Lắp ráp hàn
1. Khe hở và sai lệch khi lắp ráp
Chất lượng lắp ráp rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hàn. Khe hở lắp ráp quá lớn hoặc sai lệch có thể dễ dàng gây ra các khuyết tật như cháy xuyên, hình thành mối hàn kém và độ xuyên thấu không hoàn toàn. Khe hở lắp ráp đối với các mối hàn góc và mối hàn giáp mí nên càng nhỏ càng tốt. Bảng 8-2 liệt kê các yêu cầu về khe hở và sai lệch trong hàn tự động bằng laser cầm tay.
2.Hàn điểm
Để đảm bảo kích thước phôi, giảm biến dạng và ngăn ngừa sai lệch vùng cần hàn do biến dạng xoắn trong quá trình hàn, thường cần phải hàn điểm trước khi hàn chính. Phương pháp hàn điểm lắp ráp tương tự như hàn chính. Chiều dài mối hàn điểm là 20–30mm, và yêu cầu về chất lượng của mối hàn điểm (ví dụ: độ sâu và chiều rộng) thấp hơn so với hàn chính. Tốc độ di chuyển thường nhanh hơn khi hàn điểm so với hàn chính. Trên cơ sở đảm bảo kết nối chắc chắn của mối hàn điểm, mối hàn điểm cần phải phẳng, dài và mỏng, không được quá lớn, quá rộng hoặc quá cao. Mối hàn điểm cũng cần được bảo vệ đầy đủ để tránh bị oxy hóa.
3. Đồ gá và kẹp
Hàn laser chủ yếu được sử dụng chohàn tấm mỏngTrong hàn tấm mỏng, quá trình hàn thường được thực hiện ở mặt trước của phôi, với lượng kim loại nóng chảy đủ ở mặt sau để đạt được mối hàn mặt sau tốt. Về lựa chọn thông số: lượng nhiệt đầu vào thấp có thể gây ra hiện tượng nóng chảy không hoàn toàn ở mặt sau; lượng nhiệt đầu vào cao, trong khi đảm bảo độ xuyên thấu hoàn toàn ở mặt sau, có thể dẫn đến hiện tượng cháy xuyên do trọng lực của kim loại nóng chảy hoặc chiều rộng vùng nóng chảy không tương xứng với độ dày của phôi. Để ngăn ngừa hiện tượng cháy xuyên, nếu phôi cho phép kẹp, nên sử dụng các dụng cụ kẹp để kẹp phôi trong quá trình hàn tấm mỏng—ép mặt trước và đặt một tấm đỡ bằng đồng hoặc thép không gỉ ở mặt sau. Điều này ngăn ngừa sự thay đổi khe hở lắp ráp hoặc sự lệch hướng do biến dạng hàn và tránh sự sụp đổ nhiệt. Khi phôi có sự tản nhiệt không đều giữa các vùng do lý do cấu trúc, việc sử dụng các dụng cụ kẹp để cân bằng sự tản nhiệt cũng rất hiệu quả, nhằm mục đích tạo ra các mối hàn có kích thước đồng nhất ở cả mặt trước và mặt sau.
Lựa chọn thông số hàn
Nhìn chung, các thông số hàn laser bao gồm công suất laser, độ rộng xung laser, lượng lệch tiêu điểm, tốc độ hàn và khí bảo vệ.
1. Công suất laser
Trong hàn laser, có một ngưỡng mật độ công suất laser. Dưới ngưỡng này, độ sâu xuyên thấu nông; khi đạt đến hoặc vượt quá ngưỡng, độ sâu xuyên thấu tăng lên đáng kể. Plasma chỉ được tạo ra khi mật độ công suất laser trên phôi vượt quá ngưỡng, cho thấy quá trình hàn xuyên thấu sâu ổn định. Dưới ngưỡng, chỉ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt (hàn dẫn nhiệt ổn định). Gần điều kiện tới hạn hình thành lỗ khóa, quá trình hàn xuyên thấu sâu và hàn dẫn nhiệt xen kẽ nhau, dẫn đến một quá trình không ổn định với sự dao động lớn về độ sâu xuyên thấu. Công suất laser là một trong những thông số quan trọng nhất trong gia công laser và là yếu tố quyết định chính đến độ sâu xuyên thấu của mối hàn. Với đường kính điểm hội tụ cố định, mật độ công suất laser tỷ lệ thuận với công suất laser: công suất cao hơn làm tăng độ sâu xuyên thấu và tốc độ hàn. Tuy nhiên, công suất quá cao gây ra hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng của vũng nóng chảy, làm tăng chiều rộng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và dẫn đến nhiều tia lửa bắn ra, có thể làm ô nhiễm thấu kính hàn. Với công suất cao, lớp bề mặt có thể được nung nóng đến điểm sôi và bốc hơi đáng kể trong vòng vài micro giây, lý tưởng cho các quá trình loại bỏ vật liệu như khoan, cắt và khắc. Với công suất thấp hơn, bề mặt cần vài mili giây để đạt đến điểm sôi, và lớp bên dưới tan chảy trước khi bề mặt bay hơi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hàn nóng chảy tốt.
