Cả hàn laser và hàn hồ quang đều đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và cho phép ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ ghép nối vật liệu. Mỗi quy trình này đều có các lĩnh vực ứng dụng cụ thể, được mô tả bởi các quá trình vật lý truyền năng lượng đến phôi và các dòng năng lượng có thể thu được. Năng lượng được truyền từ nguồn laser đến vật liệu cần gia công bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp năng lượng cao, sử dụng cáp quang. Hồ quang truyền nhiệt cần thiết cho việc hàn bằng dòng điện cao chạy đến phôi thông qua cột hồ quang. Bức xạ laser tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt rất hẹp với tỷ lệ chiều sâu hàn so với chiều rộng đường hàn lớn (hiệu ứng hàn sâu). Khả năng bắc cầu khe hở của quá trình hàn laser rất thấp do đường kính tiêu điểm nhỏ, nhưng mặt khác nó có thể đạt được tốc độ hàn rất cao. Quá trình hàn hồ quang có mật độ năng lượng thấp hơn nhiều, nhưng tạo ra điểm hội tụ lớn hơn trên bề mặt phôi và có tốc độ gia công chậm hơn. Bằng cách kết hợp cả hai quy trình này, có thể đạt được những lợi ích cộng hưởng hữu ích. Tóm lại, điều này giúp đạt được cả lợi thế về chất lượng và lợi ích về kỹ thuật sản xuất, cũng như cải thiện hiệu quả chi phí. Quy trình này mang lại những ứng dụng thú vị và hấp dẫn về mặt kinh tế, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, bởi vì nó cho phép dung sai cao hơn đối với các mối hàn, tốc độ hàn cao hơn và đạt được các thông số cơ khí/công nghệ rất tốt.
1. Giới thiệu:
Người ta đã biết cách kết hợp ánh sáng laser và hồ quang vào một quy trình hàn hỗn hợp từ những năm 1970, nhưng sau đó rất lâu, không có công trình nghiên cứu phát triển nào tiếp tục được thực hiện. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã quay trở lại chủ đề này và cố gắng kết hợp những ưu điểm của hồ quang với những ưu điểm của laser, trong một quy trình hàn lai. Trong khi trước đây, các nguồn laser vẫn phải chứng minh tính phù hợp của chúng cho việc sử dụng trong công nghiệp, thì ngày nay chúng là thiết bị công nghệ tiêu chuẩn trong nhiều doanh nghiệp sản xuất.
Sự kết hợp giữa hàn laser với một quy trình hàn khác được gọi là “quy trình hàn lai”. Điều này có nghĩa là chùm tia laser và hồ quang hoạt động đồng thời trong cùng một vùng hàn, và chúng ảnh hưởng và hỗ trợ lẫn nhau.
2. Tia laser:
Hàn laser không chỉ đòi hỏi công suất laser cao mà còn cần chùm tia chất lượng cao để đạt được hiệu ứng "hàn sâu" mong muốn. Chất lượng chùm tia cao hơn này có thể được tận dụng để có đường kính tiêu điểm nhỏ hơn hoặc khoảng cách tiêu điểm lớn hơn.
Đối với các dự án phát triển đang được tiến hành, người ta sử dụng laser trạng thái rắn bơm bằng đèn với công suất chùm tia laser là 4 kW. Ánh sáng laser được truyền qua sợi quang thủy tinh 600 µm.
Ánh sáng laser được truyền qua một sợi quang thủy tinh, trong đó phần đầu và phần cuối được làm mát bằng nước. Tia laser được chiếu lên phôi gia công bằng một mô-đun hội tụ có tiêu cự 200 mm.
