Thời gian đọc ước tính: 24 phút

Để loại bỏ hoặc giảm thiểu các khuyết tật của quá trình hàn laser, một số nguồn nhiệt khác và quy trình hàn lai laser được đề xuất, chủ yếu bao gồm laser và hồ quang, hồ quang laser và plasma, laser và nguồn nhiệt cảm ứng, và hàn đa tia. Ngoài ra, các biện pháp quy trình phụ trợ khác nhau đã được đề xuất, chẳng hạn như hàn dây hàn bằng tia laser (có thể được chia thành hàn dây nguội và hàn dây nóng), hàn laser tăng cường có hỗ trợ từ trường bên ngoài, hàn laser thâm nhập có kiểm soát khí, laser- hàn khuấy ma sát hỗ trợ, v.v.

Nguyên lý và phân loại nguồn nhiệt của hàn lai hồ quang bằng laze

Nguyên tắc của hàn lai hồ quang bằng laze

Công nghệ hàn lai hồ quang bằng laze lần đầu tiên được đề xuất bởi học giả người Anh WM Steen vào cuối những năm 1970. Ý tưởng chính là sử dụng hiệu quả nhiệt hồ quang. “Cung” được đề cập ở đây chủ yếu đề cập đến cung argon vonfram (TIG) và cung argon nóng chảy. (MIG / MAG), còn được gọi là laser-TIG / MIG; công nghệ hàn lai, thiết bị “hàn lai laser-MIG” do Fronuis người Áo trưng bày tại Triển lãm hàn quốc tế Essen năm 2001, đã gây được sự chú ý lớn. Trong những năm gần đây do nhu cầu sản xuất công nghiệp dần trở thành tâm điểm chú ý của cộng đồng hàn quốc tế và được quan tâm.

Công nghệ hàn lai hồ quang laze là tác động đồng thời lên vùng hàn bằng tia laze và hồ quang MIG. Thông qua ảnh hưởng lẫn nhau của tia laser và hồ quang, một hiệu ứng tổng hợp tốt được tạo ra, và độ thâm nhập hàn lớn hơn thu được trong điều kiện công suất laser nhỏ hơn, đồng thời tia laser cũng được cải thiện. Khả năng thích ứng của vật hàn với khe hở mối nối cho phép quá trình hàn chất lượng cao và hiệu quả cao. Hình 1.1 mô tả nguyên lý của hàn lai hồ quang laze và hình dạng mặt cắt ngang mối hàn điển hình.

Tia laser tác động lên bề mặt kim loại và một đám mây quang plasma được tạo ra phía trên mối hàn do tác động của tia laser. Sự hấp thụ và tán xạ của tia laser tới bởi đám mây plasma sẽ làm giảm tỷ lệ sử dụng năng lượng laser. Sau khi cung cấp hồ quang, plasma hồ quang nhiệt độ thấp và mật độ thấp làm cho plasma cảm ứng quang bị pha loãng, và hiệu quả truyền năng lượng laser được cải thiện; đồng thời, hồ quang làm nóng vật liệu cơ bản, do đó nhiệt độ của vật liệu cơ bản được tăng lên, và tốc độ hấp thụ của vật liệu cơ bản đối với tia laser được tăng lên. Sự thâm nhập tăng lên.

Kim loại nóng chảy cung cấp các điện tử tự do cho hồ quang, làm giảm điện trở của kênh hồ quang và tăng tỷ lệ sử dụng năng lượng của hồ quang. Cuối cùng, tổng tỷ lệ sử dụng năng lượng được tăng lên, và độ sâu thâm nhập được tăng thêm. Khi chùm tia laze đi qua MIG, khả năng xuyên qua kim loại của nó được tăng cường đáng kể so với trong khí quyển nói chung. Chùm tia laze cũng tập trung và dẫn hướng cho hồ quang, giúp hồ quang ổn định hơn trong quá trình hàn.

Trong công nghệ hàn lai laze, công nghệ hàn lai hồ quang laze được sử dụng rộng rãi hơn. Mục đích chính là sử dụng hiệu quả năng lượng hồ quang để có được độ xuyên sâu lớn hơn và giảm độ chính xác lắp ráp của hàn laser. Ví dụ, hàn lai laser TIG / MIG bao gồm laser và hồ quang TIG / MIG có thể thực hiện hàn xuyên lớn trong điều kiện công suất laser thấp hơn và nhiệt lượng đầu vào giảm đáng kể so với hồ quang TIG / MIG.

