Sử dụng laser trong công nghiệp hàn laser
Chia sẻ bài viết lên :

Trong bài viết này, Mời quý bạn đọc giả cùng thiết bị thẩm mỹ OSAKA tìm hiểu rõ hơn về ứng dụng Laser sử dụng trong công nghiệp Hàn Laser, hiểu hơn về các thông số tác động trong quá trình ứng dụng, những hiệu ứng tần số, năng lượng, độ dài xung, tốc độ laser có thay đổi nhiều so với các ứng dụng khác như laser dùng trong ngành thẩm mỹ. 

Bài viết được dịch từ ND YAG LASER – Edited by Dan C. Dumitras; Chương nội dung được trích dẫn từ (trang 41-59) by Hana Chmelíčková and Hana Šebestová Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech Republic, Joint Laboratory of Optics of Palacký University and Institute of Physics of the Academy of Sciences of the Czech Republic Czech Republic

1. Giới thiệu về xung laser trong công nghiệp Hàn

Việc nối kim loại bằng cách các thành phần gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy đã được biết đến cách đây hàng nghìn năm ở Hy Lạp cổ đại. Nguồn nhiệt đã được phát triển từ lò rèn đến các phương pháp hiện đại như hàn hồ quang plasma, hàn điện trở, oxy-nhiên liệu hàn hoặc mới đây nhất là việc ứng dụng hàn laze. Laser, như một nguồn chùm ánh sáng chuyên sâu, bắt đầu được ứng dụng vào các hệ thống hàn công nghiệp do những ưu điểm của nó so với các phương pháp cổ điển, ví dụ như vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, độ xuyên sâu, tính linh hoạt và nhiều loại khác. Bên cạnh việc hàn các kim loại tương thích, nó cũng có thể hàn nhựa.

Nguyên tắc của hàn “ánh sáng”: là giống nhau đối với tất cả các bước sóng laser thích hợp. Sự hấp thụ bức xạ laze trong lớp bề mặt vật liệu mỏng dẫn đến nhiệt độ tăng lên đến điểm nóng chảy hoặc hóa hơi. Do sự dẫn nhiệt lượng sinh ra xung quanh vật liệu đủ lượng vũng hàn bị nóng chảy. Tuy nhiên dẫn nhiệt cũng gây ra tổn thất năng lượng thiết yếu.

Các thông số xử lý quan trọng của hàn laser là: đặc tính chùm tia laser (công suất, chùm tia và đường kính, bước sóng, chiều dài thấu kính hội tụ), điều kiện mối hàn (vị trí tiêu điểm đối với bề mặt vật liệu, chuyển động tương đối của chi tiết gia công đối với điểm laser, loại mối hàn, khí xử lý) và các đặc tính vật lý của vật liệu hàn và kích thước chi tiết gia công. Mật độ công suất điển hình được áp dụng trong hàn laser nằm trong khoảng 105 – 107 W.cm-2.

Laser có môi trường hoạt tính được tạo thành bởi CO2, chất bán dẫn, tinh thể Yb: YAG, Nd: YAG hoặc sợi pha tạp Ytterbium có thể được sử dụng trong công nghiệp để hàn các bộ phận khác nhau. Laser CO2 liên tục dạng khí công suất cao với bước sóng 10600 nm và hiệu suất cắm tường khoảng 10% có chất lượng chùm tia tuyệt vời, gần chế độ Gauss và độ sâu hội tụ cao, do đó nó thích hợp cho hàn xuyên sâu. Bức xạ hồng ngoại xa của loại laser này không thể được truyền qua cáp quang. Do đó, hệ thống hàn laser CO2 điển hình được trang bị đầu xử lý cố định và cơ cấu định vị chi tiết gia công. Hỗn hợp heli và nitơ được khuyến nghị làm khí xử lý để ngăn chặn hiệu ứng che chắn plasma.

