Phân tích những khó khăn trong quá trình hàn laser của hợp kim nhôm

Công nghệ hàn hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có độ bền riêng cao, độ bền mỏi cao, độ bền gãy tốt và tốc độ phát triển vết nứt thấp, và cũng có khả năng xử lý hình thành tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, chế tạo máy, hàng hải và hóa chất. Ứng dụng rộng rãi của hợp kim nhôm thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hàn hợp kim nhôm, và sự phát triển của công nghệ hàn đã mở rộng lĩnh vực ứng dụng của hợp kim nhôm.

Tuy nhiên, các đặc tính của hợp kim nhôm khiến công nghệ hàn liên quan của nó phải đối mặt với một số vấn đề cấp bách cần giải quyết: Bề mặt là vật liệu chịu lửa cho màng oxit, khớp được làm mềm, lỗ chân lông dễ dàng tạo ra, nhiệt dễ bị biến dạng và độ dẫn nhiệt quá lớn. Hàn hợp kim nhôm thông thường áp dụng quy trình hàn TIG hoặc hàn MIG. Mặc dù hai phương pháp hàn này có mật độ năng lượng cao và có thể có được các mối nối tốt khi hàn hợp kim nhôm, nhưng vẫn có độ xuyên thấu kém, biến dạng hàn và hiệu quả sản xuất thấp, vì vậy mọi người bắt đầu tìm kiếm các phương pháp hàn và công nghệ laser dần bắt đầu áp dụng cho công nghiệp vào giữa và cuối thế kỷ 20. Thân máy bay Airbus A340 do công ty Airbus châu Âu sản xuất đã thay thế quy trình tán đinh ban đầu bằng công nghệ hàn laser, giúp giảm trọng lượng của thân máy bay khoảng 18% và giảm chi phí sản xuất gần 25%. Những chiếc xe có cấu trúc hoàn toàn bằng nhôm của Đức Audi Audi Audi và A8 cũng được hưởng lợi từ sự phát triển và ứng dụng công nghệ hàn laser hợp kim nhôm. Những ví dụ thành công này đã thúc đẩy rất nhiều nghiên cứu về hợp kim nhôm hàn laser, trở thành hướng phát triển chính của công nghệ hàn hợp kim nhôm trong tương lai. Hàn laser có ưu điểm là mật độ công suất cao, đầu vào nhiệt hàn thấp, vùng chịu ảnh hưởng hàn nhỏ và biến dạng hàn nhỏ, khiến nó đặc biệt chú ý trong lĩnh vực hàn hợp kim nhôm.

Các vấn đề và biện pháp đối phó của hàn laser hợp kim nhôm

● Độ phản xạ cao và độ dẫn nhiệt cao của bề mặt hợp kim nhôm

Điều này có thể được giải thích bằng cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm. Do sự có mặt của các electron tự do mật độ cao trong hợp kim nhôm, các electron tự do buộc phải rung bằng tia laser (sóng điện từ mạnh) để tạo ra sóng điện từ thứ cấp, dẫn đến sóng phản xạ mạnh và sóng truyền yếu hơn, do đó bề mặt của hợp kim nhôm có độ phản xạ cao và tốc độ hấp phụ nhỏ đối với laser. Đồng thời, chuyển động Brown của các electron tự do trở nên dữ dội hơn khi bị kích thích, do đó hợp kim nhôm cũng có tính dẫn nhiệt cao.

Nhằm mục đích phản xạ cao của hợp kim nhôm trên laser, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng tiền xử lý bề mặt thích hợp như phun cát, chà nhám, ăn mòn hóa học bề mặt, mạ bề mặt, phủ than chì và oxy hóa lò không khí có thể làm giảm phản xạ chùm tia và tăng hiệu quả hấp thụ năng lượng chùm tia bằng hợp kim nhôm. Ngoài ra, từ khía cạnh thiết kế cấu trúc hàn, việc tạo lỗ thủ công trên bề mặt hợp kim nhôm hoặc sử dụng khớp ở dạng bộ thu ánh sáng, mở rãnh hình chữ V hoặc sử dụng hàn đường may (khí nối tương đương với tạo lỗ thủ công) có thể tăng sự hấp thụ của hợp kim nhôm với laser và thu được độ sâu nóng chảy lớn hơn. Bên cạnh đó, một thiết kế hợp lý của khí hàn có thể được sử dụng để tăng sự hấp thụ năng lượng laser trên năng lượng laser.

● Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hàn laser của hợp kim nhôm

Trong quy trình hàn laser của hợp kim nhôm, sự xuất hiện của các lỗ nhỏ có thể cải thiện đáng kể tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với laser, trong khi nguyên tố nhôm và Mg, Zn và Li trong hợp kim nhôm có điểm sôi thấp, dễ dàng để bay hơi và áp suất hơi lớn. Mặc dù điều này góp phần vào việc hình thành các lỗ nhỏ, nhưng hiệu ứng làm mát của plasma (sự che chắn và hấp thụ năng lượng của plasma làm giảm năng lượng đầu vào của laser đối với vật liệu cơ bản) làm cho plasma bị nóng quá mức nhưng gây cản trở liên tục sự tồn tại của các lỗ nhỏ. Nó dễ dàng tạo ra các khuyết tật hàn như lỗ chân lông, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của hình thành hàn và khớp. Do đó, cảm ứng và ổn định của các lỗ nhỏ trở thành một điểm quan trọng để đảm bảo chất lượng của hàn laser.