Khi hàn các bộ phận kim loại, mật độ năng lượng của chùm tia laser do laser YAG phát ra là khoảng 106W / cm2. Khi tia laze chiếu vào bề mặt vật liệu, bề mặt được nung nóng ngay lập tức đạt đến nhiệt độ bay hơi và do tác động của hơi kim loại đang chảy, các vết rỗ được tạo ra trong kim loại hàn, có thể có được tỷ lệ khung hình hàn lớn hơn. Mật độ năng lượng của cung MIG lớn hơn 10 một chút⁴W / cm², có thể có được mối hàn rộng hơn với tỷ lệ khung hình nhỏ. Từ nguyên lý của hàn lai hồ quang laze [Hình 3.1 (a)], có thể thấy rằng chùm tia laze và hồ quang được kết hợp trong cùng một khu vực của vị trí hàn, và cả hai ảnh hưởng lẫn nhau, điều này cải thiện tỷ lệ sử dụng năng lượng. Hình thái mối hàn của hàn lai laser-MIG được thể hiện trong Hình 3.1 (b), tốt hơn so với hiệu ứng hàn của một nguồn năng lượng đơn lẻ.

Khi hàn laser đơn lẻ, đường kính của chùm tia laser nhỏ và khe hở lắp ráp rãnh bắt buộc phải nhỏ. Độ chính xác theo dõi đường hàn được yêu cầu phải cao và hiệu suất nhiệt rất thấp khi hồ nóng chảy không được hình thành. Hàn lai hồ quang laser có thể bù đắp cho những thiếu sót này, có thể được phản ánh trong các khía cạnh sau đây.

• Hàn laser và hàn MIG được kết hợp, chiều rộng của vũng nóng chảy được tăng lên, giảm yêu cầu lắp ráp rãnh và dễ dàng theo dõi đường hàn.
• Đầu tiên, hồ quang hàn MIG làm nóng bề mặt vật hàn để tạo thành vũng nóng chảy, có thể làm tăng tốc độ hấp thụ bức xạ laser; luồng không khí của hàn MIG cũng có thể bảo vệ hơi kim loại bị kích thích bởi chùm tia laze; kim loại lỏng được tạo ra bởi dây nóng chảy của hàn MIG có thể lấp đầy mối hàn, tránh cắt xén.
• Plasma do tia laser tạo ra giúp tăng cường khả năng đánh lửa và duy trì của hồ quang MIG, đồng thời hồ quang tổng hợp laser-MIG ổn định hơn.

Tóm lại, sự tương tác giữa tia laser và hồ quang MIG bổ sung và tăng cường, và có thể thu được kết quả hàn tốt hơn.

Ví dụ, ở tốc độ hàn 2m / phút, chùm tia laze có công suất 0,2KW và hồ quang TIG với dòng hàn 90A có thể được kết hợp để hàn một mối hàn có độ sâu ngấu 1mm, thường phải chiếu tia laze. với công suất 5KW. Hiệu quả tương tự. Ngoài ra, khi chùm tia laser liên tục cách đường tâm hồ quang 3 ~ 5mm, nó có thể thu hút hồ quang và làm cho nó cháy ổn định, có thể làm tăng tốc độ hàn laser. Sự kết hợp của laser và hồ quang không phải là sự chồng chất đơn giản của hai quá trình hàn. Nó không chỉ cho phép hai nguồn nhiệt phát huy hết lợi thế của chúng mà còn bù đắp những thiếu sót của nhau, nhận ra hiệu ứng hiệp đồng “1 + 1> 2”, khiến nó trở thành một trong những công nghệ hàn hiệu quả cao hứa hẹn nhất trong sản xuất công nghiệp.

Phân loại nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang laze

Sự kết hợp giữa tia laze và hồ quang có thể phát huy hết ưu điểm của hai nguồn nhiệt, đồng thời bù đắp những khuyết điểm của nhau, tạo thành nguồn nhiệt mới, chất lượng cao, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Trong các điều kiện tương tự, hàn lai hồ quang laser có khả năng thích ứng mạnh hơn so với hàn đơn hoặc hàn TIG / MIG và khả năng định hình của mối hàn tốt hơn. Hàn hồ quang laser đã bước vào giai đoạn ứng dụng công nghiệp ở các nước phát triển như Đức và Nhật Bản.

Laser được sử dụng trong các nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang laser thường bao gồm CO₂ laser khí, laser trạng thái rắn YAG, laser bán dẫn và laser sợi quang. Theo các loại vòng cung khác nhau, nguồn nhiệt hỗn hợp laser và hồ quang chủ yếu bao gồm composite TIG, laser-MIG / MAG, laser-double composite, laser-plasma composite, v.v.

