nguyên lý hàn laser
Hàn laser có thể đạt được bằng chùm tia laser liên tục hoặc xung. Nguyên lý hàn laser có thể được chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu bằng laser. Khi mật độ công suất nhỏ hơn 104~105 W/cm2, đó là hàn dẫn nhiệt. Tại thời điểm này, độ sâu thâm nhập nông và tốc độ hàn chậm; khi mật độ công suất lớn hơn 105 ~ 107 W / cm2, bề mặt kim loại bị nung nóng thành các "lỗ sâu", tạo thành mối hàn xuyên sâu, có đặc điểm là tốc độ hàn nhanh và tỷ lệ khung hình lớn.
Nguyên lý hàn laser dẫn nhiệt là: bức xạ laser làm nóng bề mặt cần xử lý và nhiệt bề mặt khuếch tán vào bên trong thông qua dẫn nhiệt. Bằng cách kiểm soát độ rộng xung laser, năng lượng, công suất cực đại và tần số lặp lại cũng như các thông số laser khác, phôi được nấu chảy để tạo thành một bể nóng chảy cụ thể. .
Máy hàn laser được sử dụng để hàn bánh răng và hàn tấm mỏng luyện kim chủ yếu liên quan đến hàn xuyên sâu bằng laser. Phần sau đây tập trung vào nguyên tắc hàn xuyên sâu bằng laser.
Hàn xuyên sâu bằng laser thường sử dụng chùm tia laser liên tục để hoàn thành kết nối vật liệu và quy trình vật lý luyện kim của nó rất giống với hàn chùm tia điện tử, nghĩa là cơ chế chuyển đổi năng lượng được hoàn thành thông qua cấu trúc "lỗ khóa". Dưới sự chiếu xạ laser mật độ năng lượng đủ cao, vật liệu bốc hơi và tạo thành các lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước này giống như một vật thể màu đen, hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của chùm tia tới và nhiệt độ cân bằng trong khoang đạt khoảng 2500 0C. Nhiệt được truyền từ thành ngoài của khoang nhiệt độ cao để làm nóng chảy kim loại bao quanh khoang. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước ở nhiệt độ cao được tạo ra bởi sự bay hơi liên tục của vật liệu tường dưới sự chiếu xạ của chùm tia, các bức tường của lỗ nhỏ được bao quanh bởi kim loại nóng chảy và kim loại lỏng được bao quanh bởi vật liệu rắn (trong khi ở hầu hết các quy trình hàn thông thường và hàn dẫn truyền bằng laser, năng lượng đầu tiên được tích tụ trên bề mặt phôi, sau đó được truyền vào bên trong bằng đường truyền). Dòng chất lỏng bên ngoài thành lỗ rỗng và sức căng bề mặt của lớp thành duy trì sự cân bằng động với áp suất hơi được tạo ra liên tục trong khoang lỗ rỗng. Chùm tia liên tục đi vào lỗ nhỏ và vật liệu bên ngoài lỗ nhỏ liên tục chảy. Khi chùm tia di chuyển, lỗ nhỏ luôn ở trạng thái ổn định của dòng chảy. Điều đó có nghĩa là, lỗ nhỏ và kim loại nóng chảy bao quanh thành lỗ di chuyển về phía trước với tốc độ chuyển tiếp của chùm tia dẫn đầu, và kim loại nóng chảy lấp đầy khoảng trống do lỗ nhỏ để lại rồi ngưng tụ lại, do đó mối hàn được hình thành. Tất cả quá trình trên xảy ra nhanh đến mức tốc độ hàn có thể dễ dàng đạt tới vài mét mỗi phút.
02
Các thông số chính của quá trình hàn xuyên sâu bằng laser
1) Công suất laze. Có một giá trị ngưỡng của mật độ năng lượng laser trong hàn laser. Dưới giá trị này, độ sâu thâm nhập rất nông. Khi đạt hoặc vượt quá giá trị này, độ sâu thâm nhập sẽ tăng lên rất nhiều. Plasma chỉ được tạo ra khi mật độ công suất laser trên phôi vượt quá giá trị ngưỡng (tùy thuộc vào vật liệu), đánh dấu tiến trình hàn xuyên sâu ổn định. Nếu công suất laser dưới ngưỡng này, chỉ diễn ra quá trình nóng chảy bề mặt của phôi, tức là quá trình hàn diễn ra với sự dẫn nhiệt ổn định. Khi mật độ năng lượng laser gần với điều kiện tới hạn để hình thành các lỗ nhỏ, hàn xuyên sâu và hàn dẫn được thực hiện xen kẽ, quá trình này trở thành quá trình hàn không ổn định, dẫn đến độ sâu xuyên sâu dao động lớn. Trong quá trình hàn xuyên sâu bằng laser, công suất laser kiểm soát độ sâu xuyên thấu và tốc độ hàn cùng một lúc. Độ xuyên hàn liên quan trực tiếp đến mật độ công suất chùm tia và là một hàm của công suất chùm tia tới và tiêu điểm chùm tia. Nói chung, đối với chùm tia laze có đường kính nhất định, độ xuyên sâu tăng lên khi công suất chùm tia tăng lên.
