1.Pđệ tửcủa tôihàn aser
Hàn laser có thể được thực hiện bằng chùm tia laser xung hoặc liên tục. Nguyên lý của hàn laser có thể được chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu bằng laser. Khi mật độ công suất nhỏ hơn 104 ~ 105W / cm2, đó là hàn dẫn nhiệt. Lúc này chiều sâu hàn cạn và tốc độ hàn chậm. Khi mật độ công suất lớn hơn 105 ~ 107W / cm2, bề mặt kim loại được lõm vào" hốc" dưới tác dụng của nhiệt, tạo thành một hàn sâu. Tỷ lệ khung hình rộng, nhanh.
Nguyên lý của hàn laser dẫn nhiệt là: bức xạ laser làm nóng bề mặt cần xử lý, và nhiệt bề mặt được khuếch tán vào bên trong bằng quá trình dẫn nhiệt. Bằng cách kiểm soát các thông số laser như độ rộng xung laser, năng lượng, công suất đỉnh và tần số lặp lại, phôi được nấu chảy để tạo thành một vùng nóng chảy cụ thể.
Máy hàn laserđối với hàn bánh răng và hàn tấm luyện kim chủ yếu liên quan đến hàn xuyên sâu bằng laser. Phần sau tập trung vào nguyên lý của hàn xuyên sâu bằng laser.
Hàn xuyên sâu bằng laser thường sử dụng chùm tia laser liên tục để hoàn thành việc kết nối vật liệu. Quá trình vật lý luyện kim rất giống với hàn chùm điện tử, đó là, cơ chế chuyển đổi năng lượng được hoàn thành thông qua" lỗ khóa" kết cấu. Dưới chiếu xạ laser mật độ công suất đủ cao, vật liệu bay hơi và tạo thành các lỗ nhỏ. Hố chứa đầy hơi nước này giống như một vật đen, nó hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của chùm tia tới. Nhiệt độ cân bằng trong khoang đạt khoảng 2500 ° C. Nhiệt được truyền từ thành ngoài của khoang có nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại bao quanh khoang. Lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước nhiệt độ cao được tạo ra bởi sự bốc hơi liên tục của vật liệu tường dưới chùm tia. Bốn bức tường của lỗ nhỏ bao quanh kim loại nóng chảy, và kim loại lỏng bao quanh vật liệu rắn. (Trong hầu hết các quy trình hàn thông thường và hàn dẫn tia laze, năng lượng đầu tiên (được lắng đọng trên bề mặt của phôi, và sau đó được truyền vào bên trong bằng cách truyền). Dòng chất lỏng và sức căng bề mặt thành bên ngoài thành lỗ rỗng phù hợp với hơi nước áp suất liên tục sinh ra trong lỗ nhỏ và duy trì trạng thái cân bằng động. Chùm sáng liên tục đi vào lỗ nhỏ, vật chất bên ngoài lỗ nhỏ liên tục chảy. Khi chùm sáng chuyển động, lỗ nhỏ luôn ở trạng thái chảy đều. Tức là, lỗ nhỏ và kim loại nóng chảy bao quanh thành lỗ sẽ chuyển động về phía trước với tốc độ tịnh tiến của chùm tia tiên đạo. Kim loại nóng chảy lấp đầy khoảng trống còn lại sau khi lỗ nhỏ bị loại bỏ và ngưng tụ với nó, và một mối hàn được hình thành. điều này xảy ra nhanh đến mức tốc độ hàn có thể dễ dàng đạt đến vài mét mỗi phút.
