Ứng Dụng Công Nghệ Hàn Laser Trong Hàn Hợp Kim Nhôm

Việc sử dụng hợp kim nhôm để thay thế thép truyền thống trên ô tô là một trong những cách quan trọng để hiện thực hóa trọng lượng nhẹ của ô tô. Tuy nhiên, do đặc tính của hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt tốt và hệ số giãn nở tuyến tính lớn nên trong quá trình hàn có một số vấn đề:

1) Mối hàn hợp kim nhôm bị mềm nghiêm trọng, hệ số cường độ thấp;

2) Hợp kim nhôm dễ bị oxy hóa để tạo ra màng oxit chịu lửa (Al2O3, điểm nóng chảy là 2060 độ), cần sử dụng quy trình hàn mật độ năng lượng cao;

3) Dễ tạo lỗ chân lông;

4) Hệ số giãn nở tuyến tính lớn, dễ tạo ra biến dạng hàn và vết nứt hàn;

5) Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng lớn, lượng nhiệt đầu vào lớn gấp 2 đến 4 lần so với thép hàn.

Vì vậy, để có được mối hàn hợp kim nhôm hiệu suất cao cần có mật độ năng lượng cao, nhiệt lượng hàn thấp và tốc độ hàn cao, trong đó hàn laser là một trong những công nghệ hàn hợp kim nhôm hứa hẹn nhất.

Hàn laser là phương pháp hàn hiệu quả và chính xác sử dụng chùm tia laser mật độ năng lượng cao làm nguồn nhiệt, có đặc tính tốc độ nhanh, độ xuyên thấu lớn, biến dạng nhỏ, tính linh hoạt xử lý tốt và dễ tự động hóa khi ứng dụng vào hàn hợp kim nhôm. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và điện tử công nghiệp nhẹ và các lĩnh vực khác, nhưng nó được sử dụng trong hàn laser hợp kim nhôm. Cũng có một số vấn đề và khó khăn.

1.1 Hợp kim nhôm có khả năng hấp thụ tia laser rất thấp

Hợp kim nhôm có tác dụng phản xạ mạnh đối với tia laser, đó là do mật độ electron tự do cao ở trạng thái rắn của hợp kim nhôm, dễ phản xạ năng lượng với photon trong chùm tia. Các nghiên cứu cho thấy độ phản xạ của hợp kim nhôm đối với laser CO2 khí cao tới 90% và độ phản xạ của laser rắn là gần 80%. Đồng thời, hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt mạnh, dẫn đến tốc độ hấp thụ của laser hợp kim nhôm rất thấp. Do đó, phải thực hiện các biện pháp thích hợp để cải thiện tốc độ hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm.

Các biện pháp tối ưu hóa:

1) Bằng cách tăng mật độ năng lượng laser để cải thiện khả năng hấp thụ của laser hợp kim nhôm. Mật độ năng lượng laser tăng lên sẽ gây ra hiệu ứng lỗ nhỏ trong bể hàn, điều này có thể cải thiện đáng kể tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với tia laser.

2) Áp dụng quy trình xử lý bề mặt thích hợp. Đánh bóng điện phân, anodizing và phun cát được sử dụng để so sánh khả năng hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm. Người ta nhận thấy rằng quá trình anod hóa và phun cát trên bề mặt hợp kim nhôm có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ tia laser.

3) Người ta cũng thấy rằng dạng khớp sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ tia laser. Vát hình chữ V và vát vuông có lợi cho việc hình thành lỗ khóa hơn so với các khớp không vát, mật độ năng lượng laser tăng lên và tốc độ hấp thụ tia laser của hợp kim nhôm cũng tăng lên.

1.2 Dễ hình thành lỗ chân lông

Lỗ chân lông là khuyết tật phổ biến nhất và quan trọng nhất trong hàn laser hợp kim nhôm. Các loại lỗ chân lông có thể được chia thành hai loại. Một là do độ hòa tan của hydro trong quá trình làm mát bằng hàn laser của hợp kim nhôm giảm mạnh nên hàm lượng hydro trong hợp kim nhôm nóng chảy có thể đạt tới {{0}}.69mL/100g, hàm lượng hydro của hợp kim nhôm sau khi làm mát và hóa rắn là 0,036mL / 100g, và hydro siêu bão hòa kết tủa tạo thành lỗ chân lông hydro. Ngoài ra, trên bề mặt hợp kim nhôm còn có một màng oxit, nước trong nước tinh thể, không khí và khí bảo vệ trên bề mặt hợp kim nhôm bị phân hủy trực tiếp thành hydro trong quá trình hàn. Những lỗ chân lông hydro này quá muộn để thoát ra ngoài trong quá trình làm mát nhanh chóng khi hàn laser các hợp kim nhôm và tồn tại trong mối hàn để tạo thành lỗ chân lông hydro. Thứ hai là do lỗ khóa sinh ra trong quá trình hàn laser không ổn định và bị xẹp, kim loại lỏng không có thời gian để lấp đầy lỗ. Độ xốp quá mức sẽ làm giảm mật độ mối hàn, giảm khả năng chịu lực của mối hàn, giảm độ bền và độ dẻo của mối hàn ở các mức độ khác nhau. Có nhiều biện pháp nhằm hạn chế khuyết tật lỗ rỗng trong hàn laser hợp kim nhôm như thay đổi đường đi của chùm tia laser, dùng dao động chùm tia để khuấy vũng nóng chảy, tăng khả năng lỗ xốp thoát ra khỏi bề mặt, sử dụng dây hoặc hợp kim. bột, sử dụng công nghệ hai điểm và hàn tổng hợp bằng laser có thể đạt được hiệu quả giảm độ xốp, nhưng về cơ bản rất khó loại bỏ.