2. Độ rộng xung laser
Độ rộng xung laser, hay còn gọi là “độ rộng xung”, là một thông số quan trọng trong hàn laser xung. Nó được xác định bởi độ sâu xuyên thấu và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): độ rộng xung càng lớn thì HAZ càng tăng, và độ sâu xuyên thấu tăng theo căn bậc hai của độ rộng xung. Tuy nhiên, độ rộng xung lớn hơn làm giảm công suất đỉnh, vì vậy chúng thường được sử dụng cho hàn dẫn nhiệt, tạo ra các mối hàn rộng và nông – đặc biệt thích hợp cho các mối nối chồng của các tấm mỏng và dày. Tuy nhiên, công suất đỉnh thấp gây ra lượng nhiệt đầu vào quá mức, và mỗi vật liệu có một độ rộng xung tối ưu để đạt được độ sâu xuyên thấu tối đa.
3. Lựa chọn mức độ làm mờ
Vị trí của điểm lấy nét rất quan trọng tronghàn nóng chảy laserKhi tiêu điểm nằm phía trên bề mặt phôi, độ sâu xuyên thấu nhỏ, khiến việc hàn xuyên thấu sâu trở nên khó khăn. Khi tiêu điểm nằm phía dưới bề mặt, mật độ năng lượng bên trong phôi cao hơn so với trên bề mặt, thúc đẩy quá trình nóng chảy và bay hơi mạnh hơn, cho phép năng lượng truyền sâu hơn vào phôi và tăng độ sâu xuyên thấu. Có hai chế độ lệch tiêu điểm: lệch tiêu điểm dương (mặt phẳng tiêu điểm nằm phía trên phôi) và lệch tiêu điểm âm (mặt phẳng tiêu điểm nằm phía dưới phôi). Trong thực tế, đối với các tấm dày cần độ sâu xuyên thấu lớn, người ta sử dụng lệch tiêu điểm âm, với tiêu điểm laser thường nằm cách bề mặt phôi 1–2mm. Đối với các tấm mỏng, người ta ưu tiên lệch tiêu điểm dương, với tiêu điểm nằm cách bề mặt 1–1,5mm.
4. Tốc độ hàn
Khi các thông số khác được giữ cố định, độ sâu thâm nhập giảm khi tốc độ hàn tăng, trong khi hiệu suất được cải thiện. Tốc độ quá cao không đáp ứng được yêu cầu về độ sâu thâm nhập; tốc độ quá thấp gây ra hiện tượng chảy quá mức, mối hàn rộng, quá nhiệt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và tăng nguy cơ nứt nóng.hàn laser xungTốc độ cũng được xác định bởi tần số xung tối đa và độ chồng lấp điểm cần thiết — mỗi điểm xung tiếp theo phải chồng lấp lên nhau ở một mức độ nhất định. Do đó, với một công suất laser và độ dày vật liệu nhất định, sẽ có một phạm vi tốc độ tối ưu, trong đó độ sâu xuyên thấu tối đa đạt được ở một tốc độ cụ thể.
