Hiện nay, với sự phức tạp của đường ống ô tô ngày càng tăng, ngày càng có nhiều điểm hàn chắc chắn sẽ nảy sinh rất nhiều vấn đề về hàn ngọn lửa, tất nhiên mỗi phương pháp hàn đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Bài viết này nhằm phân tích tính khả thi của đường ống điều hòa không khí hàn laser.
Cách giải quyết vấn đề hàn laser hợp kim nhôm
Ngày nay, hàn laser được sử dụng rộng rãi trong ngành gia công. Ngoài ra, công nghệ laser còn có đặc điểm là nhiệt đầu vào hàn nhỏ, ảnh hưởng đến diện tích nhiệt hàn nhỏ, không dễ biến dạng, v.v. Vì vậy, nó nhận được sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực hàn hợp kim nhôm.
Mặt khác, do đặc tính gia công của hợp kim nhôm nên việc hàn laser hợp kim nhôm gặp một số khó khăn nhất định. Làm thế nào để giải quyết những vấn đề này?
Vấn đề 1:Hợp kim nhôm có khả năng hấp thụ tia laser thấp.
Vấn đề này chủ yếu là do vật liệu hợp kim nhôm. Do độ phản xạ ban đầu cao và độ dẫn nhiệt cao của hợp kim nhôm đối với chùm tia laser, hợp kim nhôm có độ hấp thụ chùm tia laser thấp trước khi nóng chảy. Hợp kim nhôm có tác dụng phản xạ mạnh đối với ánh sáng laser do mật độ electron tự do cao trong hợp kim nhôm ở điều kiện trạng thái rắn, có xu hướng tương tác với các photon trong chùm tia và phản xạ năng lượng đi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ phản xạ của hợp kim nhôm cao tới 90% đối với laser CO2 dạng khí và gần 80% đối với laser rắn. Đồng thời, hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt mạnh nên khả năng hấp thụ ánh sáng laser của hợp kim nhôm thấp. Vì vậy, phải có biện pháp thích hợp để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng laser của hợp kim nhôm.
Đối với vấn đề này, 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. Việc xử lý trước thích hợp bề mặt hợp kim nhôm, chẳng hạn như oxy hóa anốt, đánh bóng điện phân, phun cát, phun cát, v.v., có thể cải thiện đáng kể sự hấp thụ năng lượng bức xạ trên 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 phá hủy bề mặt hoàn thiện của hợp kim nhôm, đơn giản hóa quá trình hàn laser, bạn có thể sử dụng quy trình hàn để tăng nhiệt độ bề mặt của phôi nhằm cải thiện khả năng hấp thụ tia laser của vật liệu.
2. Giảm kích thước điểm và tăng mật độ năng lượng laser. Bằng cách tăng mật độ năng lượng laser để cải thiện sự hấp thụ của hợp kim nhôm đối với laser. Mật độ năng lượng laser tăng lên sẽ làm cho bể nóng chảy hàn tạo ra hiệu ứng lỗ nhỏ, điều này có thể nâng cao đáng kể tốc độ hấp thụ laser của vật liệu.
3. Thay đổi cấu trúc hàn, sao cho chùm tia laser được phản xạ nhiều lần trong khe hở để thuận tiện cho việc hàn laser hợp kim nhôm. Hình thức khớp sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ tia laser. V-vát và vát vuông có lợi cho việc hình thành lỗ khóa hơn so với các khớp không vát, do đó mật độ năng lượng laser tăng lên và khả năng hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm tăng lên.
Vấn đề 2:Dễ tạo ra độ xốp và vết nứt nhiệt, quá trình hàn laser hợp kim nhôm dễ bị xốp và nứt nhiệt.
Độ xốp là loại khuyết tật thường gặp nhất và quan trọng nhất trong hàn laser hợp kim nhôm. Các loại độ xốp có thể được chia thành 2 loại.