3. Quy trình kết hợp laser:
Để hàn các chi tiết kim loại, chùm tia laser Nd:YAG được hội tụ ở cường độ trên 106 W/cm2. Khi chùm tia laser chiếu vào bề mặt vật liệu, nó làm nóng điểm này đến nhiệt độ hóa hơi, và một khoang hơi được hình thành trong kim loại hàn do hơi kim loại thoát ra. Đặc điểm nổi bật của đường hàn là tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng cao. Mật độ dòng năng lượng của hồ quang tự cháy hơi cao hơn 104 W/cm2. Hình 1 minh họa nguyên lý cơ bản của hàn lai. Chùm tia laser
Hình ảnh minh họa ở đây cung cấp nhiệt cho kim loại hàn ở phần trên của đường hàn, ngoài nhiệt từ hồ quang. Không giống như cấu hình tuần tự, trong đó hai quy trình hàn riêng biệt hoạt động kế tiếp nhau, hàn lai có thể được xem như sự kết hợp của cả hai quy trình hàn hoạt động đồng thời trong cùng một vùng xử lý. Tùy thuộc vào quy trình hồ quang hoặc laser nào được sử dụng và các thông số quy trình, các quy trình sẽ ảnh hưởng lẫn nhau ở mức độ và theo những cách khác nhau [1, 2].
Nhờ sự kết hợp giữa quy trình laser và quy trình hồ quang, cả độ sâu thâm nhập mối hàn và tốc độ hàn đều tăng lên (so với việc sử dụng riêng lẻ từng quy trình). Hơi kim loại thoát ra từ khoang hơi tác động ngược trở lại plasma hồ quang. Sự hấp thụ bức xạ laser Nd:YAG trong plasma xử lý vẫn không đáng kể. Tùy thuộc vào tỷ lệ hai đầu vào năng lượng được chọn, đặc tính của toàn bộ quy trình có thể được xác định ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn bởi laser hoặc bởi hồ quang [3,4].
Hình 1: Sơ đồ minh họa: Hàn LaserHybrid
Sự hấp thụ bức xạ laser chịu ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ bề mặt phôi. Trước khi quá trình hàn laser bắt đầu, cần phải khắc phục hiện tượng phản xạ ban đầu, đặc biệt là trên bề mặt nhôm. Điều này có thể đạt được bằng cách bắt đầu hàn với một chương trình khởi động đặc biệt. Sau khi đạt đến nhiệt độ hóa hơi, khoang hơi được hình thành, dẫn đến việc gần như toàn bộ năng lượng bức xạ có thể được truyền vào phôi. Năng lượng cần thiết cho quá trình này do đó được xác định bởi sự hấp thụ phụ thuộc vào nhiệt độ và lượng năng lượng bị mất đi.
bằng cách dẫn vào phần còn lại của phôi. Trong hàn LaserHybrid, sự bay hơi diễn ra không chỉ từ bề mặt của phôi mà còn từ dây hàn, có nghĩa là có nhiều hơi kim loại hơn, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa bức xạ laser vào. Điều này cũng ngăn ngừa sự gián đoạn quá trình [5, 6, 7, 8, 9].
4. Ứng dụng trong ngành ô tô:
Bằng cách sử dụng công nghệ khung không gian, trọng lượng có thể giảm tới 43% so với thân xe bằng thép.
Hình 2: Mẫu concept Audi Space frame A2
Khung xe Audi A2 Space frame bao gồm 30 m cắt laser (các dải màu vàng trong hình 2) và 20 m hàn MIG. Ngoài ra, còn sử dụng 1700 đinh tán.
Hình 3: So sánh các biên dạng và kỹ thuật ghép nối trên xe Audi-A2
Hình 4 thể hiện mối hàn LaserHybrid giữa vật liệu đúc ALMg3 và vật liệu dạng tấm AlMgSi. Dây hàn là AlSi5 và khí bảo vệ được sử dụng là Argon. Với việc tăng công suất laser, độ xuyên sâu có thể đạt được. Việc kết hợp chùm tia laser với hồ quang theo cách này tạo ra vũng hàn lớn hơn so với chỉ sử dụng quy trình hàn bằng chùm tia laser. Điều này cho phép hàn các chi tiết có khe hở rộng hơn.