2) Tiêu điểm chùm tia. Kích thước điểm chùm tia là một trong những biến quan trọng nhất trong hàn laser vì nó xác định mật độ năng lượng. Nhưng đối với laser công suất cao, phép đo của nó là một vấn đề khó khăn, mặc dù có nhiều kỹ thuật đo gián tiếp.
Kích thước điểm giới hạn nhiễu xạ của tiêu điểm chùm tia có thể được tính theo lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, nhưng do tồn tại quang sai thấu kính hội tụ, kích thước điểm thực tế lớn hơn giá trị tính toán. Phương pháp thực tế đơn giản nhất là phương pháp định hình đẳng nhiệt, phương pháp này đo điểm tiêu điểm và đường kính lỗ thủng sau khi đốt thành than và xuyên qua tấm polypropylen bằng giấy dày. Phương pháp này cần nắm vững công suất laser và thời gian tác dụng của tia thông qua thực hành đo đạc.
3) Giá trị hấp thụ vật chất. Sự hấp thụ ánh sáng laser của vật liệu phụ thuộc vào một số tính chất quan trọng của vật liệu, chẳng hạn như độ hấp thụ, độ phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, v.v., trong đó quan trọng nhất là độ hấp thụ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với chùm tia laze bao gồm hai khía cạnh: thứ nhất là điện trở suất của vật liệu. Sau khi đo tốc độ hấp thụ của bề mặt được đánh bóng của vật liệu, người ta thấy rằng tốc độ hấp thụ của vật liệu tỷ lệ thuận với căn bậc hai của điện trở suất và điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Thứ hai, trạng thái bề mặt (hoặc độ nhẵn) của vật liệu có ảnh hưởng quan trọng hơn đến tốc độ hấp thụ chùm tia, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng hàn.
Bước sóng đầu ra của laser CO2 thường là 10,6 μm. Tốc độ hấp thụ của gốm sứ, thủy tinh, cao su, nhựa và các phi kim loại khác ở nhiệt độ phòng rất cao, trong khi tốc độ hấp thụ của vật liệu kim loại rất kém ở nhiệt độ phòng, cho đến khi vật liệu bị nóng chảy hoặc thậm chí khí hấp thụ của nó tăng lên đáng kể. Nó rất hiệu quả để cải thiện khả năng hấp thụ chùm sáng của vật liệu bằng cách sử dụng lớp phủ bề mặt hoặc tạo màng oxit bề mặt.
4) Tốc độ hàn. Tốc độ hàn có ảnh hưởng lớn đến độ sâu ngấu. Tăng tốc độ sẽ làm cho độ ngấu nông, nhưng nếu tốc độ quá thấp, vật liệu sẽ bị nóng chảy quá mức và phôi sẽ được hàn xuyên qua. Do đó, có một phạm vi tốc độ hàn phù hợp cho một vật liệu cụ thể với công suất laser nhất định và độ dày nhất định, và độ sâu thâm nhập tối đa có thể đạt được ở giá trị tốc độ tương ứng. Hình 10-2 cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ hàn và độ sâu ngấu của thép 1018.
5) Khí bảo vệ. Khí trơ thường được sử dụng để bảo vệ bể nóng chảy trong quá trình hàn laser. Khi một số vật liệu được hàn bất kể quá trình oxy hóa bề mặt, lớp bảo vệ có thể không được xem xét, nhưng đối với hầu hết các ứng dụng, helium, argon, nitơ và các khí khác thường được sử dụng làm lớp bảo vệ để làm cho phôi được bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa trong quá trình hàn.
Helium không dễ bị ion hóa (năng lượng ion hóa cao hơn), điều này cho phép tia laser đi qua một cách trơn tru và năng lượng của chùm tia chạm tới bề mặt của phôi mà không gặp trở ngại. Đây là loại khí bảo vệ hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser, nhưng nó đắt hơn.