2.Các thông số quy trình chính của hàn xuyên sâu bằng laser
(1)Công suất laser. Có một ngưỡng mật độ năng lượng laser trong hàn laser. Dưới giá trị này, độ sâu thâm nhập rất nông. Một khi nó đạt đến hoặc vượt quá giá trị này, độ sâu thâm nhập sẽ được tăng lên rất nhiều. Plasma chỉ được tạo ra khi mật độ công suất laser trên phôi vượt quá ngưỡng (phụ thuộc vào vật liệu), điều này có nghĩa là hàn xuyên sâu ổn định. Nếu công suất laser thấp hơn ngưỡng này, chỉ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt của phôi, tức là quá trình hàn được thực hiện theo kiểu dẫn nhiệt ổn định. Tuy nhiên, khi mật độ công suất laser ở gần điều kiện quan trọng để hình thành các lỗ nhỏ, hàn xuyên sâu và hàn dẫn điện được thực hiện luân phiên, điều này trở thành quá trình hàn không ổn định, dẫn đến dao động lớn về độ sâu xuyên. Trong hàn sâu bằng laser, công suất laser điều khiển cả độ sâu xuyên thấu và tốc độ hàn. Chiều sâu xuyên thấu của mối hàn liên quan trực tiếp đến mật độ chùm tia và là hàm của công suất chùm tia tới và tiêu điểm chùm tia. Nói chung, đối với một chùm tia laser có đường kính nhất định, độ sâu xuyên qua tăng khi công suất chùm tia tăng lên.
(2)Tiêu điểm chùm tia. Kích thước điểm tia là một trong những biến số quan trọng nhất đối với hàn laser vì nó quyết định mật độ công suất. Nhưng đối với laser công suất cao, việc đo lường nó là một vấn đề khó khăn, mặc dù đã có nhiều kỹ thuật đo gián tiếp.
Kích thước điểm giới hạn nhiễu xạ chùm tia có thể được tính toán theo lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, nhưng do quang sai của thấu kính hội tụ, kích thước điểm thực tế lớn hơn giá trị tính toán. Phương pháp đo đơn giản nhất là định dạng đẳng nhiệt, đo tiêu điểm và đường kính lỗ thủng sau khi đốt cháy và xuyên qua một bảng polypropylene với giấy dày. Phương pháp này là để đo công suất laser và thời gian của chùm tia thông qua thực hành đo lường.
(3)Giá trị hấp thụ vật chất. Sự hấp thụ tia laser của một vật liệu phụ thuộc vào một số tính chất quan trọng của vật liệu, chẳng hạn như khả năng hấp thụ, hệ số phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, ... Trong đó quan trọng nhất là khả năng hấp thụ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ của một chùm tia laser theo vật liệu bao gồm hai khía cạnh: Thứ nhất, điện trở suất của vật liệu' s. Sau khi đo độ hấp thụ của bề mặt được đánh bóng của vật liệu, người ta thấy rằng độ hấp thụ của vật liệu tỷ lệ với căn bậc hai của điện trở suất, và điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Và thay đổi; 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 quả hàn.
Bước sóng đầu ra của laser CO2 thường là 10,6 μm. Các phi kim loại như gốm sứ, thủy tinh, cao su và nhựa có tỷ lệ hấp thụ cao ở nhiệt độ phòng, và các vật liệu kim loại có khả năng hấp thụ kém ở nhiệt độ phòng cho đến khi vật liệu bị nóng chảy và thậm chí khí hấp thụ của nó đã tăng mạnh.
Nó rất hiệu quả để cải thiện sự hấp thụ của chùm ánh sáng bằng phương pháp phủ bề mặt hoặc tạo màng oxit trên bề mặt.
(4)Tốc độ hàn. Tốc độ hàn có ảnh hưởng lớn hơn đến độ sâu thâm nhập. Tăng tốc độ sẽ làm cho độ sâu xuyên nông hơn, nhưng tốc độ quá thấp sẽ gây ra hiện tượng chảy quá nhiều vật liệu và hàn phôi. Do đó, có một phạm vi tốc độ hàn phù hợp cho một vật liệu nhất định với công suất laser nhất định và độ dày nhất định, và độ sâu xuyên lớn nhất có thể đạt được ở giá trị tốc độ tương ứng.
(5)Khí bảo vệ. Quá trình hàn laser thường sử dụng khí trơ để bảo vệ vũng nóng chảy. Khi hàn một số vật liệu, quá trình oxy hóa bề mặt có thể được bỏ qua, nhưng không tính đến khả năng bảo vệ, nhưng đối với hầu hết các ứng dụng, helium, argon, nitơ và các khí khác thường được sử dụng để bảo vệ phôi. Được bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa trong quá trình hàn.