5. Khí bảo vệ
Khí trơ thường được sử dụng để bảo vệ vũng nóng chảy trong quá trình hàn laser. Mặc dù một số vật liệu có thể không cần bảo vệ chống oxy hóa bề mặt, nhưng hầu hết các ứng dụng đều cần. Theo truyền thống, Ar, N₂ và He được sử dụng để hàn laser hợp kim nhôm nhằm ngăn ngừa oxy hóa. Về mặt lý thuyết, He là khí nhẹ nhất với năng lượng ion hóa cao nhất, nhưng ở công suất thấp và tốc độ cao, plasma yếu, làm giảm thiểu sự khác biệt giữa các loại khí. Các nghiên cứu cho thấy rằng trong cùng điều kiện, N₂ dễ gây ra hiện tượng tạo lỗ khóa hơn do phản ứng tỏa nhiệt với Al; các hợp chất ba thành phần Al-NO tạo thành có khả năng hấp thụ laser cao hơn. Tuy nhiên, N₂ nguyên chất tạo thành các pha Al-N giòn và các lỗ rỗng trong mối hàn. Khí trơ, do nhẹ, thoát ra mà không gây ra lỗ rỗng, làm cho hỗn hợp khí hiệu quả hơn. Gần đây, nghiên cứu về hàn laser Al sử dụng hỗn hợp Ar-O₂ và N₂-O₂ đã tăng lên.
6. Hấp thụ vật chất
Khả năng hấp thụ năng lượng laser của vật liệu phụ thuộc vào các đặc tính như hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi, trong đó hệ số hấp thụ là yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số hấp thụ bao gồm:
Điện trở suất: Đối với các bề mặt được đánh bóng, độ hấp thụ tỷ lệ thuận với căn bậc hai của điện trở suất, và điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ.
Tình trạng bề mặt: Ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp thụ và do đó ảnh hưởng đến kết quả hàn.
Mẹo vận hành và những điều cần tránh khi hàn laser sợi quang cầm tay
1. Tránh bức xạ hồ quang
Máy hàn laser sợi quang cầm taySử dụng laser sợi quang loại 4 phát ra bức xạ (1080±3)nm với công suất đầu ra vượt quá 1000W (tùy thuộc vào kiểu máy). Tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp có thể gây hại cho mắt hoặc da. Mặc dù vô hình, chùm tia có thể gây tổn thương không thể phục hồi cho võng mạc hoặc giác mạc. Luôn đeo kính bảo hộ laser đạt tiêu chuẩn khi laser đang hoạt động. Không bao giờ nhìn trực tiếp vào đầu ra khi laser đang bật, ngay cả khi đeo kính bảo hộ.
2. Thiết lập thông số hàn
Đặt công suất laser thấp trên màn hình cảm ứng (như hình 8-2). Đặt đầu phun đồng của đầu hàn vào phôi và nhấn công tắc mỏ hàn để phát laser hàn. Các thông số điển hình: tần số laser 5000Hz, tốc độ quét điện 300–600, độ trễ khí >100ms, chu kỳ làm việc 100% để phát liên tục. Điều chỉnh chiều rộng mối hàn dựa trên khe hở lắp ráp; công suất có thể điều chỉnh từ 0–1000W (0–100% công suất tối đa). Sau khi nhập thông số, nhấp vào “OK” và lưu để cài đặt có hiệu lực.
4. Không nên tăng tốc độ hàn quá mức.
Các mối hàn được tạo ra bằng cách di chuyển nguồn laser (xem Hình 8-3). Độ sâu và chiều rộng phụ thuộc vào tốc độ và công suất, với tốc độ điển hình là 1–3 m/phút, tạo ra các bề mặt nhẵn, không có vảy với tỷ lệ chiều cao/chiều rộng <1. Với dòng điện và điện áp cố định, việc thay đổi tốc độ ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiệt đưa vào, làm thay đổi độ xuyên thấu và chiều rộng. Tốc độ quá cao sẽ gây ra hiện tượng gia nhiệt không đủ, dẫn đến giảm độ xuyên thấu, chiều rộng hẹp, vết lõm, lỗ rỗ và độ xuyên thấu không hoàn toàn.
Làm sạch bằng cơ học: Sử dụng bàn chải thép không gỉ hoặc bánh mài khí nén để loại bỏ oxit cho đến khi đạt được bề mặt trắng sáng. Hàn ngay sau khi đánh bóng; đánh bóng lại nếu việc hàn bị trì hoãn hơn 36 giờ.
Làm sạch bằng hóa chất: Loại bỏ oxit bằng các phản ứng hóa học (phương pháp khác nhau tùy thuộc vào vật liệu). Bảng 8-3 liệt kê các phương pháp làm sạch bằng hóa chất cho hợp kim nhôm. Loại bỏ dầu/bụi bằng dung môi hữu cơ (xăng, cồn isopropyl) bằng cách ngâm, lau và làm khô.