Nguồn nhiệt tổng hợp Laser-TIG

Nghiên cứu sớm nhất về nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang laze bắt đầu từ sự tái kết hợp paraxial của CO₂ laser và điện cực không nóng chảy TIG. Quá trình kết hợp của laser và hồ quang TIG tương đối đơn giản. Chùm tia và cung tròn có thể được bố trí đồng trục hoặc trên một trục phụ. Góc giữa chùm tia, kích thước của dòng điện hồ quang và dạng đầu vào, công suất laser, hướng sắp xếp, khoảng cách tác động, chiều cao của hồ quang, dòng khí che chắn, v.v. là chính các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng của hàn lai.

Hình 1.2 cho thấy một sơ đồ của laser-TIG hàn lai. Nguồn nhiệt tổng hợp laser-TIG có thể thu được hồ quang ổn định trong điều kiện hàn nhanh và đường hàn được tạo hình đẹp đồng thời giảm các khuyết tật hàn như lỗ rỗng, vết lõm và vết cắt. Đặc biệt ở dòng điện thấp, tốc độ hàn cao và hồ quang dài, tốc độ hàn của nguồn nhiệt tổng hợp laser-TIG thậm chí có thể đạt gấp hơn hai lần so với hàn laser đơn lẻ, điều khó có thể làm được đối với hàn TIG thông thường. Nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang laser-TIG chủ yếu được sử dụng để hàn tốc độ cao các tấm mỏng và cũng có thể được sử dụng để hàn các mối hàn giáp mép của các tấm có độ dày không bằng nhau. Kim loại phụ có thể được sử dụng khi hàn các tấm có khe hở lớn.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tốc độ hàn là 0,5-5m / phút, độ ngấu hàn với chùm tia laser 5KW và hồ quang TIG gấp 1,3 ~ 2 lần so với chùm tia laser 5KW và không có vết cắt hoặc rỗ trong mối hàn. khuyết điểm. Sau laser composite hồ quang, mật độ dòng điện của nó đã được cải thiện đáng kể.

Nguồn nhiệt hỗn hợp Laser-MIG / MAG

Hàn lai Laser-MIG / MAG là phương pháp hàn nguồn nhiệt hỗn hợp được sử dụng rộng rãi, đã được ứng dụng trong lĩnh vực ô tô và đóng tàu. Hàn lai laser MIG / MAG sử dụng các ưu điểm của dây hàn MIG / MAG, có thể cải thiện tính chất kết cấu và luyện kim của mối hàn đồng thời tăng độ ngấu và khả năng thích ứng của mối hàn.

Hình 1.3 cho thấy một sơ đồ của hàn lai laser-MIG / MAG. Bởi vì hàn nguồn nhiệt hỗn hợp laser-MIG / MAG có các vấn đề như cấp dây và truyền giọt, quy trình vật lý của nó phức tạp hơn so với hàn nguồn nhiệt tổng hợp laser-TIG hoặc laser-PAW và hầu hết chúng sử dụng hàn composite trục bên.

Hình 1.4 mô tả hai loại đầu mỏ hàn composite MIG laser khác nhau. Một số công ty chuyên thiết kế và sản xuất đầu mỏ hàn composite laser-MIG / MAG. Dây hàn MIG và khí che chắn được đưa vào vùng hàn theo một góc và xiên nhất định. Dây hàn nóng chảy bằng cách tạo thành giọt chuyển đổi theo trục, sau đó giọt và kim loại cơ bản được đốt nóng và nấu chảy bằng tia laze và hồ quang với nhau để tạo thành vũng hàn. Do sự tồn tại của dây phụ, nó có thể làm tăng độ ngấu hàn, tăng cường khả năng thích ứng của quá trình và cải thiện cấu trúc và tính chất của mối hàn.

Nếu các thông số quy trình được thiết lập không phù hợp, dây hàn và các giọt nước nóng chảy có thể dễ dàng gây nhiễu tia laser và ảnh hưởng đến chất lượng hàn. Nếu bức xạ của tia laser trên bề mặt của phôi đạt đến bức xạ tới hạn của quá trình hóa hơi vật liệu, thì hiệu ứng lỗ kim và plasma cảm ứng quang sẽ được tạo ra để thực hiện quá trình hàn xuyên sâu. So với hàn lai laser-TIG, hàn lai laser-MIG / MAG có triển vọng ứng dụng tốt, có thể hàn với độ dày tấm lớn hơn và khả năng hàn thích ứng mạnh hơn. Đặc biệt vì hồ quang MIG / MAG có ưu điểm là định hướng mạnh và nguyên tử hóa cực âm, nó thích hợp để hàn các tấm có độ dày lớn và hợp kim nhôm, và các kim loại chống tia laser khác.

