Công Nghệ Laser

1. Nguyên lý hàn laser

Hàn laser có thể được thực hiện bằng chùm tia laser liên tục hoặc xung. Nguyên lý hàn laser có thể được chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn thấu sâu bằng laser. Mật độ công suất thấp hơn 10 ⁴ ~10⁵ R/cm ² là hàn dẫn nhiệt, đặc trưng bởi độ thâm nhập nông và tốc độ hàn chậm. Khi mật độ công suất lớn hơn 10 ⁵ ~10⁷ R/cm ² , bề mặt kim loại được làm nóng, tạo ra các "hốc" và hình thành hàn thâm nhập sâu, đặc trưng bởi tốc độ hàn nhanh và tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng lớn.

Nguyên lý của hàn laser dẫn nhiệt như sau: bức xạ laser làm nóng bề mặt cần gia công, và nhiệt từ bề mặt lan truyền vào bên trong thông qua dẫn nhiệt. Bằng cách điều khiển các thông số laser như độ rộng, năng lượng, công suất đỉnh và tần số lặp lại của xung laser, vật liệu chi tiết sẽ nóng chảy, tạo thành một vũng chảy có hình dạng cụ thể.

Các máy hàn laser được sử dụng cho hàn bánh răng và hàn tấm mỏng trong lĩnh vực luyện kim chủ yếu áp dụng phương pháp hàn thâm nhập sâu bằng laser. Nguyên lý của hàn thâm nhập sâu bằng laser sẽ được trình bày chi tiết ở phần dưới đây.

Hàn thấu sâu bằng tia laser thường sử dụng chùm tia laser liên tục để nối các vật liệu. Cơ chế vật lý kim loại học của nó rất giống với hàn chùm electron, trong đó cơ chế chuyển đổi năng lượng được thực hiện thông qua cấu trúc "lỗ khóa" (keyhole). Dưới tác dụng của chùm tia laser có mật độ công suất đủ cao, vật liệu bốc hơi và hình thành lỗ khóa. Lỗ khóa chứa đầy hơi này hoạt động như một vật đen tuyệt đối, hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng của chùm tia chiếu tới. Nhiệt độ cân bằng bên trong lỗ khóa đạt khoảng 2500 °C. Nhiệt được truyền từ thành ngoài của lỗ khóa (keyhole) có nhiệt độ cao này, làm nóng chảy kim loại bao quanh nó. Lỗ khóa được lấp đầy bởi hơi ở nhiệt độ cao sinh ra do sự bốc hơi liên tục của vật liệu thành lỗ dưới tác dụng chiếu xạ của chùm tia. Thành lỗ khóa 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 nhiệt bằng laser, năng lượng trước tiên được truyền vào bề mặt phôi rồi mới lan truyền vào bên trong). Dòng chảy kim loại lỏng và lực căng bề mặt bên ngoài thành lỗ khóa duy trì trạng thái cân bằng động với áp suất hơi liên tục sinh ra bên trong lỗ khóa. Khi chùm tia laser liên tục đi vào lỗ khóa, vật liệu bên ngoài lỗ khóa tiếp tục chảy. Khi chùm tia laser di chuyển, lỗ khóa duy trì trạng thái dòng chảy ổn định. Nói cách khác, lỗ khóa và kim loại nóng chảy bao quanh nó cùng tiến về phía trước với tốc độ bằng tốc độ di chuyển của chùm tia dẫn hướng. Kim loại nóng chảy lấp đầy các khe hở để lại sau khi lỗ khóa di chuyển đi và sau đó đông đặc, từ đó hình thành mối hàn. Toàn bộ quá trình này diễn ra rất nhanh nên tốc độ hàn dễ dàng đạt tới vài mét mỗi phút.

