Với sự phát triển của công nghệ laser và công nghệ phát triển hợp kim nhôm, việc tiến hành nghiên cứu cơ bản về công nghệ ứng dụng hàn laser hợp kim nhôm, phát triển công nghệ hàn laser hợp kim nhôm mới, mở rộng hiệu quả hơn tiềm năng ứng dụng của kết cấu hàn laser hợp kim nhôm là đặc biệt quan trọng, để hiểu được tình hình ứng dụng và xu hướng phát triển của công nghệ hàn laser hợp kim nhôm.
Hợp kim nhôm cường độ cao có cường độ riêng cao, độ cứng riêng, khả năng chống ăn mòn tốt, hiệu suất gia công và tính chất cơ học, đã trở thành vật liệu kim loại không thể thiếu cho sản xuất kết cấu nhẹ trong ngành hàng không vũ trụ, tàu thủy và các lĩnh vực vận tải khác, trong đó máy bay được sử dụng nhiều nhất. Công nghệ hàn có những ưu điểm độc đáo trong việc cải thiện tỷ lệ sử dụng vật liệu kết cấu, giảm trọng lượng của kết cấu và hiện thực hóa sản xuất chi phí thấp các vật liệu phức tạp và không giống nhau, trong đó công nghệ hàn laser hợp kim nhôm là một điểm nóng.
So với các phương pháp hàn khác, hàn laser có ưu điểm là gia nhiệt tập trung, tổn thương nhiệt nhỏ, tỷ lệ chiều sâu mối hàn trên chiều rộng lớn, biến dạng hàn nhỏ. Quá trình hàn dễ tích hợp, tự động hóa và linh hoạt, có thể thực hiện hàn tốc độ cao và độ chính xác cao, đặc biệt thích hợp cho hàn kết cấu phức tạp có độ chính xác cao.
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu, nhiều loại hợp kim nhôm có độ bền cao và độ dẻo dai cao tiếp tục được giới thiệu, đặc biệt là thế hệ thứ ba của hợp kim nhôm lithium, sự xuất hiện của các hợp kim nhôm có độ bền cao mới, công nghệ hàn laser nhôm đưa ra nhiều yêu cầu cao hơn, trong khi sự đa dạng của hợp kim nhôm cũng mang đến nhiều vấn đề hàn laser mới, vì vậy chúng ta phải nghiên cứu sâu những vấn đề này, để mở rộng tiềm năng ứng dụng của cấu trúc hàn laser hợp kim nhôm một cách hiệu quả hơn.
Laser công suất cao
Hàn laser là công nghệ chiếu tia laser cường độ cao lên bề mặt kim loại, làm kim loại nóng chảy, sau đó nguội và kết tinh tạo thành mối hàn thông qua sự liên kết nhiệt giữa tia laser và kim loại. Theo cơ chế tác động nhiệt của hàn laser có thể chia thành hàn dẫn nhiệt và hàn thâm nhập sâu hai loại, loại trước chủ yếu được sử dụng trong hàn gói các bộ phận chính xác hoặc hàn micro và nano; Loại sau thường tạo ra hiệu ứng lỗ nhỏ tương tự như hàn chùm tia điện tử trong quá trình hàn, tạo thành mối hàn sâu và rộng. Việc thực hiện hàn thâm nhập sâu bằng laser đòi hỏi công suất laser cao và hiện có bốn loại laser công suất cao được áp dụng trong hàn thâm nhập sâu bằng laser.
1, laser khí CO2
Môi trường làm việc là khí CO2, đầu ra laser bước sóng 10,6μm, theo cấu trúc kích thích laser được chia thành dòng ngang và dòng dọc hai loại. Mặc dù công suất đầu ra của laser CO2 dòng chéo đã đạt 150kW, nhưng chất lượng chùm tia kém và không thích hợp để hàn. Laser CO2 dòng dọc có chất lượng chùm tia tốt hơn và có thể được sử dụng để hàn hợp kim nhôm có độ phản xạ laser cao.
