Hàn Laser hợp kim nhôm

 

Công nghệ laser có đặc điểm là nhiệt đầu vào hàn nhỏ, ảnh hưởng nhỏ đến vùng gia nhiệt hàn và không dễ biến dạng nên nhận được sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực hàn hợp kim nhôm. Tuy nhiên, do đặc tính gia công của hợp kim nhôm nên có một số khó khăn khi hàn laser trên hợp kim nhôm. Làm thế nào để giải quyết những vấn đề này?

 

Câu hỏi 1: Hợp kim nhôm có tỷ lệ hấp thụ tia laser thấp.
Vấn đề này chủ yếu là do vấn đề về vật liệu hợp kim nhôm. Do hệ số phản xạ ban đầu cao và độ dẫn nhiệt cao của hợp kim nhôm đối với chùm tia laser nên hợp kim nhôm có tỷ lệ hấp thụ của chùm tia laser trước khi nóng chảy thấp. Hợp kim nhôm có tác dụng phản xạ mạnh đối với ánh sáng laser. Điều này là do mật độ electron tự do cao bên trong hợp kim nhôm ở trạng thái rắn, dễ dàng tương tác với các photon trong chùm tia và phản xạ năng lượng đi. Nghiên cứu cho thấy độ phản xạ của hợp kim nhôm đối với laser CO2 khí cao tới 90% và độ phản xạ đối với laser rắn cũng gần 80%. Đồng thời, hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt mạnh nên tỷ lệ hấp thụ của hợp kim nhôm đối với ánh sáng laser rất thấp. Do đó, phải thực hiện các biện pháp thích hợp để cải thiện tốc độ hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm.

 

Để giải quyết vấn đề này, các giải pháp chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
1. Xử lý bề mặt vật liệu hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm có phản ứng laser cao. Thực hiện xử lý trước thích hợp trên bề mặt hợp kim nhôm, chẳng hạn như anodizing, đánh bóng điện phân, phun cát, phun cát, v.v. Nó có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của bề mặt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng xu hướng kết tinh của hợp kim nhôm sau khi loại bỏ màng oxit cao hơn so với hợp kim nhôm ban đầu. Để không làm hỏng bề mặt hoàn thiện của hợp kim nhôm và đơn giản hóa quá trình hàn laser, quá trình hàn có thể được sử dụng để tăng nhiệt độ bề mặt của phôi và tăng tốc độ hấp thụ tia laser của vật liệu.

2. Giảm kích thước điểm và tăng mật độ năng lượng laser. Sự hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm được cải thiện bằng cách tăng mật độ năng lượng laser. Sự gia tăng mật độ năng lượng laser sẽ tạo ra hiệu ứng lỗ kim trong bể nóng chảy hàn, điều này có thể làm tăng đáng kể tốc độ hấp thụ laser của vật liệu.

3. Thay đổi cấu trúc hàn để làm cho chùm tia laser phản xạ nhiều lần trong khe hở để thuận tiện cho việc hàn laser hợp kim nhôm. Hình dạng của khớp sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng laser. Rãnh hình chữ V và rãnh vuông thuận lợi cho việc hình thành lỗ khóa hơn so với các khớp không có rãnh, làm tăng mật độ năng lượng laser và tăng tốc độ hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm.

 

 

Vấn đề 2:Rất dễ tạo ra lỗ chân lông và vết nứt nóng. Quá trình hàn laser hợp kim nhôm dễ bị lỗ chân lông và vết nứt nóng.

Độ xốp là loại khuyết tật phổ biến nhất và quan trọng nhất khi hàn laser các hợp kim nhôm. Các loại khí khổng có thể được chia thành 2 loại.