Khí argon rẻ hơn và đậm đặc hơn nên hiệu quả bảo vệ tốt hơn. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa plasma kim loại ở nhiệt độ cao, che chắn một phần chùm tia va vào phôi, làm giảm công suất laser hiệu quả để hàn, đồng thời làm hỏng tốc độ hàn và độ xuyên thấu. Bề mặt của mối hàn được bảo vệ bởi argon mịn hơn so với khi được bảo vệ bởi heli.
Nitơ là khí bảo vệ rẻ nhất, nhưng nó không thích hợp để hàn một số loại thép không gỉ, chủ yếu là do các vấn đề về luyện kim, chẳng hạn như sự hấp thụ, đôi khi tạo ra độ xốp ở vùng chồng lấp.
Chức năng thứ hai của việc sử dụng khí che chắn là bảo vệ thấu kính hội tụ khỏi nhiễm hơi kim loại và sự phun ra của các giọt chất lỏng. Đặc biệt là trong hàn laser công suất cao, vì lực đẩy trở nên rất mạnh nên việc bảo vệ thấu kính vào thời điểm này càng cần thiết hơn.
Chức năng thứ ba của khí che chắn là nó rất hiệu quả trong việc làm tiêu tan tấm chắn plasma do hàn laser công suất cao tạo ra. Hơi kim loại hấp thụ chùm tia laser và ion hóa thành đám mây plasma, đồng thời khí bảo vệ xung quanh hơi kim loại cũng bị ion hóa do nhiệt. Nếu có quá nhiều plasma, chùm tia laser sẽ bị plasma tiêu thụ một phần. Plasma tồn tại trên bề mặt làm việc dưới dạng năng lượng thứ hai, làm cho độ ngấu nông và bề mặt vũng hàn mở rộng. Tốc độ tái hợp của các electron được tăng lên bằng cách tăng va chạm ba vật thể của các electron với các ion và nguyên tử trung tính để giảm mật độ electron trong plasma. Các nguyên tử trung tính càng nhẹ thì tần số va chạm càng cao và tốc độ tái hợp càng cao; mặt khác, chỉ khí bảo vệ có năng lượng ion hóa cao sẽ không làm tăng mật độ electron do bản thân khí bị ion hóa.
Kích thước của đám mây plasma thay đổi tùy theo khí bảo vệ được sử dụng, với heli là nhỏ nhất, nitơ là thứ hai và argon là lớn nhất. Kích thước plasma càng lớn thì độ xuyên thấu càng nông. Lý do cho sự khác biệt này trước hết là do mức độ ion hóa khác nhau của các phân tử khí, và cũng do sự khác biệt về sự khuếch tán của hơi kim loại do mật độ khác nhau của khí bảo vệ.
Helium là loại khí ít bị ion hóa nhất và có mật độ thấp nhất, và nó nhanh chóng loại bỏ hơi kim loại bốc lên được tạo ra từ bể kim loại nóng chảy. Do đó, sử dụng helium làm khí che chắn có thể triệt tiêu plasma ở mức độ lớn nhất, do đó làm tăng độ sâu thâm nhập và tăng tốc độ hàn; do trọng lượng nhẹ nên có thể thoát ra ngoài và không dễ gây bít lỗ chân lông. Tất nhiên, từ hiệu ứng hàn thực tế của chúng tôi, tác dụng bảo vệ argon không tệ.
Ảnh hưởng của đám mây plasma đối với sự thâm nhập là rõ ràng nhất ở khu vực tốc độ hàn thấp. Tác dụng của nó giảm dần khi tốc độ hàn tăng lên.
Khí bảo vệ được bơm vào ở một áp suất nhất định thông qua vòi để chạm tới bề mặt của phôi. Hình dạng thủy động của vòi và đường kính của lỗ thoát là rất quan trọng. Nó phải đủ lớn để đẩy khí bảo vệ được phun ra bao phủ bề mặt hàn, nhưng để bảo vệ thấu kính một cách hiệu quả và ngăn hơi kim loại làm nhiễm bẩn hoặc kim loại bắn tung tóe làm hỏng thấu kính, kích thước của vòi phun cũng phải hạn chế. Tốc độ dòng chảy cũng phải được kiểm soát, nếu không, dòng chảy tầng của khí che chắn sẽ trở nên hỗn loạn và bầu không khí sẽ tham gia vào bể nóng chảy, cuối cùng hình thành lỗ chân lông.