Bước sóng của tia laser Nd: YAG xung trạng thái rắn 1064 nm thích hợp để dẫn hướng sợi quang từ bộ cộng hưởng đến đầu xử lý, được cố định trên cánh tay robot. Điều này cho phép hàn cách xa nguồn laser vài mét, đặc biệt phù hợp với các linh kiện lớn hoặc có hình dạng phức tạp. Chùm tia laze có cấu hình đa mode với chất lượng 20 – 30 mm.mrad, hiệu suất cắm tường của tia laze Nd: YAG bơm bằng đèn flash chỉ đạt khoảng 3%. Trong những năm gần đây, các loại laser mới và hiệu quả hơn đã được phát triển – laser diode với chất lượng chùm lên đến 30 mm.mrad, laser đĩa bơm diode Yb: YAG và laser sợi quang pha tạp Ytterbium với chất lượng chùm tia tuyệt vời, cả trong vùng hồng ngoại gần. Với thiết kế nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn từ 30% (laser sợi quang) đến 50% (laser diode) và chi phí vận hành thấp hơn, các hệ thống này sẽ thay thế các laser Nd: YAG và CO2 đã đề cập ở trên (Němeček & Mužík, 2009).

Tuy nhiên, nhiều máy hàn laser xung đã được lắp đặt trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ và các vật liệu khác nhau đang được xử lý. Tối ưu hóa các thông số xử lý là mục tiêu của nhiều dự án nghiên cứu nhằm nâng cao năng suất và giảm thiểu sự xuất hiện của các lỗi dẫn đến hạ giá thành sản phẩm.

2. Xử lý tối ưu hóa các thông số

Để đạt được mối hàn chất lượng cao có độ xuyên thấu hoàn toàn, cần phải thiết lập sự kết hợp tối ưu của các thông số xử lý. Chúng liên quan đến ba nhóm khác nhau: đặc tính chùm tia laze (bước sóng, công suất, đường kính, độ phân kỳ), đặc tính vật liệu (mật độ, độ dẫn nhiệt, nhiệt riêng, nhiệt tiềm ẩn của sự nóng chảy và hóa hơi, độ dày, cấu hình khớp) và các thông số tương tác rất quan trọng (tốc độ hàn, chiều dài phần tử tập trung, vị trí mặt phẳng tiêu điểm đối với bề mặt vật liệu, hướng và dòng khí che chắn, khả năng hấp thụ của bề mặt vật liệu) (Duley, 1998). Ở nhiệt độ phòng hầu hết tất cả các kim loại có độ hấp thụ khoảng 10% – 20%. Nó tăng lên trong quá trình nung nóng vật liệu và tăng vọt lên 80% – 90% khi đạt đến điểm nóng chảy của kim loại.

Nhiệt Q cần thiết để làm nóng chảy vật liệu khối lượng m được cho bởi phương trình đã biết:

Công thức 1Trong đó c là nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy Tm, nhiệt độ ban đầu T0 và nhiệt lượng tiềm ẩn của sự nóng chảy Lm. Trong trường hợp hàn laser liên tục, phương trình này có thể được chuyển thành dạng sau

Công thức 2trong đó: Q/t đại diện cho công suất cần thiết để nấu chảy, mật độ thể tích ρ, đường kính vết D, độ sâu xuyên h và tốc độ hàn. Sau đó, độ sâu thâm nhập có thể được biểu thị như sau

Công thức 3Bao gồm cả sự hấp thụ bề mặt và tổn thất dẫn nhiệt, độ sâu thâm nhập có thể được ước tính gần đúng

Công thức 4trong đó P là công suất laser và K không đổi do các đặc tính vật lý của vật liệu bao gồm hệ số phản xạ bề mặt và các tổn thất năng lượng khác. Do đó, độ sâu thâm nhập tỷ lệ thuận với công suất laser được áp dụng và tỷ lệ nghịch với đường kính điểm và tốc độ hàn.

Tỷ lệ P/v xác định nhiệt lượng đầu vào theo một đơn vị chiều dài. Tiết diện khu vực nóng chảy tăng tuyến tính với nhiệt đầu vào (Ghaini và cộng sự, 2007). Trong trường hợp các thông số xử lý hàn laser liên tục như công suất laser và tốc độ hàn chỉ được nhập vào thiết bị hàn hệ thống kiểm soát theo độ dày vật liệu và tính chất vật lý. Việc thiết lập các thông số laser xung phức tạp hơn nhiều được trình bày trong đoạn 2.1.