Một là do độ hòa tan hydro giảm mạnh trong quá trình làm mát của hàn laser hợp kim nhôm. Hàm lượng hydro của hợp kim nhôm nóng chảy có thể đạt tới {{0}},69mL/100g. Hàm lượng hydro của hợp kim nhôm sau khi làm mát và hóa rắn là 0,036mL/100g, siêu bão hòa. Hydro kết tủa tạo thành lỗ khí hydro. Ngoài ra, trên bề mặt hợp kim nhôm còn có một lớp màng oxit. Trong quá trình hàn, nước tinh thể trên bề mặt hợp kim nhôm, độ ẩm trong không khí và khí bảo vệ bị phân hủy trực tiếp thành hydro. Các lỗ hydro này không có thời gian thoát ra ngoài trong quá trình làm nguội nhanh của hàn laser hợp kim nhôm mà vẫn tồn tại trong mối hàn để tạo thành các lỗ hydro.

 

Loại còn lại là lỗ được hình thành do lỗ khóa tạo ra trong quá trình hàn laser không ổn định và xẹp xuống, kim loại lỏng không có thời gian để lấp đầy. Lỗ rỗng quá mức sẽ làm giảm mật độ mối hàn, giảm khả năng chịu tải của mối nối, giảm độ bền và độ dẻo của mối hàn ở các mức độ khác nhau.

 

Có nhiều biện pháp để giảm khuyết tật lỗ rỗng trong hàn laser hợp kim nhôm như thay đổi quỹ đạo của chùm tia laser, sử dụng dao động chùm tia để khuấy vũng nóng chảy, tăng khả năng lỗ rỗng thoát ra khỏi bề mặt, sử dụng dây điền đầy hoặc bột hợp kim, và Các biện pháp như công nghệ điểm kép và hàn lai laser có thể đạt được hiệu quả thu nhỏ lỗ chân lông nhưng về cơ bản rất khó loại bỏ. Nhôm có độ dẫn nhiệt tương đối tốt và dạng sóng công suất laser có thể được điều chỉnh trong quá trình hàn tùy theo vật liệu, độ dày và tình trạng bề mặt của hợp kim nhôm. Như trong hình, hàn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng loại sóng đầu phía trước hoặc có thể thực hiện hàn bằng loại sóng có gia nhiệt trước và sau đó bảo quản nhiệt, cả hai đều đóng vai trò nhất định trong việc giảm điểm nổ và lỗ chân lông. Nó có thể làm giảm sự sụp đổ không ổn định của lỗ chân lông, thay đổi góc chiếu xạ của chùm tia laser và tạo ra từ trường trong quá trình hàn. Nó cũng có thể kiểm soát hiệu quả các lỗ chân lông được tạo ra trong quá trình hàn.

 

Nguyên nhân gây ra vết nứt nóng khi hàn laser hợp kim nhôm chủ yếu liên quan đến đặc tính và quá trình hàn của nó. Khi hợp kim nhôm đông đặc, tốc độ co ngót lớn (lên tới 5%), ứng suất hàn và biến dạng lớn, kim loại hàn sẽ tạo ra cấu trúc eutectic có điểm nóng chảy thấp dọc theo ranh giới hạt trong quá trình kết tinh, làm suy yếu ranh giới hạt lực liên kết và đóng vai trò trong ứng suất kéo. Các vết nứt nhiệt hình thành bên dưới.

Xu hướng nứt nóng có thể được giảm bớt bằng cách lấp đầy dây hoặc bột hợp kim. Xu hướng nứt nóng cũng có thể được giảm bằng cách điều chỉnh các thông số quá trình hàn để kiểm soát tốc độ gia nhiệt và làm mát. Khi sử dụng laser YAG, đầu vào nhiệt có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh dạng sóng xung để giảm vết nứt tinh thể.

 

 

Vấn đề 3:Tính chất cơ lý của liên kết hàn bị giảm – mềm đi.

 

Sự mất mát của các nguyên tố hợp kim trong quá trình hàn làm giảm tính chất cơ học của các mối hàn hợp kim nhôm.