Heli không dễ bị ion hóa (năng lượng ion hóa cao hơn), điều này cho phép tia laser đi qua một cách thuận lợi và năng lượng chùm tới bề mặt của phôi không bị cản trở. Đây là loại khí che chắn hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser, nhưng nó đắt hơn.
Argon rẻ hơn và có mật độ cao hơn nên hiệu quả bảo vệ tốt hơn. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa plasma kim loại ở nhiệt độ cao. Do đó, nó che chắn một phần chùm sáng bức xạ tới phôi, làm giảm công suất laser hiệu quả cho quá trình hàn và làm hỏng tốc độ hàn và độ thâm nhập. Bề mặt của mối hàn được bảo vệ bằng argon nhẵn hơn so với bề mặt được bảo vệ bằng heli.
Nitơ là khí rẻ nhất làm khí che chắn, nhưng nó không thích hợp để hàn một số loại thép không gỉ nhất định, chủ yếu là do các vấn đề luyện kim, chẳng hạn như hấp thụ, và đôi khi các lỗ rỗng được tạo ra ở khu vực chồng lên nhau.
Vai trò thứ hai của việc sử dụng khí bảo vệ là bảo vệ thấu kính hội tụ khỏi bị nhiễm hơi kim loại và sự bắn tung tóe của các giọt chất lỏng. Đặc biệt là trong quá trình hàn laser công suất cao, vì sự phóng xạ trở nên rất mạnh, nên việc bảo vệ ống kính lúc này là cần thiết hơn.
Chức năng thứ ba của khí che chắn là để loại bỏ hiệu quả tấm chắn plasma được tạo ra bởi hàn laser công suất cao. Hơi kim loại hấp thụ chùm tia laser và ion hóa thành đám mây plasma. Khí bảo vệ bao quanh hơi kim loại cũng bị ion hóa khi nung nóng. Nếu có quá nhiều plasma, chùm tia laser sẽ bị plasma tiêu thụ ở một mức độ nào đó. Plasma tồn tại trên bề mặt làm việc dưới dạng năng lượng thứ hai, làm cho sự thâm nhập nông hơn và bề mặt của vũng hàn rộng hơn. Tốc độ tái kết hợp điện tử được tăng lên bằng cách tăng sự va chạm của điện tử với các ion và nguyên tử trung hòa, do đó làm giảm mật độ điện tử trong plasma. Nguyên tử trung hòa càng nhẹ, tần số va chạm càng cao, và tỷ lệ tái hợp càng cao; Mặt khác, chỉ có khí bảo vệ có năng lượng ion hóa cao sẽ không làm tăng mật độ electron do chính khí đó đã bị ion hóa.
Heli có độ ion hóa thấp nhất và mật độ thấp nhất, và nó có thể nhanh chóng loại bỏ hơi kim loại bốc lên tạo ra từ bể kim loại nóng chảy. Do đó, sử dụng heli làm khí bảo vệ có thể triệt tiêu plasma ở mức độ tối đa, do đó làm tăng độ sâu xuyên thấu và tốc độ hàn; nó có thể thoát ra ngoài do nhẹ và không dễ gây bít lỗ chân lông. Tất nhiên, từ ảnh hưởng của việc hàn thực tế của chúng tôi, hiệu quả của việc bảo vệ bằng argon là không tồi.
Ảnh hưởng của đám mây plasma đến độ xuyên thấu rõ ràng nhất ở vùng tốc độ hàn thấp. Khi tốc độ hàn tăng lên, tác dụng của nó giảm dần.
Khí bảo vệ được phun ra bề mặt phôi qua vòi phun với một áp suất nhất định. Hình dạng thủy động lực học của vòi phun và đường kính của đầu ra là rất quan trọng. Nó phải đủ lớn để dẫn động khí bảo vệ phun ra bao phủ bề mặt hàn, nhưng để bảo vệ thấu kính một cách hiệu quả và ngăn ngừa ô nhiễm hơi kim loại hoặc kim loại bắn ra làm hỏng thấu kính, kích thước vòi phun cũng phải được giới hạn. Tốc độ dòng chảy cũng phải được kiểm soát, nếu không, dòng chảy tầng của khí bảo vệ trở nên hỗn loạn, khí quyển bị hút vào vũng nóng chảy, và cuối cùng, các lỗ rỗng được hình thành.
