Lựa chọn khí bảo vệ trong hàn laser
Bạn đã từng gặp phải các khuyết tật hàn như bắn tóe quá mức, hình dáng mối hàn kém thẩm mỹ và nhiều lỗ rỗ sau khi hàn chưa? Trong khi bạn có thể đang tự hỏi liệu nguyên nhân có phải do cài đặt sai thông số quy trình hàn laser, bạn đã biết rằng việc sử dụng khí bảo vệ đúng cách cũng là một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng mối hàn. Việc lựa chọn khí bảo vệ tối ưu thực tế là một phương pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng và hiệu suất hàn.
Vì khí bảo vệ quan trọng đến vậy, vậy chức năng cụ thể của nó là gì? Làm thế nào để bạn lựa chọn loại khí bảo vệ phù hợp? Khí bảo vệ nên được thổi vào như thế nào trong quá trình hàn?
Vai trò của khí bảo vệ
Trong hàn laser, khí bảo vệ ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn, chất lượng mối hàn, độ thấu sâu của mối hàn và chiều rộng mối hàn. Trong hầu hết các trường hợp, việc thổi khí bảo vệ có tác động tích cực đến mối hàn, nhưng cũng có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực.
Các tác động tích cực
1) Khí bảo vệ được đưa vào đúng cách sẽ bảo vệ hiệu quả vùng kim loại nóng chảy, giảm hoặc thậm chí ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa.
2) Khí bảo vệ được đưa vào đúng cách sẽ giảm hiệu quả hiện tượng bắn tóe trong quá trình hàn.
3) Khí bảo vệ được đưa vào đúng cách sẽ thúc đẩy sự lan tỏa đồng đều của vùng kim loại nóng chảy trong quá trình đông đặc, từ đó tạo ra mối hàn đồng đều và thẩm mỹ.
4) Khí bảo vệ được đưa vào đúng cách sẽ giảm hiệu quả tác dụng che khuất của các chùm hơi kim loại hoặc đám mây plasma đối với tia laser, làm tăng tỷ lệ sử dụng hiệu quả của tia laser.
5) Khí bảo vệ được đưa vào đúng cách sẽ giảm hiệu quả độ xốp của mối hàn.
Miễn là loại khí, lưu lượng khí và phương pháp đưa khí được lựa chọn đúng, kết quả lý tưởng có thể đạt được.
Tuy nhiên, việc sử dụng khí bảo vệ không đúng cách cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình hàn.
1) Việc áp dụng khí bảo vệ không đúng có thể làm xấu đi mối hàn:
① Việc lựa chọn sai loại khí có thể gây ra nứt mối hàn và làm giảm các tính chất cơ học của mối hàn;
② Việc lựa chọn sai lưu lượng khí có thể dẫn đến hiện tượng oxy hóa mối hàn nghiêm trọng hơn (dù lưu lượng quá cao hay quá thấp), đồng thời cũng có thể gây nhiễu mạnh tới vũng hàn, dẫn đến sụp đổ mối hàn hoặc hình thành không đều;
③ Việc lựa chọn sai phương pháp cấp khí có thể khiến vùng bảo vệ trở nên không hiệu quả hoặc thậm chí không tồn tại, hoặc ảnh hưởng tiêu cực đến hình dạng mối hàn;
2) Việc áp dụng khí bảo vệ có thể ảnh hưởng đến độ thấu sâu mối hàn, đặc biệt trong hàn tấm mỏng, làm giảm độ thấu sâu mối hàn.
Các loại khí bảo vệ
Các loại khí bảo vệ thường được sử dụng trong hàn laser bao gồm N2, Ar và He. Các tính chất vật lý – hóa học của chúng khác nhau, do đó tác động của chúng lên mối hàn cũng khác nhau.
