Hàn laser – Ảnh hưởng của các thông số dao động đến quá trình hàn laser chế độ vòng điều chỉnh (ARM) đối với hợp kim nhôm

Hàn laser – Ảnh hưởng của các thông số dao động đến quá trình hàn laser chế độ vòng điều chỉnh (ARM) đối với hợp kim nhôm

1. Tóm tắt

Nghiên cứu này điều tra ảnh hưởng của biên độ và tần số dao động đến chất lượng bề mặt, cấu trúc vĩ mô và vi mô, và độ xốp của chế độ vòng điều chỉnh (ARM).hàn dao động bằng laserTấm hợp kim nhôm A5083. Kết quả cho thấy, khi tăng biên độ và tần số dao động, chất lượng bề mặt mối hàn được cải thiện. Khi biên độ tăng, mặt cắt ngang mối hàn chuyển từ hình dạng "cốc" sang hình dạng "lưỡi liềm". Phân tích cấu trúc vi mô cho thấy kích thước hạt của mối hàn không giảm khi tăng biên độ và tần số dao động do sự cạnh tranh giữa hiệu ứng khuấy trộn và giảm tốc độ làm nguội. Độ rỗ của mối hàn giảm khi tăng các thông số dao động, đạt độ rỗ cuối cùng là 0,22% khi biên độ là 2 mm. Chụp cắt lớp X-quang 3 chiều tiếp tục khẳng định ảnh hưởng của dao động đến sự phân bố lỗ rỗ: các lỗ rỗ lớn có xu hướng tập trung phía sau vũng nóng chảy, trong khi các lỗ rỗ nhỏ thể hiện tính đối xứng tốt hơn. Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết có giá trị để tối ưu hóa các thông số dao động nhằm đạt được chất lượng hàn laser cao trong các ứng dụng hợp kim nhôm A5083.

2. Bối cảnh ngành

Hợp kim nhôm có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, độ bền riêng cao và khả năng chống ăn mòn tốt, được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô, đường sắt cao tốc, hàng không vũ trụ và các ngành công nghiệp khác. Hàn laser có ưu điểm là hiệu quả cao, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và biến dạng mối hàn nhỏ. Do đó,Hàn laser là một phương pháp hàn tiết kiệm chi phí, phù hợp với các tấm kim loại dày.Điều này có thể làm giảm đáng kể số lần hàn. Rỗ khí là một khuyết tật đáng kể trong hàn laser hợp kim nhôm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất cơ học của mối hàn. Do đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để giảm thiểu và loại bỏ sự hình thành rỗ khí, bao gồm tối ưu hóa khí bảo vệ, áp dụng công nghệ chùm tia kép, sử dụng hệ thống công suất laser điều biến và áp dụng phương pháp chùm tia dao động. Công nghệ hàn laser dao động nổi bật nhờ khả năng kết hợp những ưu điểm của hàn laser với các đặc điểm riêng của nó. Sử dụng hàn laser dao động không chỉ có thể giảm rỗ khí mà còn cải thiện cấu trúc vi mô của mối hàn và nâng cao chất lượng mối hàn. Nhiều nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các khía cạnh khác nhau của hàn laser dao động, bao gồm giảm rỗ khí, tối ưu hóa phân bố năng lượng, tinh chỉnh cấu trúc hạt và đặc trưng dòng chảy nóng chảy trong vũng nóng chảy. Sự phân bố năng lượng laser đóng vai trò quan trọng trong phân bố nhiệt độ và độ sâu xuyên thấu của hàn laser. Ở một biên độ dao động nhất định, khi tần số quét tăng lên, quá trình hàn chuyển từ hàn xuyên sâu sang hàn không ổn định, và cuối cùng là hàn dẫn nhiệt. Kết quả cho thấy việc tăng biên độ và tần số quét có thể làm giảm độ rỗ, nhưng cũng làm giảm đáng kể độ sâu xuyên thấu của mối hàn, do đó làm giảm các tính chất cơ học của mối hàn. Trong những năm gần đây, laser chế độ vòng điều chỉnh (ARM) đã được phát triển, chia năng lượng laser thành lõi có mật độ năng lượng cao và vòng có mật độ năng lượng thấp, nhằm mục đích ổn định lỗ khóa và cải thiện chất lượng hàn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hàn dao động laser ARM để hàn hợp kim nhôm cường độ cao 6xxx dưới các tỷ lệ công suất lõi/vòng và độ rộng dao động khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy yếu tố chính ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn là độ rộng dao động, chứ không phải tỷ lệ công suất lõi-vòng. Tuy nhiên, sự phân bố lỗ rỗ và cơ chế ức chế của nó dưới sự kết hợp của dao động và laser ARM vẫn chưa được nghiên cứu. Trong bài báo này, một công nghệ hàn dao động laser ARM mới được áp dụng để giảm độ rỗ của mối hàn, đạt được độ sâu xuyên thấu cao hơn và chất lượng mối hàn tốt hơn. Một nghiên cứu toàn diện về sự phân bố năng lượng laser, hành vi động của vũng nóng chảy và cấu trúc vi mô dưới các tần số và biên độ dao động khác nhau được thực hiện.