Hàn lai Laser-MIG sử dụng các ưu điểm của dây phụ để cải thiện các tính chất luyện kim và cấu trúc vi mô của kim loại mối hàn và thường được sử dụng để hàn các tấm dày và trung bình. Vì vậy, phương pháp này chủ yếu được sử dụng trong đóng tàu, vận tải đường ống và sản xuất ô tô hạng nặng. Ở Đức, công nghệ composite này đã được phát triển đến giai đoạn thực tế. Ví dụ, Viện Nghiên cứu Fraunhofer đã phát triển một hệ thống hàn bể chứa dầu bằng nguồn nhiệt composite laser-MIG, có thể hàn hiệu quả các bể chứa dầu có độ dày từ 5-8mm.

So với hàn lai laser-TIG hoặc laser-PAW, hàn lai laser MIG / MAG sử dụng hàn hỗn hợp trục bên do sự hiện diện của dây hàn.

Cấu trúc có thể được hàn với mật độ dòng điện lớn hơn, hiệu quả phủ cao hơn và có thể thu được chiều sâu và chiều rộng xuyên lớn hơn. Được sử dụng để hàn các tấm dày và lớn, nó ít nhạy cảm với khoảng trống phôi, sai cạnh và độ lệch vừa phải, khả năng thích ứng mạnh hơn và hiệu quả hàn cao hơn. Ngoài ra, hàn lai laser MIG / MAG cũng có thể bổ sung các yếu tố có lợi cho kim loại mối hàn bằng cách chọn dây hàn thích hợp để cải thiện tính chất luyện kim và cấu trúc vi mô của mối hàn, có thể làm giảm xu hướng nứt mối hàn và đảm bảo độ bền và độ dai va đập. Nó phù hợp hơn để hàn thép kết cấu có độ bền cao, hợp kim nhôm và các vật liệu khác. Dựa trên những đặc điểm này, hàn lai laze-MIG / MAG đã trở thành phương pháp hàn nguồn nhiệt lai hồ quang laze được đánh giá cao trong và ngoài nước.

Nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang kép bằng laser

Hàn nguồn nhiệt hỗn hợp hồ quang kép bằng laser là quá trình hàn kết hợp tia laser và hai cung MIG cùng một lúc. Cả hai mỏ hàn MIG đều có cơ chế cấp nguồn và cấp dây độc lập và dùng chung đầu mỏ hàn thông qua hệ thống cấp nguồn riêng. Mỗi mỏ hàn MIG có thể được điều chỉnh tùy ý so với mỏ hàn khác và vị trí của chùm tia laze, như trong Hình 1.5.

Vì ba nguồn nhiệt phải hoạt động trong một khu vực cùng một lúc, nên việc bố trí lẫn nhau là đặc biệt quan trọng. Để định vị lại vị trí của đầu hàn lai so với chùm tia laze theo phương thẳng đứng, cần phải xem xét kỹ kích thước của súng hàn MIG và tiêu điểm chùm tia laze khi nghiên cứu và thiết kế thiết bị thử nghiệm.

Đối với hàn mối nối không khe hở, tốc độ hàn của hàn hồ quang kép laze cao hơn khoảng 30% so với hàn lai laze-MIG thông thường và cao hơn khoảng 80% so với hàn hồ quang chìm. Nhiệt đầu vào trên một đơn vị chiều dài thấp hơn khoảng 25% so với hàn lai laser-MIG thông thường và ít hơn khoảng 80% so với hàn hồ quang chìm và quá trình hàn rất ổn định, vượt xa hiệu quả hàn của hàn lai laser-MIG thông thường hàn.

Vì có các nguồn nhiệt MIG trước và sau laser, nên tránh được giới hạn về hướng hàn của một nguồn nhiệt tổng hợp laser-MIG, và việc hàn tự động các tấm có độ dày lớn sẽ dễ dàng hơn.

Nguồn nhiệt hỗn hợp laser-plasma

Hồ quang Plasma có ưu điểm là độ cứng tốt, nhiệt độ cao, hướng mạnh, khả năng bắt lửa của hồ quang tốt, vùng gia nhiệt hẹp và độ nhạy thấp với thế giới bên ngoài, rất tốt cho hàn nguồn nhiệt composite. Ứng dụng của hồ quang plasma và composite để hàn đối đầu tấm mỏng, kết nối tấm có độ dày không bằng nhau, hàn lòng tấm mạ kẽm, hàn, cắt hợp kim nhôm và hợp kim bề mặt đã đạt được kết quả tốt.

