Phương pháp hàn chùm tia kép được đề xuất chủ yếu để giải quyết vấn đề khả năng thích ứng của...hàn laserĐể tăng độ chính xác lắp ráp, cải thiện độ ổn định của quá trình hàn và nâng cao chất lượng mối hàn, đặc biệt là đối với hàn tấm mỏng và hàn hợp kim nhôm, hàn laser hai chùm tia có thể sử dụng phương pháp quang học để tách cùng một tia laser thành hai chùm tia sáng riêng biệt để hàn. Nó cũng có thể 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. Bằng cách thay đổi năng lượng chùm tia, khoảng cách giữa các chùm tia, và thậm chí cả kiểu phân bố năng lượng của hai chùm tia, trường nhiệt độ hàn có thể được điều chỉnh một cách thuận tiện và linh hoạt, thay đổi kiểu hình thành lỗ và kiểu dòng chảy của kim loại lỏng trong vũng nóng chảy, cung cấp giải pháp tốt hơn cho quá trình hàn. Phạm vi lựa chọn rộng lớn hơn nhiều so với hàn laser một chùm tia. Nó không chỉ có ưu điểm về khả năng xuyên thấu hàn laser lớn, tốc độ nhanh và độ chính xác cao, mà còn có khả năng thích ứng tuyệt vời với các vật liệu và mối nối khó hàn bằng phương pháp hàn laser thông thường.
Nguyên tắc củahàn laser hai chùm
Hàn laser hai chùm tia nghĩa là sử dụng hai chùm tia laser cùng lúc trong quá trình hàn. Sự bố trí chùm tia, khoảng cách giữa hai chùm tia, góc giữa hai chùm tia, vị trí hội tụ và tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia đều là những thông số quan trọng trong hàn laser hai chùm tia. Thông thường, trong quá trình hàn, có hai cách bố trí hai chùm tia. Như hình vẽ, một cách là bố trí nối tiếp dọc theo hướng hàn. Cách bố trí này có thể làm giảm tốc độ nguội của vũng nóng chảy, giảm xu hướng cứng hóa của mối hàn và sự hình thành lỗ rỗ. Cách khác là bố trí chúng cạnh nhau hoặc chéo nhau ở cả hai phía của mối hàn để cải thiện khả năng thích ứng với khe hở mối hàn.
Nguyên lý hàn laser hai chùm tia
Hàn laser hai chùm tia nghĩa là sử dụng hai chùm tia laser cùng lúc trong quá trình hàn. Sự bố trí chùm tia, khoảng cách giữa hai chùm tia, góc giữa hai chùm tia, vị trí hội tụ và tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia đều là những thông số quan trọng trong hàn laser hai chùm tia. Thông thường, trong quá trình hàn, có hai cách bố trí hai chùm tia. Như hình vẽ, một cách là bố trí nối tiếp dọc theo hướng hàn. Cách bố trí này có thể làm giảm tốc độ nguội của vũng nóng chảy, giảm xu hướng cứng hóa của mối hàn và sự hình thành lỗ rỗ. Cách khác là bố trí chúng cạnh nhau hoặc chéo nhau ở cả hai phía của mối hàn để cải thiện khả năng thích ứng với khe hở mối hàn.
Đối với hệ thống hàn laser hai chùm tia bố trí song song, có ba cơ chế hàn khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách giữa chùm tia trước và chùm tia sau, như thể hiện trong hình bên dưới.
1. Trong cơ chế hàn kiểu thứ nhất, khoảng cách giữa hai chùm tia sáng tương đối lớn. Một chùm tia sáng có mật độ năng lượng lớn hơn và được tập trung vào bề mặt phôi để tạo ra các lỗ khóa trong mối hàn; chùm tia sáng còn lại có mật độ năng lượng nhỏ hơn. Chỉ được sử dụng làm nguồn nhiệt để xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn. Sử dụng cơ chế hàn này, tốc độ làm nguội của vũng hàn có thể được kiểm soát trong một phạm vi nhất định, điều này có lợi cho việc hàn một số vật liệu có độ nhạy nứt cao, chẳng hạn như thép cacbon cao, thép hợp kim, v.v., và cũng có thể cải thiện độ dẻo dai của mối hàn.