3. Mục tiêu và quy trình thí nghiệm

Công nghệ hàn dao động laser tròn được sử dụng để hàn hợp kim nhôm. Vật liệu nền (BM) là hợp kim nhôm 5083-O với kích thước 300mm × 100mm × 5mm (chiều dài × chiều rộng × độ dày), thành phần hóa học được thể hiện trong bảng. Trước khi hàn, các mẫu được đánh bóng để loại bỏ lớp màng oxit trên bề mặt, sau đó được làm sạch bằng acetone trong bể siêu âm trong 15 phút để loại bỏ dầu trên bề mặt.hệ thống hàn laserHệ thống chủ yếu bao gồm một robot Kuka, một laser đĩa TruDisk 8001 và một máy quét điện kế 3D PFO. Laser đĩa TruDisk 8001 được sử dụng làm nguồn laser chế độ vòng điều chỉnh được, với tỷ lệ sợi quang lõi/vòng là 100/400 μm và công suất đầu ra tối đa là 8 kW (bước sóng 1030 nm, thông số chất lượng chùm tia là 4,0 mm·rad). Chùm tia laser bao gồm phần lõi và phần vòng, trong đó laser ở phần lõi trung tâm tạo ra một lỗ khóa (60% năng lượng laser), và laser ở phần vòng đảm bảo phân bố nhiệt độ tốt (40% năng lượng laser), như thể hiện trong Hình (b). Tiêu cự của thấu kính chuẩn trực và thấu kính hội tụ lần lượt là 138 mm và 450 mm. Trong quá trình hàn, camera tốc độ cao Phantom V1840 và nguồn sáng tần số cao Cavilux được sử dụng để giám sát quá trình hàn theo thời gian thực, với tốc độ chụp 5000 khung hình/giây và thời gian phơi sáng 1 μs. Trong nghiên cứu này, quỹ đạo dao động của chùm tia tròn, đường đi của tia laser và vận tốc tức thời được định nghĩa như trong hình vẽ.