2. Các thông số quy trình chính của hàn thấu sâu bằng laser

Công suất laser

Hàn laser đòi hỏi một ngưỡng mật độ năng lượng laser nhất định. Dưới ngưỡng này, độ sâu thấu nhập là nông; khi đạt đến hoặc vượt quá ngưỡng này, độ sâu thấu nhập tăng đáng kể. Plasma chỉ được sinh ra khi mật độ công suất laser trên vật liệu gia công vượt quá ngưỡng này (phụ thuộc vào loại vật liệu), đánh dấu sự bắt đầu của quá trình hàn thấu sâu ổn định. Nếu công suất laser thấp hơn ngưỡng này, chỉ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt trên vật liệu gia công, nghĩa là quá trình hàn diễn ra ở chế độ dẫn nhiệt ổn định. Khi mật độ công suất laser gần với điều kiện tới hạn để hình thành kênh lõi (keyhole), quá trình hàn thấu sâu và hàn dẫn nhiệt sẽ luân phiên nhau, dẫn đến một quá trình hàn không ổn định với các dao động lớn về độ sâu thấu nhập. Trong hàn thấu sâu bằng laser, công suất laser đồng thời kiểm soát cả độ sâu thấu nhập và tốc độ hàn. Độ sâu thấu nhập của mối hàn có quan hệ trực tiếp với mật độ công suất chùm tia và là hàm số của công suất chùm tia chiếu tới cùng diện tích điểm hội tụ của chùm tia. Nói chung, đối với một chùm tia laser có đường kính xác định, độ sâu thấu nhập sẽ tăng khi công suất chùm tia tăng.

Điểm hội tụ chùm tia

Kích thước điểm chùm tia là một trong những biến số quan trọng nhất trong hàn laser vì nó xác định mật độ công suất. Tuy nhiên, việc đo kích thước này đối với các laser công suất cao rất khó khăn, bất chấp sự tồn tại của nhiều kỹ thuật đo gián tiếp.

Kích thước điểm chùm tia giới hạn bởi nhiễu xạ có thể được tính toán dựa trên lý thuyết nhiễu xạ quang học. Tuy nhiên, do các sai lệch quang học trong thấu kính hội tụ, kích thước điểm thực tế lớn hơn giá trị tính toán. Phương pháp đo thực tế đơn giản nhất là phương pháp profilometri đẳng nhiệt, trong đó bao gồm việc đốt cháy bề mặt một tấm giấy dày và đâm xuyên qua một tấm polypropylen trước khi đo điểm hội tụ và đường kính lỗ đâm xuyên. Phương pháp này yêu cầu thực hiện đo thực tế để làm chủ công suất laser và thời gian chùm tia tiếp xúc.

Giá trị hấp thụ vật liệu

Việc hấp thụ ánh sáng laser bởi một vật liệu phụ thuộc vào nhiều tính chất quan trọng, chẳng hạn như khả năng hấp thụ, khả năng phản xạ, độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi, trong đó khả năng hấp thụ là yếu tố quan trọng nhất.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của một vật liệu đối với chùm tia laser bao gồm hai khía cạnh: Thứ nhất, điện trở suất của vật liệu. Các phép đo khả năng hấp thụ trên các bề mặt đã được đánh bóng cho thấy khả năng hấp thụ tỷ lệ thuận với căn bậc hai của điện trở suất, mà điện trở suất này lại thay đổi theo nhiệt độ. Thứ hai, điều kiện bề mặt (hoặc độ nhẵn) của vật liệu có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp thụ chùm tia, do đó ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả hàn.

Bước sóng đầu ra của laser CO2 thường là 10,6 μ m. Các vật liệu phi kim loại như gốm, thủy tinh, cao su và nhựa có tỷ lệ hấp thụ cao ở nhiệt độ phòng, trong khi các vật liệu kim loại hấp thụ kém ở nhiệt độ phòng, và chỉ tăng mạnh khi vật liệu bắt đầu nóng chảy hoặc thậm chí bốc hơi. Lớp phủ bề mặt hoặc màng oxit là những phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng hấp thụ chùm tia laser của vật liệu.