Việc sử dụng hàn lai laser-plasma để hàn tốc độ cao các tấm mạ kẽm có độ dày 0,16 mm cho thấy hồ quang rất ổn định trong quá trình hàn, ngay cả ở tốc độ 90 m / phút và sẽ không có khuyết tật khi hàn. Khi hàn laser một mình là 48m / phút, sẽ có sự mất ổn định của hồ quang và các khuyết tật hàn.

Giống như hàn lai laser-TIG, hàn lai laser-plasma (PAW) có thể được kết hợp song song hoặc đồng trục.

Các tính năng của hàn lai hồ quang laze

Hàn hỗn hợp hồ quang laze kết hợp những ưu điểm của hai nguồn nhiệt độc lập của nó (ví dụ: nguồn nhiệt laze có mật độ năng lượng cao, khả năng định hướng tuyệt vời và các đặc tính của dẫn trung bình trong suốt; plasma hồ quang có chuyển đổi nhiệt điện cao Hiệu suất thấp , chi phí thiết bị và chi phí vận hành thấp, sự phát triển công nghệ hoàn thiện và các ưu điểm khác), tránh những thiếu sót của cả hai (chẳng hạn như sự mất năng lượng laser do độ phản xạ cao của vật liệu kim loại đối với laser, chi phí cao của thiết bị laser, và điện thấp - Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng, v.v ...; mật độ năng lượng của nguồn nhiệt hồ quang thấp hơn, độ ổn định của hồ quang kém trong quá trình di chuyển tốc độ cao, v.v.).

Đồng thời, sự kết hợp hữu cơ của cả hai đã tạo ra nhiều tính năng mới (mật độ năng lượng cao, sử dụng năng lượng cao, độ ổn định hồ quang cao, độ chính xác của dụng cụ thấp và chất lượng bề mặt của phôi được hàn, v.v.), làm cho nó trở nên tuyệt vời. ứng dụng Nguồn nhiệt hàn mới có triển vọng.

Nó có thể được sử dụng cho laser composite; CO₂ laser, laser YAG, laser bán dẫn, laser sợi quang, ... Có thể sử dụng cho các nguồn nhiệt hồ quang hàn composite: TIG, MIG, MAG, hồ quang plasma, v.v.

Laze và hồ quang nói trên có thể được kết hợp theo bất kỳ cách nào mà không có giới hạn để tạo ra một nguồn nhiệt tổng hợp. Công nghệ composite của nó có các tính năng chính sau đây.

Gia nhiệt sơ bộ bằng hồ quang cải thiện hiệu quả nhiệt của laser

Tính chất quang học của vật liệu kim loại liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ thử nghiệm. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ hấp thụ năng lượng laze của kim loại tăng phi tuyến tính. Trong quá trình hàn lai, quá trình đốt nóng hồ quang làm cho phôi nóng lên và nóng chảy, và chùm tia laze đi qua hồ quang tác động trực tiếp lên bề mặt của kim loại lỏng, điều này làm giảm đáng kể hệ số phản xạ của phôi đối với tia laser hồng ngoại ( đặc biệt là CO₂ laser với bước sóng lớn hơn), và cải thiện tỷ lệ hấp thụ phôi của laser.

Ngoài ra, nhiệt độ và mức độ ion hóa của plasma hồ quang tương đối thấp, có tác dụng pha loãng plasma cảm ứng quang để giảm mật độ số điện tử, do đó làm giảm sự hấp thụ và khúc xạ của laser bởi plasma cảm ứng quang, và tăng tỷ lệ mài mòn trên bề mặt của phôi. Năng lượng laze. Nhưng loại ảnh hưởng này phức tạp hơn, khi dòng điện hàn lớn có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực.

Trong hàn lai giữa laze và hồ quang, hồ quang TIG hoặc MIG trước tiên làm nóng chảy vật liệu cơ bản, sau đó chiếu tia laze vào kim loại nóng chảy để tăng tốc độ hấp thụ của vật liệu cơ bản đối với tia laze, điều này có thể sử dụng hiệu quả năng lượng hồ quang và giảm công suất laser. Sự tương tác của nó sẽ làm tăng hiệu quả hàn, và tốc độ hàn có thể đạt 9m / phút. Do tác dụng của hồ quang, có thể sử dụng tia laser có công suất thấp hơn để đạt được hiệu quả hàn tốt. So với hàn laser, nó có thể giảm chi phí sản xuất, đáp ứng các yêu cầu “hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng và kinh tế” và có thể sử dụng hiệu quả năng lượng laser.