Để cải thiện hiệu quả bảo vệ, cũng có thể sử dụng phương pháp thổi bên bổ sung, đó là thông qua vòi có đường kính nhỏ hơn, khí bảo vệ được bơm trực tiếp vào lỗ nhỏ của mối hàn xuyên sâu ở một góc nhất định. Khí bảo vệ không chỉ triệt tiêu đám mây plasma trên bề mặt phôi mà còn tác động đến sự hình thành plasma và các lỗ nhỏ trong lỗ, tăng thêm độ sâu thâm nhập và thu được mối hàn với tỷ lệ chiều sâu-chiều rộng lý tưởng . Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác kích thước và hướng của luồng không khí, nếu không sẽ dễ xảy ra dòng chảy rối và phá hủy vũng nóng chảy, khiến quá trình hàn khó ổn định.
6) Tiêu cự ống kính. Phương pháp lấy nét thường được sử dụng để ngưng tụ tia laser trong quá trình hàn và ống kính có tiêu cự 63~254mm (2,5"~10") thường được sử dụng. Kích thước điểm lấy nét tỷ lệ thuận với độ dài tiêu cự, tiêu cự càng ngắn thì điểm lấy nét càng nhỏ. Nhưng độ dài tiêu cự cũng ảnh hưởng đến độ sâu tiêu cự, nghĩa là độ sâu tiêu cự tăng đồng bộ với độ dài tiêu cự, do đó tiêu cự ngắn có thể làm tăng mật độ công suất, nhưng do độ sâu tiêu cự nhỏ nên khoảng cách giữa ống kính và phôi gia công phải được duy trì chính xác và độ sâu thâm nhập không lớn. Do ảnh hưởng của tia laze và chế độ laser được tạo ra trong quá trình hàn, độ sâu tiêu cự ngắn nhất được sử dụng trong hàn thực tế chủ yếu là tiêu cự 126mm (5"). Khi mối nối lớn hoặc đường hàn cần tăng lên bằng cách tăng kích thước điểm, bạn có thể Chọn ống kính có tiêu cự 254mm (10"). Trong trường hợp này, để đạt được hiệu ứng lỗ kim xuyên sâu, cần phải có công suất đầu ra laser (mật độ năng lượng) cao hơn.
Khi công suất laser vượt quá 2kW, đặc biệt là đối với chùm tia laser CO2 10,6μm, do sử dụng vật liệu quang học đặc biệt để tạo thành hệ thống quang học, để tránh rủi ro làm hỏng quang học đối với thấu kính hội tụ, phương pháp lấy nét phản xạ thường được sử dụng. được sử dụng và gương đồng được đánh bóng thường được sử dụng làm gương phản xạ. Nó thường được khuyên dùng để tập trung các chùm tia laser công suất cao do khả năng làm mát hiệu quả.
7) Vị trí lấy nét. Khi hàn, vị trí lấy nét là rất quan trọng để duy trì đủ mật độ công suất. Những thay đổi về vị trí tương đối của tiêu điểm và bề mặt phôi ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và chiều sâu của mối hàn. Hình 2-6 cho thấy ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến độ sâu thâm nhập và chiều rộng đường may của thép 1018.
Trong hầu hết các ứng dụng hàn laze, tiêu điểm thường nằm ở vị trí khoảng 1/4 độ sâu mong muốn bên dưới bề mặt phôi.
8) Vị trí tia laze. Khi hàn laser các vật liệu khác nhau, vị trí chùm tia laser kiểm soát chất lượng cuối cùng của mối hàn, đặc biệt là trong trường hợp mối nối đối đầu hơn là mối nối chồng. Ví dụ, khi một bánh răng bằng thép cứng được hàn vào trống thép mềm, việc kiểm soát đúng vị trí chùm tia laze sẽ giúp tạo ra mối hàn có thành phần chủ yếu là carbon thấp, tương đối chống nứt. Trong một số ứng dụng, hình dạng của phôi được hàn yêu cầu chùm tia laze bị lệch một góc. Khi góc lệch giữa trục chùm tia và mặt phẳng khớp nằm trong khoảng 100 độ, sự hấp thụ năng lượng laser của phôi sẽ không bị ảnh hưởng.