5. Giảm thiểu độ xốp
Lỗ khí hydro thường xuất hiện trong quá trình hàn laser hợp kim nhôm. Giảm thiểu chúng bằng cách loại bỏ hơi ẩm, dầu và oxit trên bề mặt. Kéo dài thời gian làm nguội vũng nóng chảy (bằng cách tăng độ rộng xung) giúp khí thoát ra ngoài, vì chu kỳ nhiệt nhanh của hàn laser hạn chế sự thoát khí. Tránh các vị trí lấy nét hoặc lệch tiêu cự, nơi các phản ứng mạnh trong vũng nóng chảy và sự bay hơi của hợp kim làm tăng độ rỗ; sử dụng năng lượng nhẹ hơn thông qua việc điều chỉnh độ lệch tiêu cự để giảm sự bay hơi.
6. Chú ý tư thế cầm đèn pin
Mỏ hàn laser cầm tay (xem Hình 8-4) nặng hơn mỏ hàn TIG và có dây cáp dày, gây mỏi cho người vận hành. Đối với hàn kéo dài, hãy cầm mỏ hàn bằng cả hai tay, giữ đầu mỏ hàn tiếp xúc với vật hàn, căn chỉnh mối hàn bằng mắt thường và kéo mỏ hàn đều đặn về phía mình. Điều chỉnh tư thế dựa trên vị trí hàn để giảm thiểu mệt mỏi và số lượng mối hàn.
7. Ngăn ngừa tổn thương do tia laser
Vận hành không đúng cách có thể gây ra tai nạn. Hãy tuân thủ các quy tắc sau:
Tuyệt đối không được nhìn chằm chằm vào đầu phát laser trong quá trình hoạt động.
Không sử dụnglaser sợi quangTrong môi trường thiếu sáng/tối.
Tuyệt đối không được chiếu đèn pin vào người khi thiết bị đang hoạt động.
Sử dụng rào chắn kim loại trong phạm vi 3m tính từ khu vực hàn.
Chỉ cho phép người vận hành máy hàn vào khu vực hàn.
Hãy luôn trang bị đồ bảo hộ (kính bảo hộ, khẩu trang, găng tay đạt tiêu chuẩn). Tuyệt đối không nhìn chằm chằm vào đầu phát laser khi máy đang hoạt động, ngay cả khi đã đeo kính bảo hộ.
Cầm đèn pin và dây cáp cẩn thận (bán kính uốn cong tối thiểu >200mm).
Tắt chức năng phát tia laser khi không sử dụng.
Đảm bảo chất lượng vòi phun để bảo vệ khí hiệu quả:
Thành trong nhẵn mịn, đồng tâm với đường laser.
Thay thế kịp thời các vòi phun bị biến dạng để duy trì chuyển động ổn định của mỏ hàn.
Kích thước lỗ phun (xem Hình 8-6) ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn: lỗ phun lớn hơn làm tăng lưu lượng khí, đẩy nhanh quá trình đông đặc và làm tăng nguy cơ rỗ khí/nứt nẻ.
8. Tránh tốc độ cao đối với các hợp kim dễ bị nứt.
Hàn laser cầm taySử dụng đèn hàn điện kế dao động tự sinh, không dây. Tốc độ cao làm giảm độ xuyên thấu, thu hẹp mối hàn, gây lõm và làm gián đoạn lớp khí bảo vệ, làm giảm hiệu quả bảo vệ. Sử dụng tốc độ thấp hơn cho các hợp kim dễ bị nứt.
9. Đảm bảo chất lượng mối nối
Chênh lệch nhiệt độ và hàn không dây có thể gây cháy xuyên, tạo miệng hố hoặc nứt miệng hố. Hàn liên tục để giảm thiểu số lần dừng; nếu không thể tránh khỏi việc dừng (ví dụ: thay đổi vị trí, hàn từng đoạn), hãy giảm tốc độ một chút (10mm) trước khi dừng để tránh tạo miệng hố. Bắt đầu lại cách miệng hố trước đó 20mm để đảm bảo độ chồng lấp và chất lượng.
10. Thực hiện đúng thao tác di chuyển đuốc
Kéo mỏ hàn về phía mình (từ xa đến gần) mà không rung lắc ngang. Duy trì tốc độ ổn định trong khi theo dõi sự hình thành mối hàn đều đặn. Đối với hàn dọc, sử dụng chuyển động xuống dưới (không phải lên trên) để tận dụng quá trình đông đặc nhanh và đảm bảo chuyển động ổn định.