Cải thiện dòng nhiệt hồ quang và độ ổn định hàn

Mật độ năng lượng laser cực cao, làm cho kim loại bay hơi trong quá trình hàn và tạo thành một lượng lớn plasma kim loại, do đó cung cấp một đường dẫn tốt cho hồ quang, và có tác dụng thu hút và co lại hồ quang. có thể làm giảm áp suất đánh lửa hồ quang và giảm cường độ trường. Tăng cường sự ổn định của hồ quang. Do tác dụng ổn định hồ quang của tia laser, hiện tượng trôi hồ quang hoặc hiện tượng đứt hồ quang không dễ xảy ra trong quá trình hàn tốc độ cao của nguồn nhiệt composite, do đó toàn bộ quá trình hàn rất ổn định và bắn ra cực kỳ nhỏ. Bởi vì tia laser thu nhỏ hồ quang, mật độ thông lượng nhiệt của hồ quang tăng lên, và tia laser nén gốc hồ quang, làm tăng thêm độ sâu xuyên qua.

Khi dùng riêng TIG hoặc MIG thì hồ quang hàn đôi khi không ổn định, nhất là trường hợp dòng điện nhỏ, khi tốc độ hàn tăng đến một giá trị nào đó sẽ làm trôi hồ quang khiến quá trình hàn không thể thực hiện được. Khi sử dụng công nghệ hàn lai giữa hồ quang laser, plasma do tia laser tạo ra sẽ giúp ổn định hồ quang, tia laser tác động vào vũng nóng chảy tạo thành lỗ khóa, giúp thu hút hồ quang và cũng tăng độ ổn định cho mối hàn; và lỗ khóa sẽ Nén gốc của hồ quang, do đó làm tăng việc sử dụng năng lượng hồ quang. Hồ quang tổng hợp làm tăng chiều rộng mối hàn (đặc biệt là hồ quang MIG), giảm yêu cầu của nguồn nhiệt đối với độ chính xác của việc lắp ráp, lượng lệch tâm và độ nhạy tâm của khe hở mối nối, và giảm khối lượng công việc của quá trình gia công và lắp ráp đối đầu phôi. Hàn được thực hiện dưới một khe hở khớp lớn hơn, giúp cải thiện hiệu quả sản xuất.

Vật liệu cơ bản được nấu chảy để tạo thành một vũng nóng chảy dưới tác dụng của điện sol, và chùm tia laze tác động vào đáy của hồ quang để tạo thành một vũng nóng chảy. Kim loại lỏng có tỷ lệ hấp thụ chùm tia laser cao, do đó chiều sâu xuyên qua của hàn lai lớn hơn so với hàn laser đơn giản, tương đương với hàn laser. So với hàn laser ở công suất lớn, độ sâu thâm nhập của hàn nguồn nhiệt composite có thể tăng gấp đôi, đặc biệt là hàn các khe hở hẹp và các tấm dày lớn. Khi sử dụng phương pháp hàn lai hồ quang bằng tia laze, hồ quang có thể lặn xuống độ sâu của mối hàn dưới tác dụng của tia laze. Giảm lượng lắng đọng kim loại phụ và thực hiện hàn xuyên sâu của các tấm lớn và dày.

Cải thiện hiệu quả hàn và giảm chi phí

Do tác dụng gia nhiệt trước của hồ quang, tốc độ hấp thụ năng lượng laser của phôi được tăng lên, do đó làm tăng chiều sâu xuyên mối hàn. Ngoài ra, nhiệt hồ quang cũng có thể tác động vào bên trong phôi thông qua các lỗ nhỏ do ánh sáng yếu tạo ra, làm tăng thêm chiều sâu xuyên thấu. So sánh hình dạng mặt cắt của đường hàn của tấm thép không gỉ 1Cr18NigTi dày 6mm với các quy trình hàn khác nhau (hàn laze, hàn MIG và hàn lai laze-MIG) được thể hiện trên Hình 1.6.

Sự tương tác của laze và hồ quang làm cho hiệu ứng năng lượng của hàn lai lớn hơn tổng hiệu ứng năng lượng của hai nguồn nhiệt riêng biệt, và cũng làm cho hàn lai hồ quang laze có những ưu điểm rõ ràng so với hàn lai đơn. quá trình hàn. Trong điều kiện cùng độ sâu ngấu, tốc độ hàn có thể tăng lên từ 1 đến 2 lần, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả hàn, giảm yêu cầu về công suất laser, giảm chi phí đầu tư thiết bị và sản xuất.