1.3 Xu hướng nứt nóng

Nguyên nhân gây ra vết nứt nóng khi hàn laser hợp kim nhôm chủ yếu liên quan đến đặc tính riêng của nó và quá trình hàn. Trong quá trình hóa rắn hợp kim nhôm, tốc độ co ngót lớn (lên tới 5%), ứng suất và biến dạng hàn lớn, và kim loại hàn sẽ tạo ra cấu trúc eutectic có điểm nóng chảy thấp dọc theo ranh giới hạt trong quá trình kết tinh, do đó ranh giới hạt lực liên kết bị suy yếu và các vết nứt nóng được hình thành dưới tác dụng của ứng suất kéo. Có thể giảm xu hướng nứt nóng bằng cách đổ dây hoặc bột hợp kim, và cũng có thể giảm xu hướng nứt nóng bằng cách điều chỉnh các thông số quá trình hàn để kiểm soát tốc độ gia nhiệt và làm mát.

1.4 Làm mềm kết cấu mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

“Làm mềm” là hiện tượng giảm độ bền, độ cứng của mối hàn. Khi sử dụng mối nối hợp kim nhôm hàn laser, cấu trúc mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn cũng có vấn đề về độ mềm. Một số lượng lớn nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng làm mềm khi hàn hợp kim nhôm khó được loại bỏ một cách cơ bản, nhưng so với hàn được bảo vệ bằng khí, hàn laser làm giảm lượng nhiệt đầu vào và làm cho vùng làm mềm của mối hàn hẹp hơn. So với hàn MIG, mức độ "làm mềm" của các mối nối hợp kim nhôm hàn bằng laser thấp hơn và độ bền kéo tăng khi tốc độ hàn tăng. Ảnh hưởng của plasma đến quá trình hàn Năng lượng ion hóa nguyên tố nhôm thấp, hàn laser dễ tạo thành plasma kim loại, plasma do khúc xạ và lệch của laser gây ra, từ đó làm thay đổi tiêu điểm của chùm tia laser, do đó tỷ lệ xuyên mối hàn giảm, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Bằng cách đặt trước bột trên bề mặt phôi, sự giãn nở và xung của plasma theo hướng chiều cao bị suy yếu, do đó plasma có thể duy trì biên độ xung tương đối ổn định trên bề mặt phôi.

2.1 Hàn laser hợp kim nhôm tự nung chảy

Hàn tự nung bằng laser dùng để chỉ chùm tia laser mật độ năng lượng cao như một nguồn nhiệt, tác động lên bề mặt vật liệu cơ bản, làm cho vật liệu cơ bản tự tan chảy, tạo thành phương pháp hàn mối hàn. Để hàn laser hợp kim nhôm, bề mặt hợp kim nhôm có độ phản xạ cao với tia laser và cần có công suất laser lớn trong quá trình hàn. Đường kính của điểm laser nhỏ, độ chính xác của thiết bị hàn cao và giá trị dung sai khe hở của các bộ phận thấp và giá trị khe hở của các bộ phận thường được yêu cầu phải dưới 0. 2mm. Trong quá trình hàn, tốc độ gia nhiệt và làm nguội nhanh, khuyết tật hàn nhiều, mật độ năng lượng laser tập trung, hiệu ứng lỗ khóa dễ gây ra hiện tượng mối hàn lõm và cắn mép nên các thông số quá trình hàn có yêu cầu cao hơn. Hàn tự nung 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 làm bằng phương pháp hàn tự nung bằng hợp kim nhôm bằng laser. Trong thân nhôm của một công ty ô tô năng lượng mới trong nước, việc hàn cụm cửa và kết cấu thành bên cũng được thực hiện bằng phương pháp hàn tự nung chảy bằng hợp kim nhôm bằng laser.