Nitơ (N2)
Loại rẻ nhất, nhưng không phù hợp để hàn một số loại thép không gỉ. Nitơ (N2) có năng lượng ion hóa ở mức trung bình, cao hơn argon (Ar) nhưng thấp hơn heli (He). Dưới tác dụng của chùm tia laser, mức độ ion hóa của nitơ thường thấp, do đó hiệu quả giảm sự hình thành đám mây plasma và tăng tỷ lệ sử dụng laser hiệu quả. Tuy nhiên, nitơ có thể phản ứng hóa học với hợp kim nhôm và thép carbon ở một số nhiệt độ nhất định, tạo thành các nitrua. Điều này làm tăng độ giòn và giảm độ dẻo dai của mối hàn, ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến tính chất cơ học của mối hàn. Vì vậy, nitơ không được khuyến nghị sử dụng làm khí bảo vệ khi hàn hợp kim nhôm và thép carbon.
Mặt khác, các nitrua được tạo ra do phản ứng hóa học giữa nitơ và thép không gỉ có thể làm tăng độ bền của mối hàn, cải thiện tính chất cơ học của nó. Do đó, nitơ có thể được sử dụng làm khí bảo vệ khi hàn thép không gỉ.
A-rôn (Ar)
tương đối rẻ, có mật độ cao và cung cấp khả năng bảo vệ tốt. Bề mặt mối hàn mượt hơn so với khi sử dụng heli. Tuy nhiên, nó dễ bị ion hóa bởi plasma kim loại ở nhiệt độ cao, điều này có thể che chắn một phần chùm tia laser không đến được phôi, làm giảm công suất hàn hiệu dụng cũng như cản trở tốc độ hàn và độ thấu sâu. Ar (Argon) có năng lượng ion hóa thấp nhất, nhưng mức độ ion hóa của nó tương đối cao dưới tác dụng của bức xạ laser, điều này không thuận lợi cho việc kiểm soát sự hình thành đám mây plasma và sẽ gây ảnh hưởng nhất định đến tỷ lệ sử dụng hiệu quả của tia laser. Tuy nhiên, Ar có tính phản ứng rất thấp và khó phản ứng hóa học với các kim loại thông dụng. Hơn nữa, Ar có giá thành rẻ. Ngoài ra, Ar có mật độ cao, giúp khí dễ dàng lắng xuống phía trên vũng hàn, từ đó bảo vệ tốt hơn cho vũng hàn. Do đó, Ar có thể được sử dụng làm khí bảo vệ thông thường.
Hêli (He)
Giá thành cao hơn, nhưng mang lại hiệu quả tốt nhất, cho phép tia laser đi thẳng qua mà không bị cản trở đến bề mặt vật gia công. Heli có năng lượng ion hóa cao nhất, tuy nhiên mức độ ion hóa của nó dưới tác dụng chiếu xạ của tia laser rất thấp, nhờ đó có thể kiểm soát hiệu quả việc hình thành đám mây plasma. Tia laser tương tác tốt với kim loại, và heli có tính phản ứng rất thấp, về cơ bản không phản ứng hóa học với kim loại. Đây là một khí bảo vệ hàn xuất sắc. Tuy nhiên, heli quá đắt nên thường không được sử dụng trong sản xuất hàng loạt. Heli thường chỉ được áp dụng trong nghiên cứu khoa học hoặc các sản phẩm có giá trị gia tăng cao.
Các phương pháp phun khí bảo vệ
Hiện nay có hai phương pháp chính để đưa khí bảo vệ vào vùng hàn: thứ nhất là thổi khí bảo vệ lệch trục từ phía bên... Khí bảo vệ thổi song song từ bên cạnh
Loại thứ hai là khí bảo vệ đồng trục.
Khí bảo vệ đồng trục
Việc lựa chọn giữa hai phương pháp thổi này phụ thuộc vào sự kết hợp của nhiều yếu tố, nhưng nói chung phương pháp thổi khí bảo vệ từ bên cạnh được khuyến nghị sử dụng.