Để nâng cao hiệu quả bảo vệ, người ta cũng có thể sử dụng thêm phương pháp thổi phụ, đó là khí bảo vệ được bơm trực tiếp vào lỗ nhỏ của hàn xuyên sâu thông qua một vòi có đường kính nhỏ theo một góc nhất định. Khí che chắn không chỉ ngăn chặn đám mây plasma trên bề mặt của phôi, mà còn gây ảnh hưởng đến plasma bên trong các lỗ và hình thành các lỗ nhỏ, và chiều sâu thâm nhập được tăng thêm để có được mối hàn lý tưởng với độ sâu- so sánh chiều rộng. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác độ lớn và hướng của dòng khí, nếu không, hiện tượng hỗn loạn có thể xảy ra và làm hỏng vũng nóng chảy, khiến quá trình hàn khó ổn định.
(6)Tiêu cự ống kính. Khi hàn, hội tụ thường được sử dụng để hội tụ laser. Thông thường, ống kính có tiêu cự 63 ~ 254mm (2,5" ~ 10") được sử dụng. Kích thước tiêu điểm tỷ lệ thuận với tiêu cự. Tiêu cự càng ngắn thì tiêu điểm càng nhỏ. Tuy nhiên, độ dài tiêu cự cũng ảnh hưởng đến độ sâu tiêu cự, tức là độ sâu tiêu cự tăng đồng bộ với độ dài tiêu cự, vì vậy tiêu cự ngắn có thể làm tăng mật độ công suất, nhưng vì độ sâu tiêu cự nhỏ nên khoảng cách giữa ống kính và phôi phải được bảo dưỡng chính xác và độ sâu xuyên không lớn. Do ảnh hưởng của tia lửa 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 độ dài tiêu cự 126mm (5 ”). Khi đường nối lớn hoặc cần tăng mối hàn bằng cách tăng kích thước vết, Chọn ống kính có tiêu cự 254mm (10 ”). Trong trường hợp này, để đạt được hiệu ứng lỗ kim nóng chảy sâu, cần phải có công suất phát tia laser (mật độ công suất) cao hơn.
Khi công suất laser vượt quá 2kW, đặc biệt 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 nguy cơ làm hỏng quang học đối với thấu kính hội tụ, phương pháp lấy nét phản xạ là thường được sử dụng, và gương đồng đánh bóng thường được sử dụng làm gương soi. Do khả năng làm mát hiệu quả của nó, nó thường được khuyến khích sử dụng cho việc tập trung chùm tia laze công suất cao.
(7)Vị trí tiêu điểm. Để duy trì mật độ công suất đủ trong quá trình hàn, vị trí lấy nét là rất quan trọng. Sự thay đổi vị trí tương đối của trọng tâm và bề mặt phôi ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và chiều sâu của mối hàn.
Trong hầu hết các ứng dụng hàn laser, vị trí của tiêu điểm thường được đặt khoảng 1/4 độ sâu xuyên cần thiết bên dưới bề mặt của phôi.
(8)Vị trí tia laze. Khi hàn các vật liệu khác nhau bằng tia laze, vị trí của chùm tia laze sẽ kiểm soát chất lượng cuối cùng của mối hàn, đặc biệt là trong trường hợp mối hàn đối đầu, nhạy cảm hơn so với mối ghép vòng. Ví dụ, khi các bánh răng bằng thép cứng được hàn với trống thép cacbon thấp, việc kiểm soát chính xác vị trí chùm tia laze sẽ có lợi cho việc tạo ra các mối hàn chủ yếu được cấu tạo từ các thành phần cacbon thấp, có khả năng chống nứt tốt hơn. Trong một số ứng dụng, dạng hình học của phôi 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&# 39 sẽ không bị ảnh hưởng.
(9)Công suất laser khi bắt đầu và kết thúc quá trình hàn được kiểm soát dần dần. Trong hàn sâu bằng laser, các lỗ kim luôn tồn tại bất kể độ sâu của mối hàn. Khi quá trình hàn kết thúc và tắt công tắc nguồn, các vết lõm sẽ xuất hiện ở cuối mối hàn. Ngoài ra, khi lớp hàn laser bao phủ đường hàn ban đầu, có thể xảy ra hiện tượng hấp thụ quá mức chùm tia laser, dẫn đến mối hàn quá nóng hoặc tạo ra rỗ khí.