Một lớp là do hàn laser hợp kim nhôm trong quá trình làm mát độ hòa tan hydro giảm mạnh, hàm lượng hydro hợp kim nhôm ở trạng thái nóng chảy lên tới {{0}}.69mL/100g, làm mát quá trình hóa rắn của hàm lượng hydro hợp kim nhôm là 0,036 mL/100g, kết tủa hydro quá bão hòa và hình thành các lỗ khí hydro. Ngoài ra, trên bề mặt hợp kim nhôm còn có một lớp màng oxit, nước kết tinh trên bề mặt hợp kim nhôm, không khí và hơi ẩm trong khí bảo vệ sẽ phân hủy trực tiếp thành hydro trong quá trình hàn. Những lỗ chân lông hydro này trong quá trình làm mát nhanh chóng của hàn laser hợp kim nhôm sẽ thoát ra và ở lại trong mối hàn để tạo thành lỗ chân lông hydro.
Một loại khác là do quá trình hàn laser tạo ra sự mất ổn định và sụp đổ của lỗ khóa, kim loại lỏng quá muộn để lấp đầy các lỗ hình thành. Độ xốp quá mức sẽ làm giảm mật độ của mối hàn, giảm khả năng chịu tải của mối nối, làm cho độ bền và độ dẻo của mối hàn có mức độ giảm khác nhau.
Giảm thiểu việc hàn laser hợp kim nhôm ở các khuyết tật độ xốp bằng một số biện pháp như thay đổi đường đi của chùm tia laser, sử dụng dao động chùm tia đến bể nóng chảy để khuấy, tăng khả năng lỗ xốp thoát ra khỏi bề mặt, sử dụng dây phụ hoặc bột hợp kim phụ, cũng như việc sử dụng công nghệ điểm kép và hàn tổng hợp bằng laser và các biện pháp khác có thể đạt được để giảm tác động của độ xốp, nhưng rất khó để loại bỏ tận gốc. Độ dẫn nhiệt của nhôm tương đối tốt, tùy theo chất liệu hợp kim nhôm, độ dày và tình trạng bề mặt trong quá trình hàn để điều chỉnh dạng sóng công suất laser. Như thể hiện trong hình trước của dạng sóng hàn, cũng có thể được sử dụng trước khi gia nhiệt trước, sau khi dạng sóng cách nhiệt để hàn, nhằm giảm điểm thổi và độ xốp đóng một vai trò nhất định. Nó có thể làm giảm sự sụp đổ không ổn định của các lỗ chân lông, thay đổi góc chiếu xạ của chùm tia laser và tạo ra từ trường trong quá trình hàn, nhưng cũng có thể kiểm soát hiệu quả các lỗ chân lông được tạo ra trong quá trình hàn.
Nguyên nhân gây nứt nhiệt trong hàn laser hợp kim nhôm chủ yếu liên quan đến đặc tính và quá trình hàn của nó. Độ co ngót khi đông cứng của hợp kim nhôm (lên đến 5%), ứng suất và biến dạng khi hàn, và kim loại mối hàn trong quá trình kết tinh dọc theo ranh giới hạt sẽ tạo ra tổ chức eutectic có điểm nóng chảy thấp, do đó ranh giới hạt của lực liên kết bị suy yếu do ứng suất kéo dưới tác động của sự hình thành các vết nứt nóng.
Việc áp dụng phương pháp làm đầy dây hoặc bột hợp kim có thể làm giảm xu hướng nứt nóng, đồng thời kiểm soát tốc độ gia nhiệt và làm mát bằng cách điều chỉnh các thông số quá trình hàn cũng có thể làm giảm xu hướng nứt nóng. Khi sử dụng laser YAG, đầu vào nhiệt có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh dạng sóng xung để giảm thiểu hiện tượng nứt tinh thể.
Bài toán 3:Giảm tính chất cơ lý của liên kết hàn – mềm
Sự đốt cháy các nguyên tố hợp kim trong quá trình hàn làm giảm tính chất cơ học của các liên kết hàn hợp kim nhôm.