Nguyên tắc lựa chọn phương pháp thổi khí bảo vệ
Trước hết, cần làm rõ rằng thuật ngữ "oxy hóa mối hàn" là một cách gọi thông dụng. Về mặt lý thuyết, thuật ngữ này đề cập đến phản ứng hóa học giữa mối hàn và các thành phần có hại trong không khí, dẫn đến suy giảm chất lượng mối hàn. Các ví dụ phổ biến bao gồm kim loại mối hàn phản ứng với oxy, nitơ và hydro trong không khí ở một số nhiệt độ nhất định.
Việc ngăn ngừa oxy hóa mối hàn đòi hỏi phải giảm thiểu hoặc tránh tiếp xúc giữa các thành phần có hại này với kim loại mối hàn ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao ở đây không chỉ đề cập đến kim loại trong vũng hàn nóng chảy mà còn bao gồm toàn bộ giai đoạn từ khi kim loại mối hàn bắt đầu nóng chảy cho đến khi nó đông đặc và nhiệt độ giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định.
Ví dụ, trong hàn hợp kim titan, hydro được hấp thụ nhanh chóng ở nhiệt độ trên 300 °°C, oxy ở nhiệt độ trên 450 °°C và nitơ ở nhiệt độ trên 600 °C. Do đó, các mối hàn hợp kim titan yêu cầu được bảo vệ hiệu quả sau khi đông đặc và trong suốt giai đoạn nhiệt độ giảm xuống dưới 300 °°C; nếu không, chúng sẽ bị "oxy hóa."
Như mô tả ở trên đã làm rõ, khí bảo vệ thổi vào không chỉ cần bảo vệ kịp thời vùng hồ quang hàn mà còn phải bảo vệ cả vùng mới đông đặc. Vì vậy, phương pháp thổi khí bảo vệ lệch trục từ phía bên (như thể hiện trong Hình 1) thường được sử dụng vì nó mang lại phạm vi bảo vệ rộng hơn so với phương pháp bảo vệ đồng trục (như thể hiện trong Hình 2), đặc biệt là cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn cho vùng hàn mới đông đặc.
Đối với các ứng dụng kỹ thuật, phương pháp thổi khí bảo vệ lệch trục từ phía bên không phù hợp với mọi sản phẩm. Đối với một số sản phẩm cụ thể, chỉ có thể sử dụng khí bảo vệ đồng trục. Việc lựa chọn phương pháp phải được điều chỉnh phù hợp với cấu trúc sản phẩm và loại mối nối.
Lựa chọn Phương pháp Thổi Khí Bảo vệ Cụ thể
1) Các mối hàn thẳng
Như thể hiện trong Hình 3, hình dạng mối hàn của sản phẩm là thẳng. Loại mối nối có thể là mối nối đối đầu, mối nối chồng, mối nối góc hoặc mối hàn chồng lấn. Đối với loại sản phẩm này, phương pháp cấp khí bảo vệ từ bên cạnh lệch trục được minh họa trong được ưu tiên.
2) Mối hàn phẳng có dạng khép kín
Hình dạng mối hàn của sản phẩm là dạng khép kín như một đường tròn phẳng, một đa giác phẳng hoặc một đường gãy nhiều đoạn phẳng. Loại mối nối có thể là mối nối đối đầu, mối nối chồng hoặc mối nối hàn chồng lấn. Đối với loại sản phẩm này, khí bảo vệ đồng trục được ưu tiên.
Mối hàn phẳng có dạng khép kín
Việc lựa chọn khí bảo vệ trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng, hiệu suất và chi phí sản xuất hàn. Tuy nhiên, do sự đa dạng của các vật liệu hàn, việc lựa chọn khí hàn trong thực tế khá phức tạp. Cần xem xét toàn diện các yếu tố như vật liệu hàn, phương pháp hàn, vị trí hàn và hiệu quả hàn yêu cầu. Chỉ thông qua thử nghiệm hàn mới có thể lựa chọn được loại khí hàn phù hợp hơn nhằm đạt được kết quả hàn tốt hơn.
