Vai trò của khí bảo vệ trong hàn laser fiber như thế nào?

Sử dụng khí trong quá trình hàn Laser Fiber dựa trên nguyên lý rất khác biệt với quá trình cắt Laser Fiber. Nếu quá trình cắt thì khí được sử dụng để thổi bay các sỉ và vật liệu khi bị nóng chảy ra, tạo thành đường cắt trên vật liệu, trong khi quá trình hàn lại sử dụng khí với mục đích chính là bảo vệ và che chắn mối hàn. Vậy khí có vai trò cụ thể ra sao và người ta thường sử dụng khí gì để hàn Laser Fiber? Hãy cùng TRIDICO phân tích và tìm ra câu trả lời nhé.

Trong quá trình hàn laser, người ta thường sử dụng các loại khí trơ như Argon, Heli để bảo vệ vùng nóng chảy của vật liệu hàn khỏi tác động của không khí và môi trường xung quanh. Đôi khi Nito và CO2 hay hỗn hợp một số loại khí cũng được sử dụng để bảo vệ phôi không bị oxy hóa trong quá trình hàn. Vì vậy, khí dùng trong hàn laser thường được gọi là khí che phủ, khí bảo vệ, đôi khi còn được gọi là khí khiên.

Vai trò của khí bảo vệ trong hàn laser fiber là gì?

Đối với hàn laser, khí bảo vệ sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành của mối hàn, chất lượng mối hàn, độ sâu và chiều rộng mối hàn…. Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng khí không đúng cách hoặc không đúng loại khí cũng có thể gây ra những tác dụng phụ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm hàn như:

- Đường hàn bị hư hỏng: Việc đưa khí bảo vệ vào không đúng cách có thể dẫn đến chất lượng đường hàn kém.

- Ảnh hưởng đến chiều sâu mối hàn: Việc đưa khí bảo vệ vào có thể có tác động nhất định đến độ sâu của mối hàn, đặc biệt là khi hàn tấm mỏng, nơi nó có xu hướng làm giảm độ sâu của mối hàn.

- Nứt và giảm tính chất cơ học: Chọn sai loại khí có thể dẫn đến nứt đường hàn và giảm hiệu suất cơ học.

- Tăng quá trình oxy hóa hoặc nhiễu: Việc chọn sai tốc độ dòng khí, dù quá cao hay quá thấp, đều có thể dẫn đến tăng quá trình oxy hóa đường hàn. Nó cũng có thể gây ra những xáo trộn nghiêm trọng cho kim loại nóng chảy, dẫn đến sự sụp đổ hoặc hình thành đường hàn không đồng đều.

- Bảo vệ không đầy đủ hoặc tác động tiêu cực: Việc chọn sai phương pháp đưa khí vào có thể dẫn đến việc bảo vệ đường hàn không đủ hoặc thậm chí có tác động tiêu cực đến sự hình thành đường hàn.

Tác dụng tích cực khi lựa chọn khí bảo vệ thích hợp:

- Dùng khí bảo vệ đúng cách giúp tránh được quá trình oxy hóa trong quá trình hàn laser. Sử dụng khí bảo vệ thúc đẩy sự lan rộng và đồng đều của mối hàn trong quá trình hóa rắn, để mối hàn đồng đều và đẹp hơn.

- Việc sử dụng khí đúng cách làm giảm hơi kim loại (hiệu ứng che chắn đám mây Plasma) trên tia laser để năng lượng tia laser không bị phân tán và chạm tới bề mặt phôi, tăng hiệu quả sử dụng của hàn Laser. Việc này đồng thời cũng bảo vệ thấu kính hối tụ của mỏ hàn tránh khỏi ô nhiễm hơi kim loại và các giọt kim loại lỏng. Đối với quá trình hàn laser công suất cao, sự phóng ra của các hơi kim loại và kim loại lỏng rất lớn, nên việc sử dụng khí để bảo vệ có vai trò rất quan trọng giúp bảo vệ thiết bị máy được bền hơn và sử dụng hiệu quả lâu dài. Sử dụng khí bảo vệ giúp làm giảm rất nhiều độ xốp của mối hàn. Việc dùng khí bảo vệ vào đúng cách có thể làm giảm hiệu quả sự bắn tung tóe trong quá trình hàn.