Sự kết hợp của Laser và Hồ quang

Có hai cách để kết hợp hàn laser và hồ quang điện. Một là dọc theo hướng hàn, khoảng cách giữa tia laser và hồ quang lớn, chúng sắp xếp nối tiếp nhau trước sau. Hai hoạt động như nguồn nhiệt độc lập trên phôi. Mục đích chính là sử dụng nguồn nhiệt hồ quang để làm nóng trước hoặc sau khi nung nóng mối hàn để cải thiện tỷ lệ hấp thụ tia laser. Mục đích cải thiện cấu trúc và hiệu suất mối hàn.

Do bước sóng ngắn của laser trạng thái rắn, nó có những ưu điểm độc đáo trong xử lý vật liệu, đặc biệt là xử lý hàn (ví dụ, vật liệu có tỷ lệ hấp thụ tia laser cao, chùm tia dễ dàng truyền qua sợi quang học, và nó dễ đạt được tính linh hoạt và tự động hóa khi hàn, v.v.), do đó hàn nguồn nhiệt hỗn hợp laser rắn + hồ quang ngày càng được quan tâm nhiều hơn.

Trong thực tế sản xuất, các nguồn nhiệt composite hồ quang laze chủ yếu sử dụng CO₂ laser và laser YAG (laser sợi bán dẫn đã dần được thúc đẩy trong những năm gần đây). Theo vị trí tương đối của tia laze và cung tròn, có vật liệu tổng hợp paraxial và vật liệu tổng hợp đồng trục, như thể hiện trong hình. Như hình 1.7.

Hợp chất paraxial

Sự tái kết hợp song song có nghĩa là chùm tia laze và hồ quang tác động cùng nhau tại cùng một vị trí của phôi ở một góc nhất định, tức là tia laze đi qua bên ngoài của cung để đến bề mặt của phôi và có thể được gửi tới phía trước của cung hoặc phía sau cung, như hình vẽ bên 1.8 (a). Tái tổ hợp paraxial dễ đạt được hơn. Nó có thể sử dụng hồ quang hàn bằng vonfram argon bằng điện cực không nóng chảy (TIG) hoặc hồ quang hàn được che chắn bằng khí điện cực nóng chảy (MIG), hiện đang là phương pháp được sử dụng rộng rãi.

Tổng hợp đồng trục

Tái kết hợp đồng trục có nghĩa là tia laze và hồ quang đồng trục tác động lên cùng một vị trí của phôi, tức là tia laze đi qua tâm của cung hoặc cung đi qua tâm của chùm tia laze vòng để đến bề mặt của phôi. , như trong Hình 1.8 (b). Composite đồng trục khó hơn và quá trình phức tạp hơn, vì vậy hồ quang TIG hoặc PAW (Plasma Arc Welding, hàn hồ quang plasma) thường được sử dụng.

Ảnh hưởng của vị trí phía trước và phía sau của tia laser

Vị trí tương đối của tia laser và hồ quang sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành bề mặt mối hàn và các tính chất vi cấu trúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặt trên của đường hàn được hình thành đồng đều và đầy đặn, đẹp mắt trước khi có tia laze trong hồ quang, đặc biệt khi tốc độ hàn cao thì hiệu quả càng rõ ràng; trong khi hồ quang ở phía trước của tia laze, bề mặt trên của đường hàn sẽ xuất hiện các rãnh.

Bằng cách phân tích thành phần và hiệu suất của mối hàn, người ta biết rằng hàm lượng nguyên tố tăng từ phần trên xuống phần dưới của mối hàn trong cả hai trường hợp. Độ cứng của phần trên của mối hàn trước khi hồ quang bằng laser nhỏ hơn độ cứng của phần dưới và độ cứng của phần trên của mối hàn sau khi laser lớn hơn độ cứng của phần dưới.

Nguyên nhân là do khi có hồ quang thì nguồn nhiệt có diện tích tác dụng lớn, nguồn nhiệt bị thoát ra sau khi hàn Đường hàn nguội chậm có lợi cho việc thoát khí trong nóng chảy. hồ bơi và đội hình tốt; Sau khi nguồn nhiệt hồ quang tác dụng lên tia laze, nó tương đương với việc tôi luyện mối hàn, và nhiệt không thể truyền đến phần sâu hơn của mối hàn, vì vậy phần dưới không được tôi luyện, Vì vậy, độ cứng của phần trên của mối hàn ít hơn phần dưới.