2, Laser rắn YAG
Môi trường làm việc là ruby, thủy tinh neodymium và garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium, v.v. Bước sóng đầu ra là laser 1,06μm. Laser YAG dễ bị kim loại hấp thụ hơn laser CO2 và ít bị ảnh hưởng bởi plasma, đối với truyền dẫn sợi, hoạt động hàn linh hoạt, khả năng tiếp cận vị trí hàn tốt, là laser chính để hàn kết cấu hợp kim nhôm.
3, Laser sợi YLR
Đây là loại laser mới được phát triển sau năm 2002, sử dụng sợi làm vật liệu nền, pha tạp các ion đất hiếm khác nhau và phạm vi bước sóng đầu ra là khoảng 1,08μm, cũng là truyền dẫn sợi. Laser sợi sử dụng cấu trúc sợi đôi mang tính cách mạng, tăng chiều dài bơm, cải thiện hiệu suất bơm, do đó công suất đầu ra của laser sợi được tăng lên đáng kể. So với laser YAG, laser sợi YLR xuất hiện sau, nhưng nó có ưu điểm là kích thước nhỏ, chi phí vận hành thấp, chất lượng chùm tia cao và công suất laser cao.
Nghiên cứu ứng dụng hàn laser kết cấu hợp kim nhôm
Từ những năm 1990, với sự phát triển của khoa học công nghệ, sự xuất hiện của laser công suất cao độ sáng cao, tích hợp công nghệ hàn laser, phát triển thông minh, linh hoạt, đa dạng ngày càng trưởng thành, hàn laser được chú ý nhiều hơn trong và ngoài nước trong các lĩnh vực ứng dụng kết cấu hợp kim nhôm. Hiện nay, một số nhà sản xuất ô tô tại Trung Quốc đã áp dụng công nghệ hàn laser trong một số mẫu xe mới, với sự phát triển của công nghệ hàn laser cho tấm dày hợp kim nhôm, hàn laser sẽ được ứng dụng vào kết cấu xe bọc thép trong tương lai.
Để thực hiện sản xuất nhẹ, ứng dụng và nghiên cứu hàn laser kết cấu bánh sandwich hợp kim nhôm trong sản xuất kết cấu tàu thủy và tàu cao tốc là điểm nóng nghiên cứu hiện nay. Hợp kim nhôm là vật liệu kết cấu kim loại quan trọng cho kết cấu hàng không vũ trụ, vì vậy ở Nhật Bản, Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Đức và các nước phát triển khác rất coi trọng nghiên cứu công nghệ hàn laser hợp kim nhôm.
Với sự phát triển của công nghệ hàn laser sợi quang, lĩnh vực sản xuất hàng không của các nước tiên tiến đã đưa công nghệ hàn laser sợi quang và hàn hồ quang laser composite làm trọng tâm của công nghệ hàn hợp kim nhôm, đặc biệt là hàn tấm dày và hàn kim loại không đồng nhất. Ví dụ, dự án NALI tại Hoa Kỳ đang tiến hành nghiên cứu về công nghệ hàn laser sợi quang và hàn hồ quang laser composite cho kết cấu buồng đốt của máy bay dân dụng và động cơ máy bay JSF.
Đặc điểm của hàn laser hợp kim nhôm
So với hàn nóng chảy thông thường, hàn laser hợp kim nhôm tập trung nhiệt, tỷ lệ chiều sâu mối hàn trên chiều rộng lớn, biến dạng kết cấu hàn nhỏ, nhưng có một số nhược điểm, tóm tắt như sau:
(1) Đường kính nhỏ của điểm hội tụ laser dẫn đến yêu cầu cao về độ chính xác hàn và lắp ráp phôi, thông thường khe hở lắp ráp và lượng cạnh sai cần phải nhỏ hơn 0.1mm hoặc 10% độ dày của tấm, làm tăng độ khó khi thực hiện cấu trúc hàn ba chiều phức tạp.