Hình 4: Mối nối chồng với khe hở 0,5 mm
Trong ngành công nghiệp ô tô, có rất nhiều ứng dụng của hàn chồng mối nối mà không cần chuẩn bị mối hàn. Hiện nay, quy trình tiên tiến nhất cho công việc hàn này là hàn laser với dây hàn nguội, do hiện tượng nứt nóng của hợp kim AA 6xxx. Khi mối hàn được thực hiện bằng dây hàn, một lượng lớn năng lượng laser sẽ bị mất đi để làm nóng chảy dây hàn đó.
Hình tiếp theo thể hiện sự khác biệt giữa hàn LaserHybrid và hàn Laser trên mối nối chồng với tốc độ hàn 2,4m/phút. Trong trường hợp hàn laser, không thể lấp đầy đường hàn, dẫn đến hiện tượng lõm. Ngoài ra, độ xuyên thấu vào vật liệu nền rất nhỏ. Chiều rộng đường hàn rất nhỏ, do đó dự kiến độ bền kéo sẽ thấp. Trong trường hợp hàn LaserHybrid,
Vật liệu bổ sung được vận chuyển vào vũng hàn. Phần lõm được lấp đầy bằng dây hàn từ quá trình hàn MIG, và một phần năng lượng laser được tiết kiệm. Năng lượng laser tiết kiệm được này có thể được sử dụng để tăng độ xuyên thấu vào vật liệu nền và chiều rộng mối hàn lớn hơn độ dày vật liệu, điều này cần thiết cho mô phỏng số.
Hình 5. So sánh giữa hàn LaserHybrid và hàn Laser không dùng dây phụ
Với quy trình hàn LaserHybrid, có thể hàn các vật liệu nhôm, thép và thép không gỉ với độ dày lên đến 4 mm. Nếu độ dày quá lớn, không thể đạt được độ xuyên thấu hoàn toàn. Đối với việc nối các vật liệu được phủ kẽm, cũng nên sử dụng quy trình hàn laser.
Các ứng dụng khác trong ngành ô tô bao gồm hệ thống truyền động, trục xe và thân xe, nơi quy trình hàn lai laser có thể phù hợp.
Đầu hàn:
Đầu hàn cần có kích thước hình học nhỏ gọn để đảm bảo khả năng tiếp cận tốt các bộ phận cần hàn, đặc biệt là trong lĩnh vực sửa chữa thân xe ô tô. Hơn nữa, nó cần được thiết kế để cho phép kết nối tháo rời phù hợp với đầu robot và khả năng điều chỉnh các biến số quy trình như khoảng cách tiêu cự và khoảng cách giữa mỏ hàn và đầu hàn theo mọi tọa độ Descartes. Hình 5 cho thấy đầu hàn trong quá trình hoạt động. Sự bắn tóe xảy ra trong quá trình hàn dẫn đến việc kính bảo vệ bị bẩn ngày càng nhiều. Kính thạch anh được phủ một lớp vật liệu chống phản xạ ở cả hai mặt và có tác dụng bảo vệ hệ thống quang học laser khỏi bị hư hại.
Tùy thuộc vào mức độ bám bẩn, các hạt bắn tóe tích tụ trên kính có thể làm giảm công suất laser thực tế tác động lên phôi tới 90%. Bám bẩn nặng hơn thường dẫn đến sự phá hủy lớp kính bảo vệ, vì một phần lớn năng lượng bức xạ khi đó bị chính kính hấp thụ, gây ra ứng suất nhiệt trong kính. Với đầu hàn và thiết bị hàn đó, có thể sử dụng nó cho hàn LaserHybrid, hàn laser, hàn MSG và các phương pháp khác.Hàn dây nóng bằng laser.