4. Kết quả và thảo luận

4.1 Đặc điểm hình thái mối hàn Hình thái bề mặt mối hàn dưới các chế độ dao động laser khác nhau được thể hiện trong hình vẽ. Kết quả cho thấy bề mặt mối hàn của phương pháp hàn đường thẳng thông thường thô ráp (độ nhám 78,01 μm), với sự liên tục kém của các gợn sóng hàn và độ lan rộng mối hàn không đủ. Quan sát thấy hiện tượng hình thành mối hàn không đủ, bắn tóe nghiêm trọng và vết lõm. Khi tăng biên độ và tần số dao động, bề mặt mối hàn thể hiện cấu trúc vảy cá dày đặc và đồng đều. Độ nhám bề mặt của các mối hàn với biên độ dao động 0,5 mm, 1 mm và 2 mm lần lượt là 80,71 μm, 49,63 μm và 31,12 μm. Không có sự bất thường hoặc lồi lõm do bắn tóe gây ra. Kết quả cho thấy tần số dao động cao hơn dẫn đến dòng chảy vũng nóng chảy đều hơn, hiệu ứng khuấy trộn của chùm tia laser mạnh hơn và bề mặt mối hàn lý tưởng hơn. Về cơ bản, hình dạng của mối hàn laser có mối quan hệ nhân quả với chuyển động của chùm tia laser. Trong quá trình hàn, sự thay đổi biên độ và tần số dao động làm thay đổi tốc độ hàn, từ đó ảnh hưởng đến mật độ năng lượng tuyến tính và tổng lượng nhiệt đầu vào của laser. Hình thái mặt cắt ngang của mối hàn có dạng “cốc”, gồm hai phần: phần dưới là “thân”, và phần trên là “bát”. Chiều sâu xuyên thấu và “thân” được định nghĩa lần lượt là H1 và H2, và chiều rộng của mối hàn (“bát”) và “thân” được định nghĩa lần lượt là W1 và W2. Cả hai chiều rộng mối hàn W1 và W2 đều tăng đồng bộ với sự tăng của biên độ dao động, và hình thái mối hàn dần dần biến đổi từ dạng “cốc” sang dạng “lưỡi liềm”. Mật độ năng lượng laser tối đa xuất hiện tại vùng chồng lấp quỹ đạo. So sánh Hình (b, d) và (c, e), có thể thấy rằng việc tăng tần số quét sẽ làm tăng diện tích chồng lấp quỹ đạo dọc theo đường quét, làm cho sự phân bố năng lượng laser đồng đều hơn. Tuy nhiên, việc giảm mật độ năng lượng tối đa sẽ dẫn đến giảm chiều sâu mối hàn.

4.2 Hành vi của vũng nóng chảy Để làm rõ ảnh hưởng của đường quét đến hành vi của vũng nóng chảy, hệ thống camera tốc độ cao đã được sử dụng để quan sát quá trình tiến hóa của vũng nóng chảy và lỗ khóa. Hình (a) cho thấy quá trình tiến hóa của vũng nóng chảy theo đường thẳng. Hình (b-f) là sơ đồ tiến hóa của vũng nóng chảy dưới các thông số dao động khác nhau. Khi tần số và biên độ dao động tăng lên, phần phía sau của vũng nóng chảy trở nên tròn hơn do chiều rộng của vũng nóng chảy mở rộng. Khi chiều dài của vũng nóng chảy tăng lên, sự biến động bề mặt do sự hình thành lỗ khóa giảm đi trong quá trình lan truyền ngược. Do đó, kim loại lỏng nóng chảy đông đặc một cách trơn tru và đều đặn ở phần cuối phía sau của vũng nóng chảy, tạo thành các vảy cá hàn đồng nhất và dày đặc. Hình vẽ cho thấy sự thay đổi diện tích lỗ khóa trong quá trình hàn laser, được trích xuất từ ​​hình ảnh chụp tốc độ cao của vũng nóng chảy. Như thể hiện trong Hình (a), trong quá trình hàn theo đường thẳng, kích thước lỗ khóa cho thấy sự biến động rõ rệt. Quan sát thấy một số trường hợp lỗ khóa bị đóng kín (0 mm²), với diện tích lỗ khóa trung bình là 0,47 mm². Việc tăng biên độ dao động cũng có thể làm giảm sự dao động và cải thiện độ ổn định. Điều này là do trong hàn dao động, một tỷ lệ năng lượng lớn hơn được phân bổ cho cả hai phía. Do đó, cửa thoát trên lỗ khóa mở rộng, và biên độ dao động tăng lên, từ đó làm tăng diện tích mở. Việc tăng biên độ mở rộng phạm vi khuấy của chùm tia laser, dẫn đến sự mở rộng bán kính chuyển động tuần hoàn của lỗ khóa. Do độ nhớt của kim loại nóng chảy và áp suất thủy động tác động gần thành lỗ khóa, chuyển động dòng xoáy xảy ra trong vũng hàn nóng chảy gần miệng lỗ khóa. Sự mở rộng diện tích miệng lỗ khóa tăng cường độ ổn định, tránh hình thành bọt khí, và do đó ức chế đáng kể hiện tượng rỗ khí.