To ngăn chặn hiện tượng nêu trên xảy ra, có thể lập chương trình cho điểm bắt đầu và điểm kết thúc của nguồn điện để có thể điều chỉnh thời gian bắt đầu và kết thúc của nguồn điện, nghĩa là công suất khởi động được tăng từ 0 đến giá trị công suất đặt trong thời gian ngắn bằng phương pháp điện tử, và hàn được điều chỉnh Thời gian, và cuối cùng công suất được giảm dần từ công suất đặt về 0 khi kết thúc hàn.
3.Các tính năng, ưu điểm và nhược điểm của hàn nhiệt hạch sâu bằng laser
(1)Đặc điểm của hàn xuyên sâu bằng laser
①Tỉ lệ cao. Do kim loại nóng chảy được hình thành xung quanh khoang hơi nhiệt độ cao hình trụ và kéo dài về phía phôi, nên đường hàn trở nên sâu và hẹp.
②Đầu vào nhiệt tối thiểu. Do nhiệt độ trong các lỗ nhỏ rất cao nên quá trình nóng chảy xảy ra rất nhanh, nhiệt lượng truyền vào phôi rất thấp, biến dạng nhiệt và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ.
③Mật độ cao. Do các lỗ nhỏ chứa đầy hơi nước nhiệt độ cao có lợi cho việc khuấy trộn vũng hàn và thoát khí, dẫn đến hình thành các mối hàn không có lỗ rỗng. Tốc độ làm nguội cao sau khi hàn giúp dễ dàng thu nhỏ cấu trúc mối hàn.
④Mối hàn chắc chắn. Do nguồn nhiệt nóng và sự hấp thụ đủ của các thành phần phi kim loại nên hàm lượng tạp chất giảm đi, 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, làm cho độ bền và độ dẻo dai của mối hàn ít nhất tương đương hoặc thậm chí lớn hơn kim loại mẹ.
⑤Kiểm soát chính xác. Vì tiêu điểm nhỏ nên mối hàn có thể được định vị với độ chính xác cao. Đầu ra laser không có" quán tính" và có thể dừng và khởi động lại ở tốc độ cao. Công nghệ di chuyển chùm tia CNC có thể hàn các phôi phức tạp.
⑥Quá trình hàn khí quyển không tiếp xúc. Vì năng lượng đến từ chùm photon và không có tiếp xúc vật lý nào với phôi nên không có ngoại lực tác dụng lên phôi. Ngoài ra, cả từ trường và không khí đều không ảnh hưởng đến tia laser.
(2)Amối liên quan của hàn sâu bằng laser
①Laser hội tụ có mật độ công suất cao hơn nhiều so với các phương pháp thông thường, dẫn đến tốc độ hàn nhanh hơn, ít vùng bị ảnh hưởng nhiệt và biến dạng hơn, và hàn được các vật liệu khó hàn như titan.
②Bởi vì chùm tia dễ dàng truyền và điều khiển, không cần thay đổi mỏ hàn và vòi phun thường xuyên, và không cần chân không khi hàn chùm tia điện tử, giúp giảm đáng kể thời gian tắt máy phụ trợ, do đó hệ số tải và hiệu quả sản xuất cao.
③Do hiệu quả làm sạch và tốc độ nguội cao, mối hàn có độ bền cao, độ dẻo dai và hiệu suất toàn diện.
④Do đầu vào nhiệt trung bình thấp và độ chính xác gia công cao, chi phí gia công lại có thể giảm; Ngoài ra, chi phí vận hành hàn laser cũng thấp hơn, có thể giảm chi phí gia công phôi.
⑤Nó có thể kiểm soát hiệu quả cường độ chùm tia và định vị tốt, và dễ dàng thực hiện hoạt động tự động.
(3)Nhược điểm của hàn sâu bằng laser
①Wđộ sâu trường sinhLàSố lượng có hạn.
②Yêu cầu lắp ráp phôi cao.
③Ođầu tư thời gian vào hệ thống lasercao.