11. Tránh hiện tượng lõm, góc bo nhỏ và sụp đổ trong các mối hàn chồng.
Đối với các mối hàn chồng, điều chỉnh góc chiếu laser sao cho điện kế bao phủ 2/3 tấm thẳng đứng (xem Hình 8-7). Điều này làm tan chảy tấm thẳng đứng (như vật liệu phụ) và 1/3 tấm đế thông qua dẫn nhiệt, tạo thành mối hàn có kích thước đủ lớn sau khi nguội. Các mối hàn chồng kém chất lượng làm suy yếu độ bền của mối nối, giảm khả năng chống nứt hoặc gây ra hư hỏng cấu trúc—tránh hiện tượng lõm đáy.
12. Giảm độ phản xạ trong quá trình hàn hợp kim nhôm
Nhôm phản xạ 60–98% năng lượng laser. Độ phản xạ giảm mạnh ở điểm nóng chảy và ổn định khi tan chảy. Độ hấp thụ giảm khi góc chiếu tăng; độ hấp thụ tối đa xảy ra ở góc chiếu vuông góc (cần điều chỉnh để bảo vệ thấu kính). Giảm độ phản xạ bằng cách loại bỏ oxit thông qua quá trình làm sạch cơ học/hóa học.
13. Sử dụng khí bảo vệ đúng cách
Khí bảo vệ ảnh hưởng đến hình thành mối hàn, độ xuyên thấu và chiều rộng mối hàn. Hầu hết các loại khí đều cải thiện chất lượng nhưng cũng có thể có nhược điểm:
Ar: Năng lượng ion hóa thấp, tạo ra plasma mạnh (làm giảm hiệu suất laser) nhưng trơ, giá thành thấp và đặc – bao phủ hiệu quả vùng nóng chảy (lý tưởng cho mục đích sử dụng chung).
N₂: Năng lượng ion hóa vừa phải (giảm plasma tốt hơn Ar), nhưng phản ứng với nhôm/thép cacbon tạo thành các nitrit giòn, làm giảm độ bền (không khuyến khích sử dụng cho các vật liệu này). Thích hợp cho thép không gỉ, nơi các nitrit làm tăng độ bền.
14. Tốc độ dòng khí bảo vệ
Khí được phun ra qua vòi phun ở áp suất xác định. Thiết kế thủy động lực học và đường kính đầu ra của vòi phun rất quan trọng: đủ lớn để bao phủ mối hàn, nhưng phải được thu hẹp để ngăn dòng chảy rối (gây ra hiện tượng hút không khí và tạo lỗ rỗ). Đối với hàn laser cầm tay, tốc độ dòng chảy điển hình là 7L/phút. Tốc độ dòng chảy quá mức sẽ làm trộn các chất gây ô nhiễm vào vũng nóng chảy, làm giảm độ tinh khiết của khí – hãy chọn tốc độ dòng chảy phù hợp.
15. Vị trí lấy nét laser
Vị trí lấy nét: Điểm nhỏ nhất, năng lượng cao nhất — sử dụng chohàn điểmhoặc yêu cầu năng lượng thấp, kích thước điểm tối thiểu (xem Hình 8-8).
Hiện tượng mất nét âm: Điểm hàn lớn hơn (tăng theo khoảng cách từ tiêu điểm) — thích hợp cho hàn liên tục xuyên sâu và hàn điểm sâu.
Hiệu ứng làm mờ dương: Vùng hội tụ lớn hơn (tăng theo khoảng cách từ tiêu điểm) — thích hợp cho việc hàn kín bề mặt hoặc hàn liên tục có độ xuyên thấu thấp.
Kiểm soát hàn xuyên thấu hoàn toàn: Sự thay đổi màu sắc nhẹ ở mặt sau cho thấy chất lượng tốt; các vết/độ xuyên thấu rõ ràng gây ra hiện tượng bắn tóe hoặc các rãnh sâu trong quá trình hàn liên tục. Điều chỉnh tiêu điểm, năng lượng và dạng sóng dựa trên các mẫu. Sử dụng các điểm nhỏ hơn cho các vật liệu mỏng hơn để tránh bị cháy xuyên.
Thời gian đăng bài: 21/08/2025