Mật độ công suất bề mặt hoặc cường độ chùm tia laser được định nghĩa là một phần của công suất laser và diện tích điểm laser trên bề mặt vật liệu. Ba chế độ hàn được sử dụng là praxis, chế độ dẫn nhiệt, chế độ xuyên qua và chế độ xuyên sâu (lỗ khóa).

Hàn dẫn nhiệt được đặc trưng bởi mật độ công suất trong khoảng 104 – 106 W.cm-2 chỉ gây nóng chảy bề mặt đến 1 mm. Mối hàn rộng và nông với tỷ lệ các khía cạnh khoảng 2: 1. Chỉ có thể sử dụng chùm tia laze không có đỉnh cường độ sắc nét, hoặc mặt phẳng tiêu điểm phải được dịch chuyển vài mm so với bề mặt vật liệu. Trong trường hợp laser xung, độ dài xung 1 ms – 10 ms được sử dụng. Khi mật độ công suất cân bằng xung quanh điểm tới hạn 106 W.cm-2, các mối hàn được tạo ra sẽ sâu hơn so với trường hợp hàn dẫn. Tỷ lệ khung hình là khoảng 1: 1 cho thấy hàn chế độ xuyên thấu (Lapšanská và cộng sự, 2010).

Chế độ hàn lỗ khóa bắt đầu khi mật độ năng lượng vượt quá 106 W.cm-2. Chùm tia laze được tập trung vào bề mặt vật liệu và vùng nhiệt hạch nhanh chóng nóng lên đến điểm sôi.

Vật liệu nóng chảy bắt đầu bốc hơi ở trung tâm của điểm hàn và tạo ra một lỗ mù (lỗ khóa) ở trung tâm của đường hàn (Hình 1). Áp suất của hơi kim loại nóng giữ cho lỗ mở trong quá trình hàn. Sự hiện diện của lỗ khóa cho phép năng lượng laser tiếp cận sâu hơn vào vùng nhiệt hạch và do đó để đạt được mối hàn sâu hơn với tỷ lệ co thấp hơn (Kannatey-Asibu Jr., 2009). Hàn chế độ lỗ khóa là một ứng dụng điển hình của laser liên tục công suất cao hoặc laser xung năng lượng cao.

Trong quá trình thâm nhập sâu, plasma hàn bằng tia laser có thể được tạo ra bên trên lỗ khóa. Hơi kim loại được ion hóa và khí che chắn hấp thụ ánh sáng laser, thay đổi hướng của nó và gây ra hiệu suất quá trình thấp hơn. Các khí trơ như argon, nitơ, heli và các hỗn hợp đặc biệt của chúng được sử dụng để khử plasma. Mặt khác, nhờ sự hiện diện của chùm tia plasma, quá trình hàn có thể được kiểm soát bằng phương pháp đo cường độ plasma (Aalderink và cộng sự, 2005).

Xử lý tối ưu hóa các thông số

2.1 Các thông số hàn laser xung

Trong trường hợp laser xung, nhiều tham số hơn có liên quan. Ba thông số cơ bản phải được thiết lập ở bảng điều khiển nguồn laser là tần số f (Hz), độ dài xung t (ms) và điện áp sạc của đèn flash U (V). Các tham số này xác định năng lượng xung thực tế E (J). Công suất đỉnh Ppeak (kW) được định nghĩa là một phần của năng lượng và độ dài xung

Công thức 5Công suất đỉnh xác định cường độ tương tác của chùm tia laze với vật liệu cho kích thước điểm đã cho. Theo độ dày vật liệu và chế độ hàn, giá trị công suất đỉnh từ 0,2 kW đến 5 kW được khuyến nghị trong hướng dẫn vận hành của máy hàn laser. Công suất trung bình của tia laser P (W) được đưa ra dưới dạng tích số của năng lượng thực tế và tần số xung và xác định tốc độ hàn