Do độ phản xạ cao và độ dẫn nhiệt cao của hợp kim nhôm, cần phải có mật độ năng lượng cao hơn của laser để tạo ra các lỗ nhỏ. Do ngưỡng mật độ năng lượng chủ yếu được kiểm soát bởi thành phần hợp kim của nó, nên có thể thu được quy trình hàn ổn định bằng cách kiểm soát các tham số quy trình và chọn công suất laser để đảm bảo đầu vào nhiệt phù hợp. Ngoài ra, ngưỡng mật độ năng lượng bị ảnh hưởng ở một mức độ nào đó bởi loại khí bảo vệ. Ví dụ, khi hàn hợp kim nhôm, việc tạo ra các lỗ nhỏ sẽ dễ dàng hơn khi sử dụng khí N2, trong khi các lỗ nhỏ không thể được tạo ra bằng cách sử dụng khí He. Điều này là do phản ứng tỏa nhiệt có thể xảy ra giữa N2 và AI, và hợp chất ternary Al-N-O tạo ra làm tăng tốc độ hấp thụ laser.

● Vấn đề về khí khổng

Các loại hợp kim nhôm khác nhau tạo ra các loại lỗ chân lông khác nhau. Người ta thường tin rằng hợp kim nhôm tạo ra các loại lỗ chân lông sau trong quá trình hàn.

(1) Lỗ hydro. Khi hợp kim nhôm bị nóng chảy trong khí quyển hydro, hàm lượng hydro bên trong của chúng có thể đạt 0,69ml / 100g trở lên. Tuy nhiên, sau khi hóa rắn, khả năng hòa tan hydro ở trạng thái cân bằng chỉ là 0,036ml / 100g, sự khác biệt là gần 20 lần. Do đó, trong quá trình chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn, hydro dư trong nhôm lỏng phải được tách ra. Nếu hydro kết tủa không thể nổi lên trơn tru, nó sẽ tích tụ bong bóng và tồn tại trong hợp kim nhôm rắn để trở thành lỗ chân lông.

(2) Lỗ chân lông được sản xuất bởi khí bảo vệ. Trong quá trình hàn laser năng lượng cao bằng hợp kim nhôm, do sự bay hơi mạnh của kim loại ở phía trước lỗ nhỏ ở đáy hồ nóng chảy, khí bảo vệ được hút vào bể nóng chảy để tạo thành bong bóng, trở thành lỗ chân lông khi bong bóng không vươn ra và vẫn còn trong hợp kim nhôm rắn.

(3) Các lỗ chân lông được tạo ra bởi sự sụp đổ của các lỗ nhỏ. Trong quy trình hàn laser, khi sức căng bề mặt lớn hơn áp suất hơi, các lỗ nhỏ sẽ không thể duy trì sự ổn định và sụp đổ, và các lỗ kim loại hình thành trước khi nó có thể được lấp đầy. Ngoài ra còn có nhiều biện pháp thiết thực để giảm hoặc tránh các khuyết tật về độ xốp trong hàn laser hợp kim nhôm, như điều chỉnh dạng sóng năng lượng laser, giảm sự sụp đổ không ổn định của các lỗ nhỏ, thay đổi độ cao tiêu cự chùm tia và chiếu sáng xiên, áp dụng hành động trường điện từ trong khi quá trình hàn, và hàn trong chân không. Trong những năm gần đây, đã có một quá trình sử dụng dây phụ hoặc bột hợp kim cài sẵn, nguồn nhiệt tổng hợp và công nghệ tập trung kép để giảm sự phát sinh lỗ chân lông, có hiệu quả tốt.

● Vấn đề bẻ khóa

Hợp kim nhôm là hợp kim eutectic điển hình, có nhiều khả năng tạo ra vết nứt nhiệt dưới sự hóa rắn nhanh chóng của hàn laser. Sự hình thành của eutectic nóng chảy thấp như AL-Si hoặc Mg-Si tại ranh giới hạt cột trong quá trình kết tinh kim loại hàn là nguyên nhân của các vết nứt. Để giảm nứt nhiệt, hàn laser có thể được thực hiện bằng cách điền dây hoặc cài đặt trước năng lượng hợp kim. Kiểm soát đầu vào nhiệt cũng làm giảm nứt tinh thể bằng cách điều chỉnh dạng sóng laser.

Triển vọng phát triển của hàn laser hợp kim nhôm

Tính năng hấp dẫn nhất của hàn laser hợp kim nhôm là hiệu quả cao, và để tận dụng triệt để hiệu quả cao này là áp dụng nó vào hàn nhiệt độ dày lớn. Do đó, đây là xu hướng tất yếu của sự phát triển trong tương lai để nghiên cứu và sử dụng laser công suất cao để hàn sâu với độ dày lớn.

Cải thiện tính ổn định của quá trình hàn laser và cải thiện chất lượng hàn là mục tiêu mà mọi người theo đuổi. Do đó, các công nghệ mới như quy trình tổng hợp hồ quang laser, hàn laser dây, hàn laser bột cài sẵn, công nghệ lấy nét kép và tạo hình chùm tia sẽ tiếp tục được cải tiến và phát triển.

Nhà sản xuất máy cắt Laser chuyên nghiệp - OreeLaser