2. Trong cơ chế hàn kiểu thứ hai, khoảng cách hội tụ giữa hai chùm tia sáng tương đối nhỏ. Hai chùm tia sáng tạo ra hai lỗ khóa độc lập trong vũng hàn, làm thay đổi mô hình dòng chảy của kim loại lỏng và giúp ngăn ngừa hiện tượng kẹt. Điều này có thể loại bỏ sự xuất hiện của các khuyết tật như mép hàn và chỗ phồng đường hàn, đồng thời cải thiện hình thành mối hàn.
3. Trong cơ chế hàn kiểu thứ ba, khoảng cách giữa hai chùm tia sáng rất nhỏ. Lúc này, hai chùm tia sáng tạo ra cùng một lỗ hình chìa khóa trong vũng hàn. So với hàn laser đơn tia, do kích thước lỗ hình chìa khóa lớn hơn và khó bị bít lại, quá trình hàn ổn định hơn và khí dễ thoát ra hơn, có lợi cho việc giảm rỗ khí và bắn tóe, thu được các mối hàn liên tục, đồng đều và đẹp.
Trong quá trình hàn, hai chùm tia laser cũng có thể được tạo thành một góc nhất định với nhau. Cơ chế hàn tương tự như cơ chế hàn chùm tia kép song song. Kết quả thử nghiệm cho thấy, bằng cách sử dụng hai laser công suất cao với góc 30° so với nhau và khoảng cách 1~2mm, chùm tia laser có thể tạo ra lỗ hình phễu. Kích thước lỗ lớn hơn và ổn định hơn, giúp cải thiện hiệu quả chất lượng hàn. Trong ứng dụng thực tế, sự kết hợp tương hỗ của hai chùm tia sáng có thể được thay đổi tùy theo điều kiện hàn khác nhau để đạt được các quy trình hàn khác nhau.
6. Phương pháp thực hiện hàn laser hai chùm tia
Việc thu được chùm tia kép có thể đạt được bằng cách kết hợp hai chùm tia laser khác nhau, hoặc một chùm tia laser có thể được chia thành hai chùm tia laser để hàn bằng hệ thống quang phổ kế. Để tách một chùm tia sáng thành hai chùm tia laser song song có công suất khác nhau, có thể sử dụng máy quang phổ hoặc một số hệ thống quang học đặc biệt. Hình ảnh minh họa hai sơ đồ nguyên lý tách ánh sáng bằng cách sử dụng gương hội tụ làm bộ tách chùm tia.
Ngoài ra, gương phản xạ cũng có thể được sử dụng như một bộ tách chùm tia, và gương phản xạ cuối cùng trong đường dẫn quang học có thể được sử dụng như một bộ tách chùm tia. Loại gương phản xạ này còn được gọi là gương phản xạ kiểu mái nhà. Bề mặt phản xạ của nó không phải là một bề mặt phẳng, mà bao gồm hai mặt phẳng. Đường giao nhau của hai bề mặt phản xạ nằm ở giữa bề mặt gương, tương tự như đường gờ mái nhà, như hình vẽ. Một chùm tia sáng song song chiếu vào máy quang phổ, được phản xạ bởi hai mặt phẳng ở các góc khác nhau để tạo thành hai chùm tia sáng, và chiếu vào các vị trí khác nhau của gương hội tụ. Sau khi hội tụ, hai chùm tia sáng được thu được ở một khoảng cách nhất định trên bề mặt của vật cần gia công. Bằng cách thay đổi góc giữa hai bề mặt phản xạ và vị trí của mái nhà, có thể thu được các chùm tia sáng tách ra với các khoảng cách hội tụ và bố trí khác nhau.