Công thức 6Có hai phương pháp hàn có thể sử dụng laser xung. Cách đầu tiên và đơn giản hơn là hàn điểm thường thay thế hàn điện trở ngày nay. Một hoặc nhiều xung tiếp đất bề mặt vật liệu để đạt được độ sâu thâm nhập cần thiết trong hàn điểm. Không có chuyển động lẫn nhau giữa đầu xử lý và vật liệu được áp dụng. Hàn điểm cũng thường được sử dụng để buộc thô các thành phần được hàn nối sau đó bằng cách sử dụng tia laser xung hoặc liên tục. Quy trình này làm giảm các biến dạng cuối cùng do gradient nhiệt cao tương ứng với giá trị cao của mật độ công suất áp dụng.

Phương pháp thứ 2: Để đạt được các mối hàn chặt chẽ liên tục bằng cách sử dụng tia laser xung, phải áp dụng tính chất chồng xung. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp các tham số xử lý phù hợp. PO chồng chéo xung được định nghĩa như sau

Công thức 7Để đạt được độ kín khít của các khớp, độ chồng chéo xung được khuyến nghị là 80%.

So với các phương pháp hàn thông thường và hàn laser liên tục, mật độ công suất đỉnh cao hơn trong chế độ xung laser gây ra tốc độ làm nóng và làm mát cao hơn, có thể dẫn đến khuyết tật mối hàn và vi cấu trúc không đồng nhất. Nhiều công trình thử nghiệm đã được thực hiện để tối ưu hóa các thông số hàn laser xung cho các loại kim loại khác nhau với mục tiêu loại bỏ các khuyết tật. Ví dụ (Ghaini và cộng sự, 2006) đã nghiên cứu hạt chồng lên nhau khi hàn tấm thép cacbon thấp, (Tzeng, 1999) đã tạo ra các mối hàn thành công mà không có khí tạo thành độ xốp trong các mối nối bằng thép tráng kẽm. Một thông số quan trọng khác đã được giới thiệu trong các nghiên cứu này là mật độ công suất đỉnh hiệu dụng.

Mật độ công suất đỉnh hiệu dụng EPPD được định nghĩa là tích của mật độ công suất đỉnh PPD và chỉ số chồng chéo xung F trong đó

Công thức 8

Công thức 9Thông số này được đưa ra để xác định công suất thực đạt trên bề mặt vật liệu tốt hơn.

Khi dường như cần hàn nhiều xung hơn bề mặt vật liệu tiếp đất (Hình 2) và sự đóng góp của chúng sẽ tăng thêm. Do đó, mật độ công suất đỉnh hiệu dụng có thể được sử dụng để so sánh yêu cầu năng lượng của các mối hàn được thực hiện với sự chồng chéo xung khác nhau.

Thông số hàn laser xung2.2 Công việc thực nghiệm trong hàn laser xung

Hệ thống laser xung Nd: YAG LASAG KLS 246 – 102 với công suất trung bình cực đại 150 W và sản phẩm tham số chùm 22 mm.mrad được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến kích thước mối hàn và tính chất bề mặt của nó. Vật liệu được hàn là thép không gỉ AISI 304 dày 0,6 mm.

Vì vậy, kết quả không bị ảnh hưởng bởi sự lệch lạc ngẫu nhiên của các thành phần được nối đối đầu, mà do nhiễm bẩn có thể xảy ra hoặc sự hiện diện của các khuyết tật bề mặt của các khu vực tiếp xúc, hoặc các điều kiện ban đầu không phù hợp khác ảnh hưởng đến tính chất mối hàn, cho nên, quyết định không nối hai tấm mà là quá trình nấu chảy lại sâu của một tấm, trên thực tế, là hàn hạt trên tấm.