“Làm mềm” là hiện tượng giảm độ bền, độ cứng của mối hàn. Khi sử dụng các mối nối hợp kim nhôm hàn laser, mô hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của các mối hàn có cùng vấn đề làm mềm. Một số lượng lớn nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng làm mềm khi hàn hợp kim nhôm khó loại bỏ một cách cơ bản, nhưng so với hàn được bảo vệ bằng khí, hàn laser do lượng nhiệt đầu vào giảm nên vùng làm mềm mối hàn hẹp hơn. Hàn laser bằng hợp kim nhôm và hàn được bảo vệ bằng khí nóng chảy so với các mối hàn bằng laser, mức độ "làm mềm" thấp hơn và độ bền kéo khi tăng tốc độ hàn và tăng. Plasma trong quá trình hàn chịu tác động của năng lượng ion hóa của nguyên tố nhôm thấp, hàn laser dễ hình thành plasma kim loại, plasma do khúc xạ, lệch tia laser gây ra, do đó làm thay đổi tiêu điểm của vị trí chùm tia laser, do đó Tỷ lệ độ sâu mối hàn giảm, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Áp dụng phương pháp định vị trước bột trên bề mặt phôi để làm giảm sự giãn nở của plasma theo hướng cao của bước nhảy, để plasma trên bề mặt phôi có thể duy trì độ ổn định tương đối của biên độ bước nhảy.
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, nhiệt độ sôi của nhôm cao hơn hai nguyên tố còn lại. Do đó, khi hàn các nguyên tố hợp kim nhôm có thể thêm một số nguyên tố hợp kim có nhiệt độ sôi thấp, điều này có lợi cho việc hình thành các lỗ nhỏ và độ cứng của mối hàn.
Hai công nghệ hàn laser hợp kim nhôm
1 máy hàn laser hợp kim nhôm tự nóng chảy
Hàn tự nóng chảy bằng laser dùng để chỉ chùm tia laser mật độ năng lượng cao như một nguồn nhiệt, tác động lên bề mặt của vật liệu cơ bản, làm cho vật liệu cơ bản tự tan chảy, hình thành các mối hàn theo phương pháp hàn. Đối với hàn laser hợp kim nhôm, bề mặt hợp kim nhôm có độ phản xạ laser cao, hàn đòi hỏi công suất laser lớn hơn; đường kính điểm laser nhỏ, yêu cầu về độ chính xác của dụng cụ hàn cao, giá trị dung sai của khe hở các bộ phận thấp, thường yêu cầu giá trị khe hở các bộ phận là 0.2mm như sau; Quá trình hàn tốc độ gia nhiệt và làm nguội, khuyết tật độ xốp của mối hàn, mật độ năng lượng laser tập trung, hiệu ứng lỗ khóa dễ dẫn đến mối hàn lõm và hiện tượng cắn mép. Hiện tượng cắn mép nên các thông số quá trình hàn có yêu cầu cao. Hàn tự nóng chảy bằng laser trong hàn hợp kim nhôm thể hiện ưu điểm là chất lượng hàn tốt, tốc độ hàn nhanh, dễ tự động hóa và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Trong ngành công nghiệp xe điện, việc niêm phong vỏ pin điện chủ yếu được sử dụng trong hàn tự nóng chảy bằng laser hợp kim nhôm. Một doanh nghiệp sản xuất phương tiện năng lượng mới trong hàn thân nhôm, cụm cửa và mặt bên của các bộ phận kết cấu cũng được sử dụng trong hàn tổng hợp bằng laser hợp kim nhôm.
2 Hàn dây laser hợp kim nhôm
Hàn dây hàn bằng laser trong laser vẫn là nguồn nhiệt chính để làm nóng chảy kim loại hàn, nhưng việc sử dụng thiết bị cấp dây tự động vào bể nóng chảy liên tục được đưa vào kim loại phụ để đạt được quá trình kết nối luyện kim. So với hàn tự nóng chảy bằng laser, hàn dây phụ bằng laser giúp giảm bớt các yêu cầu về độ chính xác của khe hở quá trình hàn, bằng cách lấp đầy dây có các thành phần khác nhau, để cải thiện tính chất luyện kim của mối hàn, ngăn ngừa sự hình thành các vết nứt nhiệt và độ xốp của mối hàn , và để cải thiện tính ổn định của quá trình hàn và tính chất cơ học của mối nối.