Hình 6: Đầu hàn và quy trình hàn
5. Ưu điểm của hàn lai laser:
Sự kết hợp giữa hồ quang và chùm tia laser mang lại những ưu điểm sau: Ưu điểm của hàn LaserHybrid so với hàn laser thông thường:
• Độ ổn định quy trình cao hơn
• Khả năng bắc cầu cao hơn
• thâm nhập sâu hơn
• Chi phí đầu tư vốn thấp hơn
• Độ dẻo cao hơn
Ưu điểm của hàn LaserHybrid so với hàn MIG:
• tốc độ hàn cao hơn
• Độ xuyên thấu sâu hơn ở tốc độ hàn cao hơn
• Lượng nhiệt đầu vào thấp hơn
• Độ bền kéo cao hơn
• Đường hàn hẹp hơn
Hình 7: Ưu điểm của việc kết hợp hai quy trình
Quá trình hàn hồ quang có đặc điểm là nguồn năng lượng giá rẻ, khả năng tạo cầu nối tốt và dễ dàng điều chỉnh cấu trúc bằng cách thêm kim loại phụ. Mặt khác, đặc điểm nổi bật của quá trình hàn laser là độ sâu hàn lớn, tốc độ hàn cao, tải nhiệt thấp và đường hàn hẹp. Ở mật độ chùm tia nhất định, chùm tia laser tạo ra "hiệu ứng hàn sâu" trong vật liệu kim loại, cho phép hàn các chi tiết có độ dày thành lớn hơn - với điều kiện công suất laser đủ cao. Do đó, hàn lai laser giúp tăng tốc độ hàn, ổn định quá trình nhờ sự tương tác giữa hồ quang và chùm tia laser, tăng hiệu suất nhiệt và dung sai chi tiết lớn hơn. Vì vũng hàn nhỏ hơn so với quá trình hàn MIG, nên lượng nhiệt đầu vào ít hơn và do đó vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn. Điều này có nghĩa là ít biến dạng mối hàn hơn.
sự biến dạng này giúp giảm lượng công việc nắn thẳng sau hàn cần thực hiện.
Trong trường hợp có hai vũng hàn riêng biệt, lượng nhiệt sinh ra từ hồ quang sau đó sẽ làm cho vùng hàn – đặc biệt là đối với thép – được xử lý tôi sau hàn, giúp phân bố độ cứng đồng đều hơn trên toàn bộ đường hàn. Hình 6 tóm tắt những ưu điểm của quy trình kết hợp (tức là quy trình lai).
Xét đến những ưu điểm kinh tế của hàn lai so với hàn laser, có thể đưa ra những nhận định sau: Mối hàn bao gồm một phần là hàn laser và một phần là hàn MIG. Quy trình hàn lai cho phép giảm công suất chùm tia laser, nghĩa là mức tiêu thụ năng lượng của nguồn laser có thể giảm đáng kể, vì thiết bị tạo chùm tia laser chỉ có hiệu suất 3%. Nói cách khác: Giảm 1 kW công suất chùm tia laser tác động lên phôi sẽ dẫn đến giảm khoảng 35 kVA điện năng tiêu thụ từ lưới điện.
Thiết bị tạo chùm tia laser có giá khoảng 0,1 EUR/m² cho mỗi 1 kW.công suất chùm tia laserLấy một ví dụ, trong trường hợp việc sử dụng quy trình lai cho phép sử dụng thiết bị chùm tia laser 2 kW thay vì thiết bị có công suất chùm tia 4 kW, điều này sẽ tiết kiệm được 0,2 triệu EUR chi phí đầu tư. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đối với quy trình lai, sẽ cần một máy hàn MIG có giá khoảng 20.000 EUR.
Nhờ tốc độ hàn cao hơn, cả thời gian chế tạo và chi phí hàn đều có thể được giảm thiểu.
