Hàn bằng tia laserVới tốc độ cao, độ chính xác cao và đặc tính không tiếp xúc, hàn điện tử được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ô tô, hàng không vũ trụ và thiết bị điện tử, đặc biệt thể hiện những ưu điểm vượt trội trong việc kết nối các vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, các vết nứt đông đặc (nứt do đông đặc) phát sinh trong quá trình hàn là một trong những khuyết tật chính hạn chế ứng dụng công nghiệp của nó. Những vết nứt này thường xảy ra ở cuối quá trình đông đặc trong vùng nóng chảy (vùng nóng chảy), được kích hoạt bởi sự kết hợp của ứng suất nhiệt, co ngót do đông đặc và màng chất lỏng trên ranh giới hạt, làm giảm đáng kể các tính chất cơ học và tuổi thọ mỏi của mối hàn.
1. Cơ chế hình thành
Cơ chế cốt lõi của các vết nứt đông đặc nằm ở lớp màng chất lỏng còn sót lại tại các ranh giới hạt ở cuối quá trình đông đặc. Trong quá trình đông đặc, bể nóng chảy được chia thành ba vùng: vùng chất lỏng tự do, vùng chất lỏng bị hạn chế và vùng rắn, như thể hiện trong Hình 1. Trong vùng chất lỏng bị hạn chế, dòng chảy chất lỏng bị chặn và không thể bù đắp cho biến dạng do sự co ngót khi đông đặc, dẫn đến sự tách rời các ranh giới hạt. Tỷ lệ giữa năng lượng ranh giới hạt (γgb) và năng lượng giao diện rắn-lỏng (γsl) quyết định độ ổn định của lớp màng chất lỏng: nếu γgb < 2γsl, lớp màng chất lỏng không ổn định và xảy ra hiện tượng kết tụ hạt; ngược lại, nếu lớp màng chất lỏng ổn định thì dễ xảy ra hiện tượng nứt.
Hơn nữa, sự hình thành các vết nứt đông đặc cũng liên quan đến các tính chất luyện kim của vật liệu. Các vật liệu khác nhau có đặc điểm đông đặc riêng biệt, chẳng hạn như phạm vi nhiệt độ đông đặc, tốc độ co ngót khi đông đặc và sự phân bố các nguyên tố hợp kim, v.v. Những đặc điểm này ảnh hưởng đến độ nhạy cảm của vết nứt. Ví dụ, trong các vật liệu chứa một lượng lớn pha eutectic có điểm nóng chảy thấp, độ nhạy cảm của vết nứt đông đặc cao hơn vì các pha eutectic này dễ hình thành các màng lỏng liên tục trong quá trình đông đặc, do đó làm tăng cường sự hình thành vết nứt.
Trong suốtquy trình hàn laserCác thông số hàn như công suất laser, tốc độ hàn và kích thước điểm hàn cũng ảnh hưởng đến sự hình thành các vết nứt đông đặc. Các thông số này ảnh hưởng đến lượng nhiệt đầu vào và độ chênh lệch nhiệt độ trong quá trình hàn, do đó làm thay đổi cấu trúc đông đặc và hình thái hạt. Ví dụ, công suất laser cao hơn và tốc độ hàn thấp hơn dẫn đến lượng nhiệt đầu vào lớn hơn và tốc độ làm nguội chậm hơn, thúc đẩy sự phát triển của các tinh thể hình cột và làm tăng độ nhạy cảm với vết nứt. Ngược lại, công suất laser thấp hơn và tốc độ hàn cao hơn dẫn đến lượng nhiệt đầu vào nhỏ hơn và tốc độ làm nguội nhanh hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các tinh thể đẳng trục và giảm độ nhạy cảm với vết nứt.
2. Các biện pháp trấn áp
Để ngăn chặn hiệu quả các vết nứt do quá trình đông đặc tronghàn laserCác nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều chiến lược khác nhau, chủ yếu tập trung vào việc kiểm soát cấu trúc hạt, tối ưu hóa các thông số hàn và cải thiện tính chất vật liệu. Bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt, số lượng ranh giới hạt có thể được tăng lên và nồng độ ứng suất có thể được giảm xuống, do đó làm giảm sự hình thành vết nứt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng công nghệ dao động chùm tia laser, các tinh thể hình cột có thể được chuyển đổi thành các tinh thể đẳng trục mịn mà không cần thêm các vật liệu khác. Dao động chùm tia laser có thể phân tán năng lượng laser, gây ra sự nhiễu loạn trong vùng nóng chảy, do đó phá vỡ hướng phát triển của các tinh thể hình cột và thúc đẩy sự hình thành các tinh thể đẳng trục, như thể hiện trong Hình 3. Ngoài ra, dao động chùm tia laser cũng có thể làm tăng chiều rộng của vùng nóng chảy, giảm độ chênh lệch nhiệt độ và kéo dài thời gian đông đặc của vùng nóng chảy, có lợi cho sự khuếch tán chất tan và bổ sung màng chất lỏng, do đó làm giảm đáng kể độ nhạy cảm của các vết nứt đông đặc.