Tốc độ hàn

Tốc độ hàn ảnh hưởng đáng kể đến độ sâu thấu hàn. Việc tăng tốc độ dẫn đến độ thấu hàn nông hơn, trong khi tốc độ quá thấp lại gây ra hiện tượng nóng chảy quá mức và thủng. Do đó, đối với một vật liệu cụ thể với công suất laser và độ dày nhất định, sẽ tồn tại một dải tốc độ hàn phù hợp, trong đó đạt được độ thấu hàn tối đa. Hình 10-2 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ hàn và độ thấu hàn đối với thép 1018.

Khí bảo vệ

Các khí trơ thường được sử dụng để bảo vệ vùng kim loại nóng chảy trong quá trình hàn laser. Mặc dù sự oxy hóa bề mặt có thể không phải là vấn đề đối với một số vật liệu nhất định, nhưng heli, argon và nitơ thường được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng nhằm ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa vật liệu gia công trong quá trình hàn.

Heli bị ion hóa kém (nhưng có năng lượng ion hóa cao), cho phép chùm tia laser đi qua một cách trơn tru và tiếp cận bề mặt vật liệu gia công mà không bị cản trở. Đây là khí bảo vệ hiệu quả nhất được sử dụng trong hàn laser, tuy nhiên chi phí tương đối cao.

Argon rẻ hơn và có khối lượng riêng cao hơn, do đó mang lại khả năng bảo vệ tốt. Tuy nhiên, argon dễ bị ion hóa bởi plasma kim loại ở nhiệt độ cao, dẫn đến một phần chùm tia bị chắn lại, không thể tiếp cận vật liệu gia công, làm giảm công suất laser hiệu dụng cũng như ảnh hưởng tiêu cực đến tốc độ hàn và độ thấu sâu. Các mối hàn được bảo vệ bằng argon có bề mặt mịn màng hơn so với những mối hàn được bảo vệ bằng heli.

Nitơ là khí bảo vệ rẻ nhất, nhưng nó không phù hợp để hàn một số loại thép không gỉ, chủ yếu do các vấn đề kim loại học như hiện tượng hấp thụ, có thể gây ra độ xốp trong vùng mối hàn.

Chức năng thứ hai của khí bảo vệ là bảo vệ thấu kính tập trung khỏi bị nhiễm bẩn bởi hơi kim loại và hiện tượng bắn tung tóe của các giọt kim loại nóng chảy. Điều này đặc biệt quan trọng trong hàn laser công suất cao, khi vật liệu bị bắn ra trở nên rất mạnh.

Chức năng thứ ba của khí bảo vệ là khả năng làm tán xạ đám plasma được tạo ra trong quá trình hàn laser công suất cao. Hơi kim loại hấp thụ chùm tia laser và bị ion hóa thành một đám mây plasma. Khí bảo vệ bao quanh hơi kim loại cũng bị ion hóa do tác dụng của nhiệt. Nếu lượng plasma quá lớn, chùm tia laser sẽ bị tiêu hao một phần bởi plasma. Plasma tồn tại như một nguồn năng lượng thứ cấp trên bề mặt làm việc, dẫn đến độ thấu sâu mối hàn giảm và vũng hàn trở nên rộng hơn. Tốc độ tái hợp electron được tăng lên nhờ gia tăng tần số va chạm giữa các electron, ion và nguyên tử trung hòa, từ đó làm giảm mật độ electron trong plasma. Các nguyên tử trung hòa càng nhẹ thì tần số va chạm và tốc độ tái hợp càng cao; mặt khác, chỉ có khí bảo vệ có năng lượng ion hóa cao mới có thể ngăn chặn sự gia tăng mật độ electron do chính quá trình ion hóa của khí đó.