Khi sử dụng hai loại khác nhauchùm tia laser tĐể tạo thành chùm tia kép, có rất nhiều cách kết hợp. Có thể sử dụng laser CO2 chất lượng cao với phân bố năng lượng Gaussian cho công việc hàn chính, và laser bán dẫn với phân bố năng lượng hình chữ nhật có thể được sử dụng để hỗ trợ công việc xử lý nhiệt. Một mặt, sự kết hợp này tiết kiệm hơn. Mặt khác, công suất của hai chùm tia sáng có thể được điều chỉnh độc lập. Đối với các hình dạng mối nối khác nhau, có thể thu được trường nhiệt độ có thể điều chỉnh bằng cách điều chỉnh vị trí chồng chéo của laser và laser bán dẫn, rất phù hợp cho việc kiểm soát quá trình hàn. Ngoài ra, laser YAG và laser CO2 cũng có thể được kết hợp thành chùm tia kép để hàn, laser liên tục và laser xung có thể được kết hợp để hàn, và chùm tia hội tụ và chùm tia phân tán cũng có thể được kết hợp để hàn.
7. Nguyên lý hàn laser hai chùm tia
3.1 Hàn laser hai chùm tia các tấm tôn mạ kẽm
Thép tấm mạ kẽm là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp ô tô. Nhiệt độ nóng chảy của thép khoảng 1500°C, trong khi nhiệt độ sôi của kẽm chỉ là 906°C. Do đó, khi sử dụng phương pháp hàn nóng chảy, một lượng lớn hơi kẽm thường được tạo ra, khiến quá trình hàn không ổn định, tạo thành các lỗ rỗ trong mối hàn. Đối với các mối nối chồng, sự bay hơi của lớp mạ kẽm không chỉ xảy ra trên bề mặt trên và dưới mà còn xảy ra ở bề mặt mối nối. Trong quá trình hàn, hơi kẽm nhanh chóng thoát ra khỏi bề mặt vũng nóng chảy ở một số khu vực, trong khi ở những khu vực khác, hơi kẽm khó thoát ra khỏi vũng nóng chảy. Trên bề mặt vũng nóng chảy, chất lượng mối hàn rất không ổn định.
Hàn laser hai chùm tia có thể giải quyết các vấn đề về chất lượng hàn do hơi kẽm gây ra. Một phương pháp là kiểm soát thời gian tồn tại và tốc độ làm nguội của vũng nóng chảy bằng cách phối hợp hợp lý năng lượng của hai chùm tia để tạo điều kiện cho hơi kẽm thoát ra; phương pháp khác là giải phóng hơi kẽm bằng cách đục lỗ hoặc tạo rãnh trước. Như thể hiện trong Hình 6-31, laser CO2 được sử dụng để hàn. Laser YAG được đặt phía trước laser CO2 và được sử dụng để khoan lỗ hoặc cắt rãnh. Các lỗ hoặc rãnh được xử lý trước cung cấp đường thoát cho hơi kẽm sinh ra trong quá trình hàn tiếp theo, ngăn không cho nó đọng lại trong vũng nóng chảy và tạo thành khuyết tật.
3.2 Hàn hợp kim nhôm bằng laser hai chùm tia
Do đặc tính hiệu suất đặc biệt của vật liệu hợp kim nhôm, có những khó khăn sau khi sử dụng hàn laser [39]: hợp kim nhôm có tỷ lệ hấp thụ laser thấp và độ phản xạ ban đầu của bề mặt chùm tia laser CO2 vượt quá 90%; các mối hàn laser hợp kim nhôm dễ bị rỗ, nứt; cháy các nguyên tố hợp kim trong quá trình hàn, v.v. Khi sử dụng hàn laser đơn, khó tạo ra lỗ khóa và duy trì sự ổn định. Hàn laser hai chùm tia có thể tăng kích thước lỗ khóa, khiến lỗ khóa khó bị đóng lại, có lợi cho việc thoát khí. Nó cũng có thể giảm tốc độ làm nguội và giảm sự xuất hiện của các lỗ rỗng và vết nứt hàn. Vì quá trình hàn ổn định hơn và lượng bắn tóe giảm, hình dạng bề mặt mối hàn thu được bằng cách hàn laser hai chùm tia của hợp kim nhôm cũng tốt hơn đáng kể so với hàn laser đơn chùm tia. Hình 6-32 cho thấy hình dạng mối hàn của mối hàn giáp mối hợp kim nhôm dày 3mm bằng cách sử dụng laser CO2 đơn chùm tia và hàn laser hai chùm tia.