Hàn dây hàn bằng laser hợp kim nhôm có đặc tính chất lượng bề ngoài tốt, độ chính xác của khoảng cách quá trình lỏng hơn so với hàn tự nóng chảy bằng laser, v.v. Nó thường được áp dụng ở bề mặt bề ngoài của thân máy, chẳng hạn như giữa nắp trên và vỏ bên , và giữa các tấm trên và dưới của tấm ngoài của nắp khoang hành lý. Ngoài ra còn có một số model nhằm đạt chất lượng hàn cao hơn và sử dụng phương pháp hàn dây phụ bằng laser để hàn cửa hợp kim nhôm.
3 tia laser hợp kim nhôm - hàn hồ quang composite
Hàn hỗn hợp laser - hồ quang là 2 loại tính chất vật lý của laser và hồ quang, cơ chế truyền năng lượng rất khác với sự kết hợp nguồn nhiệt với nhau và cùng nhau đóng vai trò là phôi hàn, không chỉ phát huy hết 2 loại nhiệt những ưu điểm riêng của mình mà còn bù đắp cho những khuyết điểm của nhau. Trong hàn tổng hợp laser - hồ quang hợp kim nhôm, hồ quang có thể dẫn hướng nguồn nhiệt laser, cải thiện hợp kim nhôm về khả năng hấp thụ tia laser và sử dụng năng lượng của quá trình hàn và tạo hình bề mặt mối hàn so với hàn tự nóng chảy bằng laser. Ngoài ra, việc đưa vào hồ quang có thể làm giảm đáng kể độ chính xác lắp của phôi hàn, trong khi hồ quang có tác dụng làm loãng plasma hàn laser, có thể làm giảm tác dụng che chắn của plasma đối với tia laser. Laser đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hồ quang, nhờ đó hồ quang có thể được ổn định khi hàn tốc độ cao trên mối nối, có thể cải thiện chất lượng mối hàn và tăng tốc độ hàn.
Phần kết luận
Mật độ năng lượng chùm tia hàn laser hợp kim nhôm lên tới 109W/cm2, đồng thời có ưu điểm gia nhiệt tập trung, hư hỏng nhiệt, tỷ lệ độ sâu và chiều rộng mối hàn, biến dạng hàn, v.v., quá trình hàn dễ tích hợp, tự động hóa, linh hoạt , có thể đạt được tốc độ cao và hàn có độ chính xác cao, đồng thời quá trình hàn không cần môi trường chân không, không tạo ra tia X, đặc biệt thích hợp để hàn các kết cấu phức tạp có độ chính xác cao. Tính năng hấp dẫn nhất của hàn laser nhôm là hiệu quả cao và để phát huy hết hiệu quả cao này, cần phải áp dụng nó cho độ dày lớn của hàn nhiệt hạch sâu. Vì vậy, nghiên cứu và ứng dụng laser công suất cao cho hàn nhiệt hạch sâu có chiều dày lớn sẽ là xu hướng phát triển tất yếu trong tương lai. Hàn nhiệt hạch sâu có độ dày lớn làm nổi bật hiện tượng lỗ kim và ảnh hưởng của nó đến độ xốp của mối hàn, do đó 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 chung trong ngành.
Cải thiện tính ổn định của quá trình hàn laser, hình thành mối hàn và chất lượng mối hàn là mục tiêu được theo đuổi. Do đó, các công nghệ mới như quy trình tổng hợp hồ quang laser, hàn laser dây phụ, hàn laser bột không đặt trước, công nghệ lấy nét kép, định hình chùm tia, v.v. sẽ được cải tiến và phát triển hơn nữa.