Kích thước của đám mây plasma thay đổi tùy theo loại khí bảo vệ được sử dụng, trong đó heli có kích thước nhỏ nhất, tiếp theo là nitơ, và argon có kích thước lớn nhất. Đám mây plasma lớn hơn dẫn đến độ thấu sâu mối hàn nông hơn. Sự khác biệt này chủ yếu xuất phát từ mức độ ion hóa khác nhau của các phân tử khí, cũng như sự khác biệt về khuếch tán hơi kim loại do mật độ khác nhau của các khí bảo vệ.

Heli có độ ion hóa và mật độ thấp nhất, cho phép nó nhanh chóng đẩy hơi kim loại bốc lên ra khỏi vũng kim loại nóng chảy. Do đó, việc sử dụng heli làm khí bảo vệ sẽ ức chế tối đa plasma, từ đó tăng độ thấu sâu mối hàn và tốc độ hàn; khối lượng riêng nhẹ của heli cũng giúp nó thoát ra dễ dàng, giảm nguy cơ hình thành rỗ khí. Tuy nhiên, dựa trên kết quả hàn thực tế của chúng tôi, khí bảo vệ argon đã chứng minh hiệu quả khá cao.

Ảnh hưởng của đám mây plasma lên độ thấu sâu mối hàn rõ rệt nhất ở tốc độ hàn thấp. Ảnh hưởng này giảm dần khi tốc độ hàn tăng lên.

Khí bảo vệ được phun ra với một áp suất nhất định qua vòi phun và tiếp cận bề mặt chi tiết gia công. Hình dạng thủy động học của vòi phun và đường kính lỗ thoát khí là những yếu tố then chốt. Lượng khí bảo vệ phải đủ lớn để bao phủ toàn bộ bề mặt hàn, nhưng kích thước vòi phun cần được giới hạn nhằm bảo vệ hiệu quả ống kính và ngăn ngừa ô nhiễm bởi hơi kim loại hoặc hư hại do bắn tóe kim loại. Lưu lượng khí cũng phải được kiểm soát chặt chẽ; nếu không, dòng chảy tầng của khí bảo vệ sẽ trở thành dòng chảy rối, khí quyển sẽ bị hút vào vùng hồ quang, dẫn đến hình thành các lỗ rỗ.

Để cải thiện hiệu quả che chắn, có thể sử dụng thêm phương pháp thổi khí ngang, trong đó khí che chắn được phun trực tiếp vào lỗ sâu (pinhole) của mối hàn thấu sâu thông qua một vòi phun có đường kính nhỏ hơn, với một góc nhất định. Khí che chắn không chỉ làm suy giảm đám mây plasma trên bề mặt vật liệu gia công mà còn ảnh hưởng đến plasma bên trong lỗ sâu cũng như quá trình hình thành lỗ sâu, từ đó làm tăng thêm độ sâu thấu và đạt được mối hàn có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng lý tưởng. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi kiểm soát chính xác lưu lượng và hướng dòng khí; nếu không, dễ xảy ra hiện tượng nhiễu loạn, gây tổn hại đến vũng chảy và làm cho quá trình hàn trở nên không ổn định.

Tiêu cự ống kính

Trong quá trình hàn, chùm tia laser thường được hội tụ, thường sử dụng các thấu kính có tiêu cự từ 63–254 mm (2,5 ”~10”kích thước của điểm hội tụ tỷ lệ thuận với tiêu cự; tiêu cự càng ngắn thì điểm hội tụ càng nhỏ. Tuy nhiên, tiêu cự cũng ảnh hưởng đến độ sâu trường tiêu (depth of focus), nghĩa là độ sâu trường tiêu tăng tỷ lệ thuận với tiêu cự. Do đó, tiêu cự ngắn hơn có thể làm tăng mật độ công suất, nhưng do độ sâu trường tiêu nông nên khoảng cách giữa thấu kính và phôi phải được duy trì một cách chính xác, đồng thời độ sâu thâm nhập cũng bị giới hạn. Do ảnh hưởng của hiện tượng bắn tóe (spatter) và chế độ chùm tia laser phát sinh trong quá trình hàn, tiêu cự ngắn nhất thực tế được sử dụng trong hàn thường là 126 mm (5”) ”khi mối hàn có kích thước lớn hoặc khi cần tăng kích thước đường hàn bằng cách mở rộng kích thước điểm hội tụ, có thể chọn thấu kính có tiêu cự 254 mm (10”) ”trong trường hợp này, để đạt được hiệu ứng lỗ khóa (keyhole) thâm nhập sâu, cần sử dụng công suất đầu ra laser cao hơn (mật độ công suất cao hơn).