Lựa chọn loại khí bảo vệ phù hợp sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Vật liệu hàn, độ dày vật liệu, công suất laser, loại máy hàn laser.

Các loại khí bảo vệ được sử dụng trong hàn laser

Các khí phổ biến được sử dụng để hàn Laser Fiber là Argon, Heli và Nito. Đôi khi người ta cũng dùng CO2 và hỗn hợp các khí trơ trên để hàn.

• Argon (Ar): Argon hoạt động thấp và rất khó phản ứng với các kim loại thông thường, mật độ của Argon lại lớn, có lợi cho việc hình thành mối hàn và có thể bảo vệ tốt bề mặt mối hàn. Đồng thời giá thành phù hợp và rẻ nhất nên thường được sự dụng để hàn Laser Fiber trong công nghiệp. Bề mặt vật liệu được hàn laser bằng khí Argon có độ nhẵn cao hơn so với bề mặt vật liệu được hàn bằng khí Heli. Tuy nhiên, năng lượng ion hóa của Argon tương đối thấp và mức độ ion hóa cao dưới tác động của tia laser, dẫn đến dễ hình thành các đám mây plasma làm che chắn một phần tia laser, ảnh hưởng đến hiệu suất của chùm laser, giảm hiệu suất hàn.

Khí Argon thường được sử dụng trong hàn laser fiber

• Helium (He): Helium có năng lượng ion hóa rất cao nên hầu như không bị ion hóa dưới tác động của tia laser, đồng thời Helium cũng kiểm soát rất tốt sự hình thành của đám mây Plasma giúp cho tia laser hoạt động tốt ở kim loại, tác động nhanh hơn đến việc hàn. Thêm vào đó, hoạt động của Helium rất thấp, nó không phản ứng hóa học với kim loại nên được đánh giá là một loại khí bảo vệ mối hàn tốt nhất. Tuy nhiên, chi phí giá thành của Helium quá cao để có thể sản xuất hàng loạt, do đó ít được ứng dụng phổ biến. Thông thường Helium chỉ được sử dụng trong nghiên cứu khoa học hoặc sản xuất một số sản phẩm có giá trị rất cao.

Khi Helium thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm

• Nito (N2): Ni tơ là loại khí rẻ nhất so với 2 khí trên. Nito có mức ion hóa trung bình, cao hơn Ar, thấp hơn so với He nên có thể làm giảm sự hình thành của đám mây plasma khá tốt, do đó làm tăng hiệu quả sử dụng laser. Nitơ có thể phản ứng với hợp kim nhôm và thép carbon ở nhiệt độ nhất định để tạo ra nitrua, điều này sẽ cải thiện độ giòn của mối hàn và giảm độ dẻo dai, có ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ học của mối hàn. Do đó, không nên sử dụng nitơ để bảo vệ mối hàn của hợp kim nhôm và thép carbon. Tuy nhiên, Nitride được tạo ra bởi phản ứng hóa học giữa nitơ và thép không gỉ có thể cải thiện độ bền của mối hàn và cải thiện tính chất cơ học của mối hàn. Do đó, nitơ có thể được sử dụng làm khí bảo vệ khi hàn thép không gỉ.

Bình khí Nito N2

Phương pháp thổi khí bảo vệ

Hiện nay, có hai phương pháp chính để đưa khí bảo vệ vào đó là khí bảo vệ thổi lệch ngoài trục và khí bảo vệ đồng trục.

Phương pháp thổi khí bảo vệ ngoài trục

Phương pháp thổi khí bảo vệ đồng trục

Việc lựa chọn của hai phương pháp thổi là một sự xem xét toàn diện về các khía cạnh khác nhau. Phương pháp thổi khí bảo vệ ngoài trục thường được sử dụng phổ biến hơn.