2.2 Hàn dây laser hợp kim nhôm

Trong hàn hàn dây bằng laser, tia laser vẫn được sử dụng làm nguồn nhiệt chính để làm nóng chảy kim loại hàn, nhưng thiết bị cấp dây tự động được sử dụng để liên tục đưa kim loại rót vào bể nóng chảy để đạt được quá trình kết nối luyện kim. So với hàn tự nung chảy bằng laser, hàn hàn dây laser đã giảm bớt các yêu cầu về độ chính xác của khe hở quá trình hàn, bằng cách lấp đầy các thành phần khác nhau của dây hàn, cải thiện tính chất luyện kim của mối hàn, ngăn ngừa các vết nứt và lỗ chân lông hàn nóng, cải thiện tính chất luyện kim của mối hàn. ổn định của quá trình hàn và tính chất cơ học của mối hàn.

Hàn dây laser hợp kim nhôm có đặc tính chất lượng bề ngoài tốt, độ chính xác của khe hở quá trình lỏng hơn so với hàn tự nung bằng laser, v.v. Nó thường được sử dụng ở bề mặt bên ngoài của thân máy, chẳng hạn như giữa nắp trên và thành bên , và giữa tấm trên và tấm dưới của vỏ vali. Ngoài ra còn có một số model nhằm đạt chất lượng hàn cao hơn và sử dụng hàn dây laser để hàn cửa hợp kim nhôm.

2.3 Hàn hồ quang laser hợp kim nhôm

Hàn composite hồ quang laser là sự kết hợp giữa hai loại nguồn nhiệt laser và hồ quang có tính chất vật lý và cơ chế truyền năng lượng khác nhau, cùng phối hợp hoạt động trên các chi tiết hàn. Nó Cả hai đều phát huy hết ưu điểm của hai nguồn nhiệt, đồng thời bù đắp những khuyết điểm của nhau. Trong hàn tổng hợp hồ quang laser bằng hợp kim nhôm, hồ quang có thể dẫn hướng nguồn nhiệt laser, cải thiện khả năng hấp thụ của hợp kim nhôm và tốc độ sử dụng năng lượng trong quá trình hàn, đồng thời khả năng định dạng bề mặt của mối hàn tốt hơn so với hàn hồ quang. hàn tự nung bằng laser. Ngoài ra, việc đưa vào hồ quang có thể làm giảm đáng kể độ chính xác kẹp của các bộ phận hàn và hồ quang có tác dụng pha loãng plasma hàn bằng laser, có thể làm giảm tác dụng che chắn của plasma đối với tia laser. Laser đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của hồ quang, để hồ quang có thể tác động ổn định lên mối nối khi hàn tốc độ cao, có thể cải thiện chất lượng hàn của mối hàn và tăng tốc độ hàn.

Có rất nhiều ưu điểm khi ứng dụng hàn laser trong ngành ô tô:

1) Tốc độ hàn nhanh, cải thiện nhịp độ sản xuất và tốc độ hàn có thể đạt 6m / phút, có lợi thế không thể so sánh được so với các phương pháp kết nối khác của thân màu trắng (như hàn điểm, hàn hồ quang, tán đinh);

2) Nó có những hạn chế nhỏ về cấu trúc thân máy, có thể áp dụng cho các cấu trúc hàn khác nhau (vòng, góc, khớp chữ T, mông) và là hàn một mặt, nơi có thể chạm tới chùm tia, thiết kế linh hoạt hơn;

3) Yêu cầu về mặt hàn laser của nó thấp, mặt hàn có thể được hàn trong 6 ~ 8 mm, so với yêu cầu về mặt hàn điểm (16mm) giảm một nửa, có thể đóng vai trò nhẹ;

4) Cấu trúc hàn laser của mui và vỏ sau có thể làm giảm chất lượng thân xe, không cần bôi keo và không có tấm trang trí bên ngoài, tiết kiệm chi phí thân xe;

5) Mối hàn hàn laser mịn và gọn gàng, ngoại hình đẹp, v.v.

Do có nhiều ưu điểm nên hàn laser đã được quan tâm rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và được nhiều công ty ô tô ưa chuộng. Nó được sử dụng trong các bộ phận khác nhau của các mẫu xe châu Âu (như Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot, v.v.) và các mẫu xe Mỹ (như Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet, v.v.) (mái nhà, cụm cửa, tấm ốp bên ngoài nắp cốp, các bộ phận kết cấu bên và mối hàn bình chứa nước, v.v.), và là một trong những biểu tượng của thân xe chất lượng cao với màu trắng.

Tuy nhiên, do chi phí đầu tư một lần cao, yêu cầu về độ chính xác của kim loại tấm và độ chính xác của dụng cụ nên nó không được các công ty ô tô thương hiệu trong nước sử dụng rộng rãi.

Hiện nay, hàn laser hợp kim nhôm đã được ứng dụng trong