 

"Làm mềm" là sự giảm độ bền và độ cứng của mối hàn. Khi sử dụng các mối nối hợp kim nhôm hàn laser, cấu trúc mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn cũng có vấn đề về độ mềm. Một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng mềm khi hàn hợp kim nhôm rất khó loại bỏ về cơ bản. Tuy nhiên, so với hàn được bảo vệ bằng khí, hàn laser làm giảm lượng nhiệt đầu vào và làm cho vùng làm mềm của mối hàn hẹp hơn. So với hàn hồ quang kim loại khí của hàn laser hợp kim nhôm, mức độ "làm mềm" của mối hàn laser thấp hơn và độ bền kéo tăng khi tốc độ hàn tăng. Tác động của plasma đến quá trình hàn Năng lượng ion hóa của nguyên tố nhôm thấp. Việc tạo thành plasma kim loại dễ dàng hơn trong quá trình hàn laser. Plasma gây ra hiện tượng khúc xạ và lệch hướng của tia laser, từ đó làm thay đổi vị trí tiêu điểm của chùm tia laser, làm giảm tỷ lệ xuyên thấu của mối hàn và ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Phương pháp định vị trước bột trên bề mặt phôi được sử dụng để làm suy yếu bước nhảy giãn nở của plasma theo hướng cao, để plasma có thể duy trì biên độ bước nhảy tương đối ổn định trên bề mặt phôi.

 

Lỗ chân lông không ổn định trong quá trình hàn hợp kim nhôm dẫn đến giảm tính chất cơ học của mối hàn. Hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm Zn, Mg và Al. Trong quá trình hàn, nhôm có nhiệt độ sôi cao hơn hai nguyên tố còn lại. Do đó, có thể thêm một số nguyên tố hợp kim có điểm sôi thấp khi hàn các thành phần hợp kim nhôm, điều này có lợi cho việc hình thành các lỗ nhỏ và độ chắc chắn của mối hàn.

 

1. Hàn tự hàn bằng hợp kim nhôm
Hàn laser tự sinh là phương pháp hàn sử dụng chùm tia laser mật độ năng lượng cao làm nguồn nhiệt để tác động lên bề mặt của vật liệu cơ bản, khiến vật liệu cơ bản tự nóng chảy để tạo thành mối hàn. Đối với hàn laser hợp kim nhôm, bề mặt hợp kim nhôm có độ phản xạ laser cao, đòi hỏi công suất laser lớn trong quá trình hàn; đường kính của điểm laze nhỏ, yêu cầu về độ chính xác của dụng cụ hàn cao và dung sai cho các khe hở của các bộ phận thấp, thường yêu cầu các bộ phận có giá trị khe hở dưới 0.2mm; tốc độ làm nóng và làm mát nhanh trong quá trình hàn, có nhiều khuyết tật lỗ hàn, mật độ năng lượng laser tập trung và hiệu ứng lỗ khóa dễ dẫn đến các mối hàn lõm và cắt xén. Vì vậy, các thông số của quá trình hàn có yêu cầu cao hơn. Hàn tự sinh bằng laser có ưu điểm là chất lượng hàn tốt, tốc độ hàn nhanh, dễ dàng tự động hóa trong hàn hợp kim nhôm và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Trong ngành công nghiệp xe điện, hàn tự nung bằng laser hợp kim nhôm chủ yếu được sử dụng để bịt kín vỏ pin điện. Ở thân nhôm của một hãng xe năng lượng mới trong nước, việc hàn cụm cửa và các tấm bên cũng sử dụng phương pháp hàn tự nung bằng hợp kim nhôm bằng laser.

 

2. Hàn dây laser hợp kim nhôm
Trong hàn dây hàn bằng laser, tia laser vẫn đóng vai trò là nguồn nhiệt chính để làm nóng chảy kim loại cần hàn, nhưng thiết bị cấp dây tự động được sử dụng để liên tục đưa kim loại phụ vào bể nóng chảy để đạt được quá trình kết nối luyện kim. So với hàn tự sinh bằng laser, hàn hàn dây bằng laser giúp giảm bớt các yêu cầu về độ chính xác khe hở trong quá trình hàn. Bằng cách lấp đầy dây hàn bằng các thành phần khác nhau, nó sẽ cải thiện tính chất luyện kim của mối hàn, ngăn ngừa các vết nứt và lỗ chân lông hàn nóng, đồng thời cải thiện tính ổn định của quá trình hàn. tính chất và tính chất cơ học của khớp.