(2) Do độ phản xạ của hợp kim nhôm đối với tia laser ở nhiệt độ phòng cao tới 90%, nên hàn thâm nhập sâu bằng tia laser của hợp kim nhôm đòi hỏi tia laser phải có công suất cao. Nghiên cứu về hàn laser của tấm hợp kim nhôm cho thấy hàn thâm nhập sâu bằng tia laser của hợp kim nhôm phụ thuộc vào ngưỡng kép của mật độ công suất tia laser và năng lượng tuyến tính, cùng nhau hạn chế hành vi của vũng hàn trong quá trình hàn và cuối cùng phản ánh đến các đặc tính tạo hình của mối hàn. Quá trình tối ưu hóa của mối hàn thâm nhập hoàn toàn có thể được đánh giá bằng tỷ lệ chiều rộng mặt sau của các đặc tính tạo hình đường hàn.
(3) Điểm nóng chảy của hợp kim nhôm thấp, dòng chảy kim loại lỏng tốt, kim loại bốc hơi mạnh dưới tác động của tia laser công suất cao, hơi kim loại/đám mây plasma quang hóa hình thành với hiệu ứng lỗ nhỏ trong quá trình hàn ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng laser của hợp kim nhôm, dẫn đến quá trình hàn thâm nhập sâu không ổn định, mối hàn dễ bị rỗ khí, bề mặt bị sụp đổ, cạnh và các khuyết tật khác;
(4) Tốc độ làm nóng và làm nguội hàn laser nhanh, độ cứng mối hàn cao hơn độ cứng của hồ quang, nhưng do quá trình hàn laser hợp kim nhôm bị cháy các nguyên tố hợp kim, ảnh hưởng đến độ bền của hợp kim, mối hàn hợp kim nhôm vẫn có vấn đề mềm hóa, do đó làm giảm độ bền của mối hàn hợp kim nhôm. Do đó, vấn đề chính của hàn laser hợp kim nhôm là kiểm soát khuyết tật mối hàn và cải thiện hiệu suất của mối hàn.
Công nghệ kiểm soát khuyết tật hàn laser của hợp kim nhôm
Dưới tác động của tia laser công suất cao, các khuyết tật chính của mối hàn thâm nhập sâu bằng laser hợp kim nhôm là rỗ khí, bề mặt bị sụp đổ và cắn mép, có thể cải thiện bằng phương pháp hàn đắp dây laser hoặc hàn composite hồ quang laser. Khó có thể kiểm soát được khuyết tật rỗ khí của mối hàn.
Kết quả nghiên cứu hiện có cho thấy có hai loại lỗ rỗng đặc trưng trong quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser của hợp kim nhôm. Một là lỗ rỗng luyện kim, do ô nhiễm vật liệu hoặc không khí xâm nhập trong quá trình hàn như hàn hồ quang nóng chảy. Loại còn lại là lỗ rỗng quá trình, do sự dao động không ổn định của lỗ nhỏ vốn có trong quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser.
Trong quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser, lỗ thường chậm hơn chuyển động của chùm tia do hiệu ứng nhớt của kim loại lỏng và đường kính và độ sâu của lỗ dao động dưới tác động của hơi plasma/kim loại. Với chuyển động của chùm tia và dòng chảy của kim loại vũng nóng chảy, các bong bóng xuất hiện ở đầu lỗ trong quá trình hàn thâm nhập sâu không thấm do dòng chảy của kim loại vũng nóng chảy và các bong bóng xuất hiện ở eo hẹp ở giữa lỗ trong quá trình hàn thâm nhập sâu hoàn toàn. Các bong bóng di chuyển và lăn theo dòng chảy của kim loại lỏng, hoặc thoát ra khỏi bề mặt của vũng nóng chảy, hoặc bị đẩy trở lại lỗ nhỏ, khi các bong bóng được đông đặc bởi vũng nóng chảy và bị mặt trước kim loại giữ lại, tức là trở thành độ xốp của mối hàn.
Rõ ràng, độ xốp kim loại chủ yếu được kiểm soát bằng cách kiểm soát xử lý bề mặt trước khi hàn và bảo vệ khí hợp lý trong quá trình hàn, và chìa khóa của độ xốp quy trình là đảm bảo tính ổn định của lỗ nhỏ trong quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser. Theo nghiên cứu công nghệ hàn laser trong nước, nên xem xét kiểm soát độ xốp hàn thâm nhập sâu bằng laser hợp kim nhôm trước khi hàn, quy trình hàn, xử lý sau hàn của các liên kết khác nhau, tóm lại là các quy trình mới và công nghệ mới sau đây.