Chiến lược này đảm bảo rằng chỉ tác động của sự thay đổi năng lượng sẽ được nghiên cứu. Quá trình hàn laser đòi hỏi rất cao đối với các chi tiết được chuẩn bị hàn, đặc biệt là khi sử dụng chùm tia laser hẹp ở vị trí gần tiêu cự. Do đó, các cạnh được chuẩn bị có độ chính xác cao và khoảng cách tối thiểu giữa các thành phần được nối luôn được đặt ra, đó là những điều kiện cần được đáp ứng trong mọi ứng dụng hàn laser mối nối chính xác để chuẩn bị mối hàn chất lượng cao. Sau đó, các kết quả của thí nghiệm hạt trên tấm có thể được áp dụng cho hàn tấm thực ở các điều kiện thích hợp để chuẩn bị mối hàn chất lượng cao. Sự đơn giản hóa này có thể được sử dụng cho hiệu quả của nghiên cứu thay đổi tham số xử lý trong các ứng dụng laser khác nhau.

Quá trình hàn được thực hiện 4mm dưới mặt phẳng tiêu điểm để đảm bảo đường kính chùm tia đủ trên mẫu là 0,85 mm. Đã sử dụng thấu kính lấy nét có tiêu cự 100 mm. Các miếng hàn đã tẩy dầu mỡ đã được làm sạch được kẹp trong một đồ gá lắp. Khí argon tinh khiết ở tốc độ dòng chảy 8 l.min-1 đồng trục được sử dụng để bảo vệ vũng hàn chống lại quá trình oxy hóa của nó. Trong mỗi tập hợp thí nghiệm, chỉ có một tham số được thay đổi, giữ cho tất cả các tham số khác không đổi để có thể xác định ảnh hưởng của một tham số đã kiểm tra. Bảng 1 trình bày các thông số xử lý của từng bộ thí nghiệm.

Công việc thực nghiệm trong hàn laser xung2.2.1 Hiệu ứng độ dài xung

Tập hợp thí nghiệm đầu tiên tập trung vào ảnh hưởng của độ dài xung được thay đổi trong khoảng thời gian từ 2,2 ms đến 4,4 ms. Để giữ cho năng lượng chùm không đổi, điện áp sạc phải giảm 3,5 J khi tăng độ dài xung (Hình 3). Do đó công suất trung bình không đổi và công suất đỉnh giảm (Hình 4).

Độ dài xung tăng dẫn đến giảm độ sâu thâm nhập (Hình 5) tương ứng với việc giảm công suất đỉnh, đây dường như là một thông số quan trọng.

Các kết quả này cũng cho thấy rằng các thông số được áp dụng không đủ cho sự xuyên thấu hoàn toàn của tấm kim loại 0,6 mm (Hình 6). Tuy nhiên ảnh hưởng của độ dài xung là rõ ràng.

Kính hiển vi tiêu điểm quét laser LEXT OLS 3100 được sử dụng để hình ảnh và phân tích bề mặt mối hàn bằng laser. Đường kính điểm thay đổi trong khoảng từ 0,704 mm đến 0,759 mm và xu hướng giảm nhẹ khi độ dài xung tăng dần đã được phát hiện (Hình 7). Giá trị trung bình của đường kính đốm đạt 0,73 mm. Theo độ lệch 0,025 mm đo được trong mỗi mẫu, không có mối quan hệ xác định nào giữa đường kính điểm và độ dài xung có thể được xác định trong vùng được khảo sát.

Hiệu ứng độ dài xungHình 8 trình bày một ví dụ về biên dạng trung tâm theo chiều dọc của bề mặt. Trong thực tế kỹ thuật, các yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng bề mặt mối hàn thường được đặt ra. Sự kết hợp phù hợp của các thông số hàn có thể giảm thiểu việc xử lý cơ học sau xử lý.

Hình 9 trình bày hình ảnh bề mặt của các mẫu được chọn. Độ trùng lặp xung 63% không đổi trong tất cả các thử nghiệm của tập hợp này.

2.2.2 Hiệu ứng năng lượng xung

Loạt thí nghiệm thứ hai nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng xung được đặt trong khoảng từ 3,5 J đến 6,5 J thông qua sự thay đổi điện áp của đèn nháy sạc (Hình 10). Tăng năng lượng một cách tự nhiên sẽ làm tăng mức trung bình cũng như công suất đỉnh (Hình 11).