4.3 Cấu trúc vi mô Hình vẽ thể hiện hình thái EBSD của mặt cắt ngang mối hàn dưới các tần số và biên độ dao động khác nhau. Gần đường nóng chảy của mối hàn laser, các hạt dendrite hình cột phát triển về phía tâm mối hàn. Như thể hiện trong Hình (a), giữa vùng “bát” và vùng “thân”, có thể quan sát thấy sự khác biệt rõ rệt trong phân bố hạt hình cột. Các hạt hình cột được phân bố theo hình chữ U dọc theo thành “bát”, trong khi ở vùng “thân”, các hạt hình cột được phân bố theo hình chữ U dọc theo đường nóng chảy. Trong quá trình đông đặc của mối hàn, các hạt đông đặc một phần trong vùng nóng chảy đóng vai trò là điểm mầm cho mặt trận đông đặc và ưu tiên phát triển vuông góc với ranh giới vũng nóng chảy theo hướng có gradient nhiệt độ lớn nhất. Hiện tượng này xảy ra do mật độ công suất cao của laser dẫn đến quá nhiệt bên trong vũng hàn. Gradient nhiệt G cao hơn và tốc độ tăng trưởng R vừa phải làm cho G/R lớn hơn ngưỡng chuyển đổi cấu trúc vi mô, dẫn đến sự hình thành các hạt hình cột. Độ dốc nhiệt độ G tại tâm mối hàn giảm, khiến tỷ lệ G/R giảm dần xuống dưới ngưỡng chuyển đổi cấu trúc vi mô, chuyển sang dạng hạt đẳng trục. Các hạt đẳng trục nằm ở phần trung tâm của cả "bát" và "thân". Vì "thân" của mối hàn hẹp và gần với vật liệu nền, nên nó đông đặc hoàn toàn trước vùng "bát" trong quá trình làm nguội. Phần "thân" đã đông đặc đóng vai trò là điểm mầm ở đáy "bát", thúc đẩy sự phát triển hướng lên của các hạt hình cột. Hình vẽ minh họa quá trình hàn thẳng và hàn dao động. Hình ảnh cho thấy sự thay đổi liên tục vị trí chùm tia laser trong hàn dao động laser sẽ làm tăng chiều dài của vũng nóng chảy trung gian, làm nóng chảy lại kim loại đã đông đặc, dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng hạt r. Điều này có thể dẫn đến giảm tỷ lệ G/R trong vùng hạt đẳng trục phía dưới.