6. Hàn bằng dây nóng laser:
Một khả năng khác để kết hợp chùm tia laser với dây hàn là quy trình LaserHotwire [10]. Trong quy trình này, dây hàn được làm nóng trước bằng cùng một nguồn điện, có thể được sử dụng choQuy trình hàn lai laserDây hàn có tải dòng điện từ 100 A đến 220 A. Tốc độ cấp dây phụ thuộc vào tiết diện của mối hàn và tốc độ hàn. Hàn laser, nhờ lượng kim loại phụ, tạo ra vật liệu định hình dễ hoàn thiện hơn so với các mối hàn thông thường. Thông qua việc hàn các chi tiết dạng tấm, công việc sửa chữa có thể được thực hiện dễ dàng hơn so với các mối hàn thông thường. Một ưu điểm của hàn laser là khả năng chống ăn mòn tốt của vùng hàn.
Các hợp kim đồng giá rẻ như SG-CuSi3 được sử dụng làm vật liệu phụ và khí Argon đóng vai trò là khí bảo vệ.
Hình 8: Sơ đồ minh họaHàn dây nóng bằng laser:
Hình tiếp theo cho thấy mặt cắt ngang của vật liệu được hàn bằng dây nóng laser. Vật liệu được phủ kẽm được hàn với tốc độ 3 m/phút và dây hàn có dòng điện 205 A. Lượng nhiệt đầu vào rất thấp, do đó quá trình hàn tạo ra độ biến dạng thấp.
7. Tóm tắt:
Hàn lai laser là một công nghệ hoàn toàn mới, mang lại sự cộng hưởng cho nhiều lĩnh vực ứng dụng trong ngành gia công kim loại, đặc biệt là trong những trường hợp không thể hoặc không khả thi về mặt kinh tế để đạt được dung sai chi tiết cần thiết bằng các phương pháp khác.hàn chùm tia laserPhạm vi ứng dụng rộng hơn nhiều và khả năng cao của quy trình kết hợp dẫn đến khả năng cạnh tranh được nâng cao về mặt giảm chi phí đầu tư, rút ngắn thời gian chế tạo, giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất.
Quy trình LaserHybrid cũng mang đến một phương pháp mới cho việc hàn nhôm. Tuy nhiên, một quy trình ổn định có thể được sử dụng trong thực tế chỉ mới trở nên khả thi trong thời gian gần đây, nhờ vào công suất đầu ra cao hơn của các laser trạng thái rắn. Nhiều nghiên cứu đã xem xét các nguyên lý cơ bản của quy trình hàn lai laser-hồ quang. “Quy trình hàn lai” ở đây có nghĩa là sự kết hợp giữa hàn chùm tia laser và quy trình hàn hồ quang, chỉ với một vùng xử lý duy nhất (plasma và nóng chảy). Các nghiên cứu cơ bản đã chỉ ra rằng có thể tạo ra một quy trình mà bằng cách kết hợp hai quy trình này, có thể đạt được sự cộng hưởng và bù đắp những nhược điểm của từng quy trình riêng lẻ, dẫn đến khả năng hàn, độ bền hàn và độ tin cậy hàn được nâng cao đối với nhiều vật liệu và cấu trúc khác nhau. Đặc biệt, điều này đã được chứng minh đối với hợp kim nhôm. Bằng cách lựa chọn các thông số quy trình thuận lợi, có thể tác động một cách có chọn lọc đến các đặc tính của mối hàn như hình dạng và cấu trúc. Quy trình hàn hồ quang làm tăng khả năng nối liền bằng cách thêm kim loại phụ; nó cũng xác định chiều rộng đường hàn và do đó giảm lượng công đoạn chuẩn bị phôi cần thiết. Hơn nữa, sự tương tác giữa các quy trình dẫn đến sự gia tăng đáng kể hiệu quả của quá trình. Quá trình kết hợp này cũng đòi hỏi chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với quy trình hàn laser.
Phương pháp hàn dây nóng bằng laser đặc biệt hữu ích cho vật liệu mạ kẽm để đạt được khả năng chống ăn mòn tốt.
Thời gian đăng bài: 18/04/2025