1, phương pháp xử lý trước khi hàn
Xử lý bề mặt trước khi hàn là một cách hiệu quả để kiểm soát các lỗ rỗng luyện kim của mối hàn laser hợp kim nhôm, thông thường các phương pháp xử lý bề mặt có làm sạch vật lý, cơ học, làm sạch hóa học, trong những năm gần đây, đã có làm sạch sốc bằng laser, điều này sẽ cải thiện hơn nữa mức độ tự động hóa của hàn laser.
2, kiểm soát tối ưu hóa độ ổn định của tham số
Các thông số quy trình hàn laser hợp kim nhôm thường chủ yếu là công suất laser, độ lệch tiêu điểm, tốc độ hàn và thành phần và lưu lượng khí bảo vệ. Các thông số này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của khu vực hàn mà còn ảnh hưởng đến tính ổn định của quy trình hàn thâm nhập sâu bằng laser, do đó ảnh hưởng đến độ xốp của mối hàn. Thông qua quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser của tấm hợp kim nhôm, người ta thấy rằng tính ổn định của độ thâm nhập lỗ nhỏ ảnh hưởng đến tính ổn định của vũng hàn, sau đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành mối hàn dẫn đến khuyết tật độ xốp của mối hàn. Hơn nữa, tính ổn định của hàn thâm nhập sâu bằng laser liên quan đến mật độ công suất laser và sự phù hợp về số lượng tuyến tính, do đó việc xác định các thông số quy trình hợp lý của quá trình hình thành mối hàn ổn định là một biện pháp hiệu quả để kiểm soát hiệu quả độ xốp của mối hàn laser hợp kim nhôm.
Kết quả cho thấy tỷ lệ giữa chiều rộng mặt sau mối hàn và chiều rộng bề mặt mối hàn (tỷ lệ chiều rộng mặt sau mối hàn) được sử dụng để đánh giá sự hình thành mối hàn và độ ổn định của tấm hợp kim nhôm. Khi mật độ công suất laser và năng lượng đường truyền phù hợp hợp lý, có thể đảm bảo tỷ lệ mặt sau mối hàn và chiều rộng mối hàn, có thể kiểm soát hiệu quả độ xốp của mối hàn.
3, hàn laser điểm kép
Hàn laser điểm kép là quá trình hàn trong đó hai chùm tia laser hội tụ tác động lên cùng một vũng hàn cùng một lúc. Trong quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser, một trong những lý do chính dẫn đến hình thành lỗ xốp là khí trong lỗ nhỏ bị bao bọc trong vũng hàn bằng cách đóng lại tức thời. Khi sử dụng hàn laser điểm kép, do tác động của hai nguồn sáng, lỗ nhỏ mở lớn có lợi cho hơi kim loại bên trong thoát ra ngoài, đồng thời cũng có lợi cho sự ổn định của lỗ nhỏ, do đó làm giảm độ xốp của mối hàn. Các nghiên cứu về hàn laser của hợp kim nhôm A356, AA5083, 2024 và 5A90 đều cho thấy hàn laser điểm kép có thể làm giảm đáng kể độ xốp của mối hàn.
4, hàn hồ quang laser composite
Hàn hồ quang laser là phương pháp hàn trong đó laser và hồ quang được áp dụng cho cùng một hồ hàn. Nói chung sử dụng laser làm nguồn nhiệt chính, tương tác giữa laser và hồ quang có thể cải thiện độ sâu hàn laser và tốc độ hàn, và giảm độ chính xác của cụm hàn. Độ ổn định của lỗ hàn laser có thể được cải thiện bằng cách sử dụng dây hàn để kiểm soát các đặc tính cấu trúc vi mô của mối hàn và hiệu ứng phụ của hồ quang có thể giúp giảm độ xốp của mối hàn.
Trong quá trình hàn hồ quang laser composite, hồ quang tác động đến đám mây hơi kim loại/plasma do quá trình laser tạo ra, có lợi cho việc hấp thụ năng lượng laser và tính ổn định của các lỗ nhỏ. Kết quả hàn hồ quang laser composite hợp kim nhôm cũng đã chứng minh được hiệu quả của nó.