4.4 Phân bố độ rỗng Phương pháp chụp cắt lớp X-quang ba chiều được sử dụng để kiểm tra toàn diện mối hàn, thu được sự phân bố ba chiều của các lỗ rỗng trong mối hàn, như thể hiện trong hình. Độ rỗng được tính bằng tổng thể tích lỗ rỗng chia cho tổng thể tích của mối hàn. Bằng cách so sánh hình thái và sự phân bố lỗ rỗng của các mối hàn dao động laser đường thẳng và các mối hàn dao động laser hình tròn, người ta thấy rằng các mối hàn dao động laser đường thẳng chứa nhiều lỗ rỗng có thể tích lớn hơn, với độ rỗng là 2,49%, cao hơn đáng kể so với các mối hàn hình tròn.hàn dao động bằng laserSo sánh Hình (b, c) và (d, e), có thể thấy rằng việc tăng tần số dao động giúp ức chế sự hình thành lỗ rỗ. So sánh Hình (b, d) và (c, e), có thể thấy rằng việc tăng biên độ dao động cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế sự hình thành lỗ rỗ. Khi biên độ dao động được tăng lên nữa đến 2 mm (Hình (f)), độ rỗ giảm xuống còn 0,22%, chỉ còn lại các lỗ rỗ nhỏ và thể tích nhỏ. Hình vẽ mô tả sự phân bố diện tích lỗ rỗ ở các khoảng cách khác nhau từ đường tâm mối hàn, thể hiện độ rỗ dựa trên kích thước diện tích lỗ rỗ. Đối với hàn đường thẳng, diện tích lỗ rỗ được phân bố đối xứng dọc theo đường tâm mối hàn và giảm dần khi khoảng cách từ đường tâm mối hàn tăng lên. Kết quả cho thấy các lỗ rỗ do lỗ khóa gây ra chủ yếu tập trung phía sau lớp vỏ nóng chảy ở đường tâm mối hàn. Đối với hàn dao động laser, tính đối xứng của sự phân bố lỗ rỗ trở nên yếu hơn. Hình vẽ thể hiện diện tích lỗ rỗng ở các khoảng cách khác nhau so với bề mặt mối hàn, trong đó đường màu đỏ biểu thị ranh giới giữa vùng "bát" và vùng "thân". Trong trường hợp lỗ rỗng lớn chiếm ưu thế (Hình (ac)), diện tích lỗ rỗng phía trên ranh giới chiếm hơn 85%. Điều này là do sự chuyển tiếp đường viền tại ranh giới dọc dễ làm bẫy bọt khí trong vũng hàn, và các bọt khí bị bẫy có xu hướng di chuyển lên trên dưới tác động của lực nổi. Trong trường hợp lỗ rỗng nhỏ chiếm ưu thế (Hình (df)), các lỗ rỗng tập trung trong khu vực cách đường ranh giới 0,5 mm. Thời gian làm nguội ngắn và độ dịch chuyển lên trên nhỏ có thể là nguyên nhân của hiện tượng này.

5. Kết luận

(1) Các chế độ dao động laser khác nhau có tác động rõ rệt đến bề mặt mối hàn. Biên độ và tần số cao hơn có thể cải thiện chất lượng bề mặt, trong khi các thông số dao động quá lớn có thể làm tăng độ nhám và gây ra các khuyết tật lõm.

(2) Hình dạng mối hàn chủ yếu được xác định bởi các thông số dao động laser, ảnh hưởng đến tốc độ hàn, phân bố năng lượng và tổng lượng nhiệt đầu vào. Khi biên độ dao động tăng, hình thái mối hàn thay đổi từ “hình chén” sang “hình lưỡi liềm”, và tỷ lệ kích thước giảm.

(3) Khi biên độ và tần số dao động tăng lên, vũng nóng chảy trở nên rộng hơn và phần phía sau trở nên tròn hơn. Hiệu ứng dao động làm tăng chiều dài của vũng nóng chảy, có lợi cho việc thoát bọt khí và đông đặc đồng đều. Trong quá trình hàn đường thẳng, diện tích mở lỗ khóa dao động; nói một cách tương đối, sự dao động này có thể được giảm bớt, cải thiện độ ổn định của quá trình hàn.

(4) Việc tăng biên độ và tần số dao động làm giảm cả độ dốc nhiệt và tốc độ tăng trưởng, có lợi cho việc hình thành kích thước hạt lớn. Tuy nhiên, hiệu ứng khuấy bằng laser có lợi cho việc tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền kết cấu. Dưới các thông số laser khác nhau, độ cứng mối hàn vẫn tương đối ổn định, thấp hơn một chút so với vật liệu cơ bản, có thể là do mất magiê do bay hơi.

(5) Chụp cắt lớp X-quang ba chiều cho thấy hàn đường thẳng có độ rỗ cao hơn (2,49%) và thể tích lỗ rỗng lớn hơn so với hàn dao động. Tăng các thông số dao động có thể làm giảm đáng kể độ rỗ, thậm chí đạt 0,22% khi biên độ là 2 mm. Sự phân bố diện tích lỗ rỗng thay đổi theo dao động: các lỗ rỗng lớn tập trung phía sau vũng nóng chảy, và các lỗ rỗng nhỏ có tính đối xứng tốt hơn. Các lỗ rỗng lớn chủ yếu phân bố phía trên ranh giới giữa vùng “bát” và vùng “thân”, trong khi các lỗ rỗng nhỏ tập trung phía dưới ranh giới.