 

Hàn dây laser hợp kim nhôm có đặc điểm về chất lượng hình thức tốt và độ chính xác khoảng cách quá trình lỏng hơn so với hàn tự sinh bằng laser. Nó thường được sử dụng trên các bề mặt bên ngoài của thân xe, chẳng hạn như giữa nắp trên và các tấm bên, cũng như giữa tấm ngoài trên và dưới của nắp cốp. Ngoài ra còn có một số mẫu sử dụng phương pháp hàn phụ dây laser để hàn cửa hợp kim nhôm nhằm đạt chất lượng hàn cao hơn.

 

3. Hàn hồ quang laser hợp kim nhôm
Hàn lai hồ quang laser kết hợp hai nguồn nhiệt, laser và hồ quang, với các tính chất vật lý và cơ chế truyền năng lượng hoàn toàn khác nhau, và hoạt động cùng nhau trên phôi được hàn. Nó không chỉ phát huy tối đa lợi thế tương ứng của hai nguồn nhiệt mà còn bổ sung cho nhau. những thiếu sót. Trong hàn lai hợp kim nhôm-hồ quang bằng laser, hồ quang có thể dẫn hướng nguồn nhiệt laser, cải thiện khả năng hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm và sử dụng năng lượng trong quá trình hàn, đồng thời khả năng định dạng bề mặt của mối hàn tốt hơn so với hàn laser. hàn tự sinh. Ngoài ra, việc đưa vào hồ quang có thể làm giảm đáng kể độ chính xác kẹp của phôi hàn. Đồng thời, hồ quang có tác dụng pha loãng plasma hàn laser, có thể làm giảm tác dụng che chắn của plasma đối với laser. Laser đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hồ quang, để hồ quang tác động ổn định lên mối nối khi hàn tốc độ cao, có thể cải thiện chất lượng mối hàn và tăng tốc độ hàn.

 

 

 

Phần kết luận
Mật độ năng lượng của chùm tia hàn laser hợp kim nhôm có thể đạt tới 109W/cm2. Nó cũng có ưu điểm là gia nhiệt tập trung, hư hỏng nhiệt nhỏ, tỷ lệ chiều sâu và chiều rộng mối hàn lớn và biến dạng hàn nhỏ. Quá trình hàn dễ tích hợp, tự động hóa và linh hoạt, có thể đạt được tốc độ cao và tốc độ cao. Hàn chính xác và quá trình hàn không cần môi trường chân không và không tạo ra tia X. Nó đặc biệt thích hợp để hàn các kết cấu phức tạp có độ chính xác cao. Tính năng hấp dẫn nhất của hàn laser hợp kim nhôm là hiệu quả cao. Để phát huy hết hiệu quả cao này, nó phải được áp dụng cho hàn sâu có độ dày lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng laser công suất cao cho hàn xuyên sâu chiều dày lớn sẽ là xu hướng phát triển tất yếu trong tương lai. Hàn xuyên sâu có độ dày lớn làm nổi bật hiện tượng lỗ kim và tác động của nó đến độ xốp của mối hàn. Vì vậy, cơ chế hình thành và kiểm soát lỗ kim ngày càng trở nên phổ biến và sẽ trở thành vấn đề nóng được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trong ngành.

 

Cải thiện độ ổn định, hình thành đường hàn và chất lượng hàn của quá trình hàn laser là mục tiêu được mọi người theo đuổi. Do đó, các công nghệ mới như công nghệ composite hồ quang laser, hàn laser dây phụ, hàn laser bột không cài sẵn, công nghệ lấy nét kép và định hình chùm tia sẽ được cải tiến và phát triển hơn nữa.