hợp kim nhôm chỉ còn 94,2 micron. Khi khoảng cách giữa các chùm tia tiếp tục tăng, mối hàn không tạo được độ xuyên thấu hiệu quả trên phía hợp kim nhôm. Do đó, khi khoảng cách giữa các chùm tia là 0,5mm, hiệu quả tái kết hợp hai chùm tia là tốt nhất. Khi khoảng cách giữa các chùm tia tăng lên, lượng nhiệt hàn giảm mạnh, và hiệu quả tái kết hợp laser hai chùm tia dần trở nên kém hơn.
Sự khác biệt về hình thái mối hàn là do sự khác biệt về dòng chảy và quá trình đông đặc làm nguội của vũng nóng chảy trong quá trình hàn. Phương pháp mô phỏng số không chỉ giúp phân tích ứng suất của vũng nóng chảy trực quan hơn mà còn giảm chi phí thí nghiệm. Hình ảnh bên dưới cho thấy sự thay đổi của vũng nóng chảy bên với một chùm tia duy nhất, các bố trí và khoảng cách điểm khác nhau. Các kết luận chính bao gồm: (1) Trong quá trình một chùm tiahàn laserTrong quá trình này, độ sâu của lỗ bể nóng chảy là sâu nhất, có hiện tượng sụp đổ lỗ, thành lỗ không đều, và sự phân bố trường dòng chảy gần thành lỗ không đồng đều; gần bề mặt phía sau của bể nóng chảy, dòng chảy ngược mạnh, và có dòng chảy ngược lên ở đáy bể nóng chảy; sự phân bố trường dòng chảy của bề mặt bể nóng chảy tương đối đồng đều và chậm, và chiều rộng của bể nóng chảy không đồng đều theo chiều sâu. Có sự nhiễu loạn do áp suất giật lùi của thành gây ra trong bể nóng chảy giữa các lỗ nhỏ trong chùm tia kép.hàn laservà nó luôn tồn tại dọc theo hướng độ sâu của các lỗ nhỏ. Khi khoảng cách giữa hai chùm tia tiếp tục tăng, mật độ năng lượng của chùm tia dần chuyển từ trạng thái đỉnh đơn sang trạng thái đỉnh đôi. Có một giá trị tối thiểu giữa hai đỉnh và mật độ năng lượng giảm dần. (2) Đối với chùm tia đôihàn laserKhi khoảng cách giữa các điểm là 0-0,5mm, độ sâu của các lỗ nhỏ trong vũng nóng chảy giảm nhẹ, và hành vi dòng chảy tổng thể của vũng nóng chảy tương tự như trường hợp sử dụng chùm tia đơn.hàn laser(3) Khi khoảng cách giữa các điểm lớn hơn 1mm, các lỗ nhỏ được tách biệt hoàn toàn, và trong quá trình hàn, hầu như không có sự tương tác giữa hai tia laser, tương đương với hai lần hàn laser đơn tia liên tiếp/song song với công suất 1750W. Hầu như không có hiệu ứng làm nóng trước, và hành vi dòng chảy của vũng nóng chảy tương tự như hàn laser đơn tia. Khi khoảng cách giữa các điểm là 0,5-1mm, bề mặt thành của các lỗ nhỏ phẳng hơn trong cả hai cách bố trí, độ sâu của các lỗ nhỏ giảm dần và đáy dần tách rời. Sự nhiễu loạn giữa các lỗ nhỏ và dòng chảy của vũng nóng chảy trên bề mặt mạnh nhất ở khoảng cách 0,8mm. Đối với hàn nối tiếp, chiều dài của vũng nóng chảy tăng dần, chiều rộng lớn nhất khi khoảng cách giữa các điểm là 0,8mm, và hiệu ứng làm nóng trước rõ rệt nhất khi khoảng cách giữa các điểm là 0,8mm. Hiệu ứng lực Marangoni giảm dần, và nhiều kim loại lỏng chảy về cả hai phía của vũng nóng chảy. Làm cho sự phân bố chiều rộng nóng chảy đồng đều hơn. Đối với hàn song song, chiều rộng của vũng nóng chảy tăng dần và chiều dài đạt tối đa ở mức 0,8mm, nhưng không có hiệu ứng làm nóng trước; hiện tượng chảy ngược gần bề mặt do lực Marangoni luôn tồn tại, và hiện tượng chảy ngược xuống dưới ở đáy lỗ nhỏ dần biến mất; trường dòng chảy mặt cắt ngang không tốt bằng trường dòng chảy nối tiếp, sự nhiễu loạn hầu như không ảnh hưởng đến dòng chảy ở cả hai phía của vũng nóng chảy, và chiều rộng của vũng nóng chảy phân bố không đều.
Thời gian đăng bài: 12 tháng 10 năm 2023