Sự khác biệt giữa mặt trước và mặt sau của tia laser và hồ quang không chỉ có tác động đến quá trình hàn mà sự khác biệt giữa khoảng cách cũng có tác động đến quá trình hàn. Khoảng cách giữa chúng ảnh hưởng đến sự truyền giọt của hàn lai. Sự truyền giọt rất không ổn định trong quá trình hàn MIG tốc độ cao. Trong hàn laser MIG-hybrid, do hiệu ứng bức xạ nhiệt của tia laser-plasma lên giọt và sự hấp thụ của hồ quang. Hình dạng của nó và trạng thái lực của giọt đã bị thay đổi, và sự truyền giọt đã bị thay đổi. Các dòng hàn khác nhau có khoảng cách tia laser và hồ quang tối ưu khác nhau. Dưới khoảng cách tối ưu, hình thức truyền giọt là truyền một tia ổn định, dòng điện và điện áp không đổi, và đường hàn được hình thành tốt.

Trong hình 1.9 (a), hồ quang nằm ở giữa hai chùm tia laze. Sau khi chùm tia laser YAG được phát ra từ sợi quang, nó được chia thành hai chùm và được tái tập trung thông qua một bộ thấu kính. Điện cực và hồ quang được đặt dưới thấu kính, và tiêu điểm của điểm bức xạ của nó trùng nhau. Tại thời điểm này, 8 điện cực vonfram được sử dụng, chúng được phân bố đồng đều ở 45 ° trên một vòng tròn có đường kính nhất định.

Các điện cực vonfram được cung cấp bởi các nguồn điện độc lập. Trong quá trình hàn, hai cặp điện cực theo hướng tương ứng được điều khiển làm việc theo hướng chuyển động của mỏ hàn, tạo thành nguồn nhiệt theo hướng trước và sau. Thiết kế điện cực vonfram rỗng để làm cho chùm tia laze đi qua tâm của hình tròn cũng là một phương pháp phổ biến để tái kết hợp đồng trục. Composite đồng trục giải quyết vấn đề về hướng của composite paraxial và thích hợp để hàn các bộ phận kết cấu ba chiều. Cái khó là sự phủ định của súng hàn phức tạp hơn.

Những thay đổi về điện áp và dòng điện của hàn lai hồ quang laser

Sự tương tác giữa tia laser và hồ quang tạo thành một phương pháp hàn giúp tăng cường khả năng thích ứng. Nó tránh được những thiếu sót của phương pháp hàn đơn. Nó có ưu điểm là tăng năng lượng, tăng độ ngấu, ổn định quá trình hàn. Nó cũng làm giảm các yêu cầu lắp ráp và thực hiện hàn các vật liệu phản chiếu cao. Nhiều lợi thế.

Hình 1.10 cho thấy các dạng sóng của điện áp hồ quang và dòng điện hàn trong hàn TIG thuần túy và hàn lai laser-TIG. Trong hình 1.10 (a), tốc độ hàn là 135cm / phút và dòng hàn TIG là 100A. Có thể thấy rằng điện áp hồ quang và dòng hàn được tăng lên đáng kể trong quá trình hàn lai laser-TIG. Trong hình 1.10 (b), tốc độ hàn là 270cm / phút, và dòng hàn TIG là 70A. Có thể thấy rằng điện áp hồ quang và dòng hàn không ổn định chỉ trong hàn TIG. Rất khó hàn, trong khi điện áp trong hàn lai TIG và dòng hàn rất ổn định và có thể tiến hành hàn thuận lợi.

Hàn dây bằng tia laser đề cập đến việc lấp đầy đường hàn bằng dây hàn trong khi thực hiện hàn bằng tia laser. Việc bổ sung dây hàn có hai mục đích: vẫn có thể tiến hành hàn bình thường khi khe hở mối nối không lý tưởng để mối hàn được hình thành tốt. Thứ hai là thay đổi thành phần và cấu trúc của mối hàn để mối hàn có thể đáp ứng các yêu cầu về tính năng nhất định.

Khi sử dụng phương pháp hàn xuyên sâu dây, cần chú ý không cho dây hàn vào quá nhanh. Nó sẽ không làm hỏng các lỗ nhỏ trong bể nóng chảy. Thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi sử dụng hàn laser dây, trong các điều kiện hàn khác không thay đổi. Chiều rộng của mối hàn hẹp hơn so với khi không nối thêm dây. Điều này là do sự nóng chảy của dây phụ tiêu thụ một phần ánh sáng dưới cùng một đầu vào nhiệt. Năng lượng, năng lượng được sử dụng để làm nóng chảy vật liệu cơ bản bị giảm tương ứng.