Hình 13 trình bày tỷ lệ khung hình đạt được (độ sâu xuyên qua chiều rộng mối hàn) như một hàm của mật độ công suất đỉnh hiệu dụng. Trong trường hợp này, chồng chéo xung 63% đã được áp dụng. Do đó chỉ số chồng chéo xung là 2,7. Điều đó có nghĩa là công suất thực sự chạm vào một đơn vị bề mặt vật liệu cao hơn 2,7 lần so với công suất phát ra của laser với giả định không có tổn thất năng lượng giữa đầu ra laser và bề mặt vật liệu.

Hiệu ứng năng lượng xung

Độ sâu thâm nhập tăng nhẹ theo năng lượng xung cho đến khi xuyên qua khoảng một nửa chiều dày tấm. Sau đó, khi bắt đầu hình thành lỗ khóa (4,7 J), nó sẽ tăng dần cho đến khi đạt được sự xuyên thấu hoàn toàn ở 5,9 J (1,7 kW). Lỗ khóa hình thành ở công suất đỉnh thấp hơn không đủ ổn định để thiết lập hàn lỗ khóa thực sự và hàn xuyên chế độ có thể được quan sát (Hình 14).

Tỷ lệ khung hình tăng lên khi tăng mật độ công suất đỉnh hiệu dụng cho đến khi đạt được mức thâm nhập đầy đủ vào khoảng 8,6 kW.mm-2. Tại thời điểm thâm nhập đầy đủ, đường kính điểm là tối đa và tỷ lệ co giảm. Khi đã đạt được độ xuyên thấu hoàn toàn, việc tăng mật độ công suất đỉnh hiệu quả không dẫn đến tăng chiều rộng mối hàn khác. Ngược lại, chiều rộng giảm đi vì chùm tia có thể thoát ra khỏi vùng tan chảy vì sự xuyên thấu hoàn toàn và vì ít năng lượng được hấp thụ hơn. Đó là lý do tại sao tỷ lệ khung hình tăng trở lại. Các dữ liệu này tương ứng với phép đo diện tích nung chảy mặt cắt ngang của mối hàn (Hình 15).

Hình 16 trình bày ảnh hưởng của năng lượng chùm lên đường kính điểm. Đường kính chùm tia trên mẫu là 0,84 mm cho tất cả các thí nghiệm đã thực hiện. Đường kính vết không đạt đến giá trị này cho hầu hết tất cả các vết. Thực tế này tương ứng với ứng dụng năng lượng thấp tương đối, phân bố nhiệt không đồng đều, do cấu tạo đặc trưng của cường độ chùm tia, và được hỗ trợ bởi độ dẫn nhiệt tương đối thấp của vật liệu hàn.

Hình dạng điểm cũng đòi hỏi rất nhiều về năng lượng xung. Thể tích của vật liệu nóng chảy cao hơn ở năng lượng cao hơn, dẫn đến sự biến dạng cao hơn của hình dạng điểm (Hình 17).

2.2.3 Hiệu ứng tốc độ hàn

Thí nghiệm thứ ba tập trung vào ảnh hưởng của tốc độ hàn. Tốc độ hàn được thay đổi từ 1,5 mm.s-1 thành 6 mm.s-1.

Thay đổi tốc độ tương ứng với sự thay đổi chồng chéo xung từ 86% đến 40% (Hình 18, Hình 19).

Các thí nghiệm này không chứng minh được bất kỳ sự thay đổi đáng kể nào về độ sâu xuyên thấu (Hình 20). Mặt khác, chiều rộng mối hàn giảm khi tốc độ hàn tăng (Hình 21). Những điều này cung cấp cho chúng tôi thông tin tích cực rằng những thay đổi cần thiết nhỏ của sự chồng chéo xung thông qua tốc độ hàn không ảnh hưởng đáng kể đến độ sâu xuyên thấu.

Hiệu ứng tốc độ hàn

2.2.4 Hiệu ứng tần số xung

Một thí nghiệm khác liên quan đến hiệu ứng tần số xung. Tần số xung được thay đổi từ 9 Hz đến 17 Hz. Trong trường hợp này, công suất đỉnh không đổi, trong khi công suất trung bình tăng lên (Hình 22).