9) Điều khiển tăng giảm dần công suất laser tại điểm bắt đầu và điểm kết thúc hàn. Trong quá trình hàn xuyên sâu bằng laser, các lỗ nhỏ luôn tồn tại bất kể độ sâu của mối hàn. Khi quá trình hàn kết thúc và tắt công tắc nguồn, một vết rỗ sẽ xuất hiện ở cuối mối hàn. Ngoài ra, khi lớp hàn laser bao phủ đường hàn ban đầu, sự hấp thụ quá mức của chùm tia laser sẽ xảy ra, dẫn đến quá nhiệt của mối hàn hoặc tạo ra các lỗ rỗng.
Để ngăn hiện tượng trên xảy ra, các điểm khởi động và dừng nguồn có thể được lập trình để điều chỉnh thời gian bắt đầu và kết thúc nguồn, nghĩa là, công suất ban đầu được tăng điện tử từ 0 đến giá trị công suất đã đặt trong thời gian ngắn, và hàn có thể được điều chỉnh. Thời gian, và cuối cùng, công suất giảm dần từ công suất cài đặt về 0 khi quá trình hàn kết thúc.
03
Các tính năng và ưu điểm và nhược điểm của hàn xuyên sâu bằng laser
Các tính năng của hàn xuyên sâu bằng laser
1) Tỷ lệ khung hình cao. Khi kim loại nóng chảy hình thành xung quanh khoang hình trụ của hơi nước nóng và kéo dài về phía phôi, mối hàn trở nên sâu và hẹp.
2) Đầu vào nhiệt tối thiểu. Do nhiệt độ trong lỗ nhỏ rất cao nên quá trình nóng chảy diễn ra cực nhanh, nhiệt lượng đưa vào phôi rất thấp, biến dạng nhiệt và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ.
3) Mật độ cao. Bởi vì các lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước ở nhiệt độ cao có lợi cho việc khuấy trộn vũng hàn và thoát khí, dẫn đến mối hàn xuyên thấu không có lỗ. Tốc độ làm nguội cao sau khi hàn có thể dễ dàng làm cho cấu trúc mối hàn mịn hơn.
4) Mối hàn chắc chắn. Do nguồn nhiệt nóng và sự hấp thụ đủ các thành phần phi kim loại, hàm lượng tạp chất giảm, kích thước của các tạp chất và sự phân bố của chúng trong bể nóng chảy bị thay đổi. Quá trình hàn không yêu cầu điện cực hoặc dây phụ và vùng nóng chảy ít bị ô nhiễm hơn, do đó độ bền và độ dẻo dai của mối hàn ít nhất bằng hoặc thậm chí cao hơn so với kim loại gốc.
5) Kiểm soát chính xác. Do điểm sáng tập trung nhỏ nên đường hàn có thể được định vị với độ chính xác cao. Đầu ra laser không có "quán tính", có thể dừng và khởi động lại ở tốc độ cao, và phôi phức tạp có thể được hàn bằng công nghệ chuyển động chùm tia điều khiển số.
6) Quá trình hàn khí quyển không tiếp xúc. Bởi vì năng lượng đến từ chùm photon, không có tiếp xúc vật lý với phôi, do đó không có ngoại lực tác dụng lên phôi. Ngoài ra, từ tính và không khí không có tác dụng đối với ánh sáng laser.
Ưu điểm của hàn xuyên sâu bằng laser
1) Vì laser hội tụ có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với các phương pháp thông thường nên tốc độ hàn nhanh, vùng ảnh hưởng nhiệt và biến dạng nhỏ, đồng thời có thể hàn các vật liệu khó hàn như titan.
2) Do chùm tia dễ truyền và điều khiển, không cần thay mỏ hàn và vòi phun thường xuyên, đồng thời không cần chân không khi hàn chùm tia điện tử, giúp giảm đáng kể thời gian ngừng hoạt động phụ trợ, do đó, hệ số tải và hiệu quả sản xuất cao.
3) Do hiệu quả làm sạch và tốc độ làm mát cao, độ bền mối hàn, độ bền và hiệu suất toàn diện cao.
4) Do đầu vào nhiệt trung bình thấp và độ chính xác xử lý cao, có thể giảm chi phí xử lý lại; Ngoài ra, chi phí vận hành của hàn laser cũng thấp, có thể giảm chi phí xử lý phôi.
5) Nó có thể kiểm soát hiệu quả cường độ chùm tia và định vị chính xác, đồng thời dễ dàng nhận ra hoạt động tự động.
Nhược điểm của hàn xuyên sâu bằng laser
1) Chiều sâu hàn bị hạn chế.
2) Yêu cầu lắp ráp của phôi cao.
3) Đầu tư một lần cho hệ thống laser tương đối cao