Nghiên cứu cho thấy rằng khi hàn hợp kim nhôm серии 5000 dày 2mm, khi khoảng cách giữa hai chùm tia là 0,6~1,0mm, quá trình hàn tương đối ổn định và lỗ khóa tạo thành lớn hơn, điều này có lợi cho sự bay hơi và thoát khí magie trong quá trình hàn. Nếu khoảng cách giữa hai chùm tia quá nhỏ, quá trình hàn bằng một chùm tia sẽ không ổn định. Nếu khoảng cách quá lớn, độ xuyên thấu của mối hàn sẽ bị ảnh hưởng, như thể hiện trong Hình 6-33. Ngoài ra, tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia cũng có tác động lớn đến chất lượng mối hàn. Khi hai chùm tia được bố trí nối tiếp với khoảng cách 0,9mm để hàn, năng lượng của chùm tia trước nên được tăng lên một cách thích hợp sao cho tỷ lệ năng lượng của hai chùm tia trước và sau lớn hơn 1:1. Điều này giúp cải thiện chất lượng đường hàn, tăng diện tích nóng chảy và vẫn thu được đường hàn mịn và đẹp khi tốc độ hàn cao.
3.3 Hàn chùm tia kép các tấm có độ dày không bằng nhau
Trong sản xuất công nghiệp, việc hàn hai hoặc nhiều tấm kim loại có độ dày và hình dạng khác nhau để tạo thành tấm ghép nối thường là cần thiết. Đặc biệt trong sản xuất ô tô, việc ứng dụng các tấm phôi hàn tùy chỉnh ngày càng phổ biến. Bằng cách hàn các tấm có thông số kỹ thuật, lớp phủ bề mặt hoặc đặc tính khác nhau, độ bền có thể được tăng lên, vật liệu tiêu hao được giảm thiểu, nhưng chất lượng lại được cải thiện. Hàn laser các tấm có độ dày khác nhau thường được sử dụng trong hàn tấm. Một vấn đề chính là các tấm cần hàn phải được gia công trước với các cạnh có độ chính xác cao và đảm bảo lắp ráp có độ chính xác cao. Việc sử dụng hàn chùm tia kép cho các tấm có độ dày không bằng nhau có thể thích ứng với các thay đổi khác nhau về khe hở giữa các tấm, mối nối giáp mí, độ dày tương đối và vật liệu tấm. Nó có thể hàn các tấm với dung sai cạnh và khe hở lớn hơn, đồng thời cải thiện tốc độ hàn và chất lượng mối hàn.
Các thông số quy trình chính của việc hàn các tấm có độ dày không đều tại Shuangguangdong có thể được chia thành các thông số hàn và thông số tấm, như thể hiện trong hình. Các thông số hàn bao gồm công suất của hai chùm tia laser, tốc độ hàn, vị trí hội tụ, góc đầu hàn, góc xoay của mối hàn đối đầu hai chùm tia và độ lệch hàn, v.v. Các thông số tấm bao gồm kích thước vật liệu, hiệu suất, điều kiện cắt gọt, khe hở giữa các tấm, v.v. Công suất của hai chùm tia laser có thể được điều chỉnh riêng biệt tùy theo mục đích hàn khác nhau. Vị trí hội tụ thường nằm trên bề mặt của tấm mỏng để đạt được quy trình hàn ổn định và hiệu quả. Góc đầu hàn thường được chọn khoảng 6°. Nếu độ dày của hai tấm tương đối lớn, có thể sử dụng góc đầu hàn dương, tức là laser nghiêng về phía tấm mỏng, như thể hiện trong hình; khi độ dày tấm tương đối nhỏ, có thể sử dụng góc đầu hàn âm. Độ lệch hàn được định nghĩa là khoảng cách giữa hội tụ laser và mép của tấm dày. Bằng cách điều chỉnh độ lệch hàn, có thể giảm lượng vết lõm hàn và thu được mặt cắt ngang mối hàn tốt.