Khi công suất laser vượt quá 2 kW, đặc biệt đối với 10,6 μ các chùm tia laser CO2 có bước sóng dài, do sử dụng các vật liệu quang học đặc biệt trong hệ thống quang học nên thường áp dụng phương pháp hội tụ bằng phản xạ để tránh gây hư hại quang học cho thấu kính hội tụ. Gương đồng đánh bóng thường được sử dụng làm bộ phản xạ. Nhờ khả năng làm mát hiệu quả, chúng thường được khuyến nghị dùng để hội tụ các chùm tia laser công suất cao.

Vị trí tiêu điểm

Trong quá trình hàn, vị trí tiêu điểm rất quan trọng để duy trì mật độ công suất đủ lớn. Sự thay đổi vị trí tương đối của tiêu điểm so với bề mặt chi tiết gia công sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và chiều sâu mối hàn. Hình 2-6 thể hiện ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến độ sâu thấu nhập và chiều rộng mối hàn trên thép 1018.

Trong hầu hết các ứng dụng hàn laser, tiêu điểm thường được đặt ở vị trí cách bề mặt chi tiết gia công khoảng một phần tư đường kính chùm tia để đạt được độ sâu thấu nhập mong muốn.

Vị trí chùm tia laser

Khi hàn laser các vật liệu khác nhau, vị trí chùm tia laser kiểm soát chất lượng mối hàn cuối cùng, đặc biệt trong các mối hàn đầu nối (butt joints), nơi độ nhạy cao hơn so với các mối hàn chồng (lap joints). Ví dụ, khi hàn bánh răng thép đã tôi cứng với trống thép carbon thấp, việc điều khiển chính xác vị trí chùm tia laser sẽ tạo ra mối hàn chủ yếu gồm các thành phần thép carbon thấp, từ đó có khả năng chống nứt tốt hơn. Trong một số ứng dụng, hình dạng của chi tiết cần hàn yêu cầu chùm tia laser phải được lệch đi một góc. Khi góc lệch giữa trục chùm tia và mặt phẳng mối hàn nằm trong khoảng 100 độ, khả năng hấp thụ năng lượng laser của chi tiết sẽ không bị ảnh hưởng.

Điều khiển tăng và giảm công suất laser tại các điểm bắt đầu và kết thúc quá trình hàn

Trong quá trình hàn thấu sâu bằng laser, hiện tượng lỗ khoan (pinhole) luôn tồn tại bất kể độ sâu mối hàn là bao nhiêu. Khi kết thúc quá trình hàn và tắt công tắc nguồn, một vết lõm sẽ xuất hiện ở cuối mối hàn. Ngoài ra, khi lớp hàn laser phủ lên mối hàn ban đầu, việc hấp thụ quá mức chùm tia laser có thể xảy ra, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt hoặc tạo ra các lỗ rỗ trong sản phẩm hàn.

Để ngăn ngừa các hiện tượng này, các điểm bắt đầu và kết thúc công suất có thể được lập trình để điều chỉnh thời gian bắt đầu và kết thúc công suất. Cụ thể, công suất khởi động được tăng điện tử từ giá trị bằng không lên giá trị công suất đã thiết lập trong một khoảng thời gian ngắn, đồng thời điều chỉnh thời gian hàn. Cuối cùng, tại thời điểm kết thúc hàn, công suất được giảm dần từ giá trị công suất đã thiết lập về bằng không.

3. Đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hàn thấu sâu bằng laser

Đặc điểm của phương pháp hàn thấu sâu bằng laser

1) Tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng lớn. 1) **Mối hàn sâu và hẹp:** Do kim loại nóng chảy hình thành xung quanh khoang hơi nước có nhiệt độ cao dạng trụ, lan rộng về phía vật gia công, nên mối hàn trở nên sâu và hẹp.

2) **Lượng nhiệt đưa vào tối thiểu:** Nhờ nhiệt độ cực cao bên trong lỗ hổng, quá trình nóng chảy diễn ra rất nhanh, dẫn đến lượng nhiệt truyền vào vật gia công rất thấp, từ đó giảm thiểu biến dạng do nhiệt và vùng ảnh hưởng bởi nhiệt.

3) **Độ đặc cao:** Lỗ hổng chứa hơi nước ở nhiệt độ cao giúp khuấy trộn vũng hàn và giải phóng khí, tạo ra mối hàn không rỗ khí và thấu hoàn toàn. Tốc độ làm nguội cao sau khi hàn còn làm mịn thêm cấu trúc vi mô của mối hàn.

4) **Mối hàn chắc chắn:** Nguồn nhiệt cường độ cao và việc hấp thụ hoàn toàn các thành phần phi kim loại làm giảm hàm lượng tạp chất cũng như thay đổi kích thước và phân bố của các tạp chất trong vũng hàn. Quá trình hàn không yêu cầu điện cực hay dây hàn phụ, do đó làm giảm mức độ nhiễm bẩn trong vùng kim loại nóng chảy, giúp độ bền và độ dẻo dai của mối hàn ít nhất bằng hoặc thậm chí vượt trội hơn kim loại cơ bản.

5) **Kiểm soát chính xác:** Do điểm hội tụ rất nhỏ nên vị trí mối hàn có thể được xác định một cách chính xác. Đầu ra của tia laser không có "quán tính", cho phép dừng và khởi động lại nhanh ở tốc độ cao. Công nghệ di chuyển chùm tia điều khiển số hóa (CNC) cho phép hàn các chi tiết phức tạp. 6) Quá trình hàn trong khí quyển không tiếp xúc. Vì năng lượng được cung cấp bởi chùm photon nên không có sự tiếp xúc vật lý với chi tiết, do đó không gây lực bên ngoài lên chi tiết. Hơn nữa, từ trường và không khí không ảnh hưởng đến tia laser.

Ưu điểm của phương pháp hàn xuyên sâu bằng laser

1) Do độ mật độ công suất của tia laser hội tụ cao hơn nhiều so với các phương pháp thông thường, tốc độ hàn nhanh, vùng ảnh hưởng nhiệt và biến dạng nhỏ, đồng thời có thể hàn được các vật liệu khó hàn như titan.

2) Vì chùm tia dễ truyền dẫn và điều khiển, không cần thay đổi thường xuyên đầu hàn và vòi phun, cũng như không yêu cầu chân không như hàn chùm electron, thời gian ngừng máy giảm đáng kể, từ đó nâng cao hệ số tải và hiệu suất sản xuất.

3) Nhờ hiệu ứng làm sạch và tốc độ làm nguội cao, mối hàn có độ bền, độ dẻo dai và tính năng tổng thể tốt.

4) Do lượng nhiệt trung bình đưa vào thấp nên độ chính xác gia công cao, giúp giảm chi phí xử lý lại; ngoài ra, chi phí vận hành hàn laser cũng thấp hơn, do đó làm giảm chi phí gia công chi tiết.

5) Cường độ chùm tia và định vị chính xác có thể được kiểm soát hiệu quả, giúp việc vận hành tự động trở nên dễ dàng.

Nhược điểm của phương pháp hàn thấu sâu bằng laser

1) Độ sâu hàn bị hạn chế.

2) Yêu cầu cao đối với việc lắp ráp phôi.

3) Chi phí đầu tư ban đầu cao cho các hệ thống laser.