5, hàn laser sợi quang
Hiệu ứng lỗ nhỏ của quá trình hàn thâm nhập sâu bằng laser là do kim loại bốc hơi mạnh dưới tác động của laser. Lực hơi của quá trình bốc hơi kim loại có liên quan chặt chẽ đến mật độ công suất laser và chất lượng chùm tia, không chỉ ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập của hàn laser mà còn ảnh hưởng đến độ ổn định của các lỗ nhỏ. Nghiên cứu của Seiji. et al. về laser sợi quang công suất cao bằng thép không gỉ SUS304 cho thấy vũng hàn được kéo dài trong quá trình hàn tốc độ cao, giúp ức chế bắn tóe, dao động lỗ nhỏ ổn định và đầu lỗ nhỏ không có bọt khí. Khi sử dụng laser sợi quang để hàn hợp kim titan và hợp kim nhôm tốc độ cao, cũng có thể thu được mối hàn không có lỗ rỗng. Nghiên cứu của Allen et al. về công nghệ kiểm soát khí bảo vệ trong hàn laser sợi hợp kim titan cho thấy rằng bằng cách kiểm soát vị trí của khí bảo vệ hàn, có thể ngăn ngừa sự tham gia của khí, có thể giảm thời gian đóng lỗ nhỏ, có thể ổn định các lỗ nhỏ hàn và có thể thay đổi hành vi đông đặc của vũng hàn, do đó làm giảm độ xốp của mối hàn.
6, hàn laser xung
So với hàn laser liên tục, đầu ra laser áp dụng chế độ xung, có thể thúc đẩy dòng chảy tuần hoàn và ổn định của vũng nóng chảy, có lợi cho sự thoát ra của bong bóng trong vũng nóng chảy và giảm độ xốp của mối hàn. TY Kuo và SL Jeng đã nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ đầu ra công suất laser của hàn laser YAG đến độ xốp và tính chất của thép không gỉ SUS 304L và mối hàn siêu hợp kim inconel 690. Kết quả cho thấy: Đối với hàn laser xung sóng vuông, khi công suất cơ bản là 1700w, độ xốp của mối hàn giảm khi biên độ xung ΔP tăng và độ xốp của thép không gỉ giảm từ 2,1% xuống 0,5% và độ xốp của siêu hợp kim giảm từ 7,1% xuống 0,5%.
7, công nghệ gia công composite sau khi hàn
Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, ngay cả khi xử lý bề mặt nghiêm ngặt trước khi hàn và quá trình hàn ổn định, hàn laser hợp kim nhôm chắc chắn sẽ tạo ra độ xốp mối hàn, vì vậy việc sử dụng xử lý sau hàn để loại bỏ độ xốp là rất quan trọng. Hiện nay, phương pháp chủ yếu là hàn biến đổi. Công nghệ ép đẳng tĩnh nóng là một trong những phương pháp loại bỏ độ xốp và co ngót của đúc hợp kim nhôm và kết hợp với xử lý nhiệt ứng suất của hợp kim nhôm sau khi hàn laser để tạo thành một quy trình tổng hợp ép đẳng tĩnh nóng và xử lý nhiệt của các thành phần hàn laser hợp kim nhôm, không chỉ loại bỏ độ xốp của mối hàn mà còn cải thiện hiệu suất mối nối.
Do đặc tính của hợp kim nhôm, vẫn còn nhiều vấn đề trong ứng dụng hàn laser công suất cao, vấn đề chính là kiểm soát khuyết tật độ xốp của mối hàn và cải thiện chất lượng hàn. Để cải thiện tính ổn định của quá trình hàn, kiểm soát kỹ thuật độ xốp mối hàn laser của hợp kim nhôm cần xem xét mọi khía cạnh trước khi hàn, trong khi hàn và sau khi hàn. Do đó, nhiều công nghệ và quy trình mới đã được phát minh, chẳng hạn như làm sạch laser trước khi hàn, tối ưu hóa kiểm soát tỷ lệ chiều rộng mặt sau của các thông số quy trình hàn, hàn laser chùm tia đôi, hàn composite hồ quang laser, hàn laser xung và hàn laser sợi quang.