Sự phân bố màng chất lỏng tại ranh giới hạt dưới các hình dạng bể khác nhau.
Sơ đồ mô tả vùng nóng chảy khi hàn, a, b) không dao động, c, d) dao động ngang, e, f) dao động dọc, g, h) dao động chu vi.
Ngoài ra,chùm tia laserCông nghệ dao động, sử dụng nguồn laser kép cũng là một trong những phương pháp hiệu quả để ngăn chặn các vết nứt đông đặc. Nguồn laser kép có thể đạt được sự chuyển đổi từ tinh thể hình cột sang tinh thể đẳng trục bằng cách tối ưu hóa chu trình nhiệt, do đó làm giảm kích thước hạt và sự tập trung ứng suất. Ví dụ, khi sử dụng laser CO₂ làm nguồn nhiệt chính và laser xung Nd:YAG làm nguồn nhiệt phụ, một chu trình nhiệt tối ưu có thể được hình thành trong quá trình hàn, thúc đẩy sự hình thành tinh thể đẳng trục và giảm độ nhạy của các vết nứt đông đặc, như thể hiện trong Hình 4.
Tối ưu hóa các thông số hàn cũng là một phương pháp quan trọng để ngăn chặn các vết nứt đông đặc. Bằng cách điều chỉnh các thông số như công suất laser, tốc độ hàn và kích thước điểm hàn, lượng nhiệt đầu vào và độ dốc nhiệt độ trong quá trình hàn có thể được kiểm soát, từ đó ảnh hưởng đến cấu trúc đông đặc và hình thái hạt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng xử lý nhiệt sơ bộ có thể làm giảm tốc độ làm nguội, thúc đẩy sự hình thành các tinh thể đẳng trục, và do đó làm giảm độ nhạy cảm của các vết nứt đông đặc, như thể hiện trong Hình 5. Ngoài ra, các phương pháp như sử dụng hàn laser xung và tăng tốc độ hàn cũng có thể đạt được sự chuyển đổi từ tinh thể cột sang tinh thể đẳng trục bằng cách thay đổi lượng nhiệt đầu vào và tốc độ làm nguội, từ đó làm giảm độ nhạy cảm của các vết nứt.
Hình 5. a) Chưa nung nóng, b) Hạt đẳng trục đã được nung nóng trước ở 300°C.
Khi hàn các vật liệu khác loại bằng laser, do sự khác biệt đáng kể về tính chất vật lý và hóa học giữa các vật liệu, các hợp chất liên kim loại giòn dễ hình thành, đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra nứt đông đặc. Do đó, điều chỉnh các thông số và cài đặt laser để giảm sự hình thành hoặc số lượng các hợp chất liên kim loại cũng là một chiến lược quan trọng để ngăn chặn nứt đông đặc. Ví dụ, trong hàn laser các vật liệu khác loại đồng-nhôm, bằng cách kiểm soát độ lệch của chùm tia laser và tốc độ hàn, tỷ lệ trộn lẫn của đồng và nhôm trong vũng nóng chảy có thể được giảm xuống, do đó làm giảm sự hình thành các hợp chất liên kim loại giòn và giảm độ nhạy cảm với vết nứt. Ngoài ra, sử dụng vật liệu phụ cũng có thể cải thiện hiệu suất của mối hàn và giảm sự hình thành vết nứt. Vật liệu phụ có thể làm giảm sự hình thành các hợp chất liên kim loại bằng cách thay đổi thành phần và cấu trúc vi mô của mối hàn và cải thiện độ dẻo dai của mối hàn.
Các vết nứt đông đặc là một trong những khuyết tật phổ biến trong quá trình hàn laser. Cơ chế hình thành của chúng rất phức tạp và liên quan đến sự tương tác của nhiều yếu tố như nhiệt, cơ học và luyện kim. Bằng cách nghiên cứu sâu về cơ chế hình thành các vết nứt đông đặc, có thể cung cấp cơ sở lý thuyết để ngăn chặn các vết nứt này. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều chiến lược khác nhau để ngăn chặn các vết nứt đông đặc, chủ yếu tập trung vào việc kiểm soát cấu trúc hạt, tối ưu hóa các thông số hàn và cải thiện tính chất vật liệu. Thực tiễn đã chứng minh rằng các chiến lược này có thể làm giảm hiệu quả độ nhạy cảm của các vết nứt đông đặc đến một mức độ nhất định và cải thiện chất lượng và độ tin cậy của quá trình hàn laser. Tuy nhiên, do tính phức tạp và đa dạng của quá trình hàn laser, vẫn còn một số thiếu sót trong nghiên cứu hiện tại. Ví dụ, đối với cơ chế ức chế các vết nứt đông đặc dưới các vật liệu và điều kiện hàn khác nhau, vẫn cần nghiên cứu sâu hơn nữa.
Thời gian đăng bài: 20/03/2025