Tăng tần số tự nhiên làm tăng sự chồng chéo xung (Hình 23, Hình 24). Độ chồng xung phải đủ cao để mặt dưới của tấm cũng liên tục bị xuyên thủng (Hình 25).

Hiệu ứng tần số xung

Tăng công suất dẫn đến tăng chiều sâu xuyên thấu (Hình 26) cũng như chiều rộng mối hàn. Tần số 11 Hz là đủ để thâm nhập toàn bộ. Đường kính vết tăng từ từ với tần số tăng (Hình 27).

2.2.5 Sự kết hợp của năng lượng xung và hiệu ứng độ dài xung

Trong thí nghiệm cuối cùng, năng lượng chùm và độ dài xung được thay đổi đồng thời để giữ công suất đỉnh ổn định (Hình 28). Mặc dù công suất đỉnh vẫn bằng công suất trung bình tăng (Hình 29).

Năng lượng và độ dài xung càng cao thì độ thâm nhập càng sâu (Hình 30). Kết quả này chỉ ra một thực tế rằng ngay cả công suất cực đại cũng không thể được sử dụng như một chỉ số xác định về độ sâu xuyên thấu trong hàn laser xung.

Hình 31 trình bày sự so sánh giữa các kết quả này với kết quả của ảnh hưởng của năng lượng xung (chương 2.2.2). Rõ ràng là năng lượng xung là một tham số quan trọng vì nó xác định thể tích của vật liệu nóng chảy.

Năng lượng xung và hiệu ứng độ dài xung

3. Kết luận

Laser Nd: YAG công suất cao với xung mili giây được sử dụng trong công nghiệp để hàn điểm hoặc hàn chồng lên nhau. Nhiều tài liệu nghiên cứu báo cáo về việc tối ưu hóa các thông số hàn laser xung dẫn đến việc sản xuất các mối hàn đủ sâu mà không gây thiệt hại đã được công bố. Trong quá trình tối ưu hóa như vậy, các thông số cũng sẽ thay đổi. Mục đích của công việc nghiên cứu này cũng xác định ảnh hưởng của từng tham số một cách riêng biệt.

Hàn thép không gỉ AISI 304 dày 0,6 mm chồng lên nhau đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Đèn nháy bơm laser Nd: YAG tạo xung KLS 246-102 với cấu hình chùm tia đa chế độ được sử dụng cho năm loạt thí nghiệm hàn. Ảnh hưởng của khác nhau các thông số quá trình – chiều dài xung, năng lượng xung, tốc độ hàn, tần số xung và sự kết hợp của năng lượng xung và chiều dài xung trên kích thước mối hàn được kiểm tra trong năm thí nghiệm riêng biệt.

Mặt cắt hàn và các điểm laze chồng lên nhau trên bề mặt mẫu cũng được quan sát và đo bằng kính hiển vi tiêu điểm quét laze LEXT OLS 3100. Ảnh hưởng của độ sâu xuyên thấu và đường kính vết bề mặt đối với các thông số được áp dụng đã được phác thảo.

Từ các kết quả nêu trên, mỗi thông số gia công ít nhiều ảnh hưởng đến đặc tính mối hàn. Rõ ràng là kiến ​​thức về chỉ một tham số, ví dụ năng lượng chùm tia hoặc công suất trung bình, là không đủ để dự đoán mối hàn hay kích thước trong hàn đường xung laser. Công suất đỉnh, độ dài xung và tần số kết hợp với tốc độ xử lý cũng rất quan trọng. Phải luôn luôn tìm thấy sự kết hợp phù hợp của các thông số xử lý.

Các thí nghiệm với đèn flash được bơm laser trạng thái rắn với hiệu suất rất thấp sẽ bằng những nghiên cứu mới về hệ thống laser hiện đại – laser diode và laser sợi quang.

4. Lời cảm ơn

Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc hỗ trợ công việc này trong khuôn khổ dự án số. KAN301370701.

Bài hay đừng ngại bấm
và bấm Chia sẻ bên dưới nhé.

Chia sẻ bài viết lên :