Nguyên tắc lựa chọn phương pháp thổi khí bảo vệ

Trước hết, cần phải hiểu rõ ràng rằng cái gọi là mối hàn bị oxy hóa chỉ là một cái tên phổ biến. Về lý thuyết, nó đề cập đến sự suy giảm chất lượng mối hàn do phản ứng hóa học giữa kim loại mối hàn và các thành phần có hại trong không khí như oxy, nitơ và hydro.

Ngăn chặn quá trình oxy hóa mối hàn liên quan đến việc giảm hoặc tránh tiếp xúc giữa các thành phần có hại này và kim loại mối hàn ở nhiệt độ cao. Trạng thái nhiệt độ cao này không chỉ bao gồm kim loại vũng hàn nóng chảy mà còn bao gồm toàn bộ khoảng thời gian từ khi kim loại mối hàn nóng chảy cho đến khi vũng hàn đông đặc lại và nhiệt độ của nó giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định.

Ví dụ: Lúc hàn hợp kim titan, khi nhiệt độ trên 300°C, sự hấp thụ hydro nhanh chóng xảy ra, nếu trên 450°C xảy ra sự hấp thụ oxy nhanh chóng và nếu trên 600°C thì sự hấp thụ nitơ nhanh chóng xảy ra. Vì vậy, cần có sự bảo vệ hiệu quả cho mối hàn hợp kim titan trong giai đoạn nó đông đặc và nhiệt độ giảm xuống dưới 300°C để ngăn chặn quá trình oxy hóa. Dựa trên mô tả ở trên, rõ ràng là khí bảo vệ được thổi ra cần cung cấp sự bảo vệ không chỉ cho vũng hàn vào thời điểm thích hợp mà còn cho khu vực vừa đông đặc của mối hàn. Do đó, phương pháp thổi lệch ngoài trục thường được ưa thích hơn vì nó mang lại phạm vi bảo vệ rộng hơn so với phương pháp thổi khí đồng trục, đặc biệt đối với vùng vừa đông đặc của mối hàn. Tuy nhiên, đối với một số sản phẩm cụ thể, việc lựa chọn phương pháp cần được thực hiện dựa trên cấu trúc sản phẩm và hình dạng khớp.

Cách lựa chọn chính xác phương pháp thổi khí bảo vệ

• Mối hàn thẳng

Hình mối hàn sản phẩm thẳng ( Hình 1 )

Nếu hình dạng mối hàn của sản phẩm thẳng, như minh họa trên hình 1 và hình dạng mối nối bao gồm mối nối đối đầu, mối nối chồng, mối hàn góc hoặc mối hàn xếp chồng, thì phương pháp ưu tiên cho loại sản phẩm này là phương pháp thổi lệch ngoài trục.

• Mối hàn hình học kèm theo mặt phẳng

Hình mối hàn sản phẩm hình học khép kín ( Hình 2 )

Như thể hiện trên Hình 2, mối hàn trong loại sản phẩm này có dạng phẳng khép kín, chẳng hạn như dạng đường tròn, đa giác hoặc nhiều đoạn. Các cấu hình mối nối có thể bao gồm mối nối đối đầu, mối nối chồng hoặc mối hàn xếp chồng. Đối với loại sản phẩm này, phương pháp ưu tiên là sử dụng khí bảo vệ đồng trục.

Việc lựa chọn khí bảo vệ cho mối hàn hình học phẳng khép kín ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, hiệu quả và chi phí sản xuất mối hàn. Tuy nhiên, do tính đa dạng của vật liệu hàn nên việc lựa chọn khí hàn trong quá trình hàn thực tế rất phức tạp. Nó đòi hỏi phải xem xét toàn diện về vật liệu hàn, phương pháp hàn, vị trí hàn và kết quả hàn mong muốn. Việc lựa chọn khí hàn phù hợp nhất có thể được xác định thông qua các thử nghiệm hàn để đạt được kết quả hàn tối ưu.

>>> Xem thêm bài viết:  Hướng dẫn cách vận hành máy hàn laser fiber dễ hiểu nhất

Nguồn: Tổng hợp