Khi hàn các tấm có khe hở lớn, bạn có thể tăng đường kính gia nhiệt hiệu quả của chùm tia bằng cách xoay góc của hai chùm tia để đạt được khả năng lấp đầy khe hở tốt. Chiều rộng của phần trên mối hàn được xác định bởi đường kính chùm tia hiệu quả của hai chùm tia laser, tức là góc xoay của chùm tia. Góc xoay càng lớn, phạm vi gia nhiệt của chùm tia kép càng rộng và chiều rộng của phần trên mối hàn càng lớn. Hai chùm tia laser đóng vai trò khác nhau trong quá trình hàn. Một chùm tia chủ yếu được sử dụng để xuyên qua đường hàn, trong khi chùm tia kia chủ yếu được sử dụng để làm tan chảy vật liệu tấm dày để lấp đầy khe hở. Như thể hiện trong Hình 6-35, dưới góc xoay chùm tia dương (chùm tia phía trước tác động lên tấm dày, chùm tia phía sau tác động lên mối hàn), chùm tia phía trước chiếu vào tấm dày để gia nhiệt và làm tan chảy vật liệu, và chùm tia laser phía sau tạo ra sự xuyên thấu. Tia laser đầu tiên ở phía trước chỉ có thể làm tan chảy một phần tấm kim loại dày, nhưng nó đóng góp rất lớn vào quá trình hàn, bởi vì nó không chỉ làm tan chảy cạnh của tấm kim loại dày để lấp đầy khe hở tốt hơn, mà còn làm nóng trước vật liệu mối nối để các tia tiếp theo dễ dàng hàn xuyên qua các mối nối hơn, cho phép hàn nhanh hơn. Trong hàn hai tia với góc quay âm (tia phía trước tác động lên mối hàn, và tia phía sau tác động lên tấm kim loại dày), hai tia có tác dụng hoàn toàn ngược nhau. Tia trước làm tan chảy mối nối, và tia sau làm tan chảy tấm kim loại dày để lấp đầy khe hở. Trong trường hợp này, tia phía trước cần phải hàn xuyên qua tấm kim loại nguội, và tốc độ hàn chậm hơn so với việc sử dụng góc quay tia dương. Và do hiệu ứng làm nóng trước của tia trước, tia sau sẽ làm tan chảy nhiều vật liệu tấm kim loại dày hơn với cùng một công suất. Trong trường hợp này, công suất của tia laser sau nên được giảm một cách thích hợp. So sánh, sử dụng góc quay tia dương có thể tăng tốc độ hàn một cách thích hợp, và sử dụng góc quay tia âm có thể đạt được khả năng lấp đầy khe hở tốt hơn. Hình 6-36 thể hiện ảnh hưởng của các góc quay chùm tia khác nhau lên mặt cắt ngang của mối hàn.
3.4 Hàn laser hai chùm tia các tấm dày khổ lớn Với sự cải thiện về công suất laser và chất lượng chùm tia, việc hàn laser các tấm dày khổ lớn đã trở thành hiện thực. Tuy nhiên, do laser công suất cao đắt tiền và việc hàn các tấm dày khổ lớn thường yêu cầu kim loại phụ, nên vẫn còn một số hạn chế trong sản xuất thực tế. Việc sử dụng công nghệ hàn laser hai chùm tia không chỉ giúp tăng công suất laser mà còn tăng đường kính gia nhiệt hiệu quả của chùm tia, tăng khả năng làm nóng chảy dây hàn, ổn định lỗ khóa laser, cải thiện độ ổn định hàn và nâng cao chất lượng hàn.
Thời gian đăng bài: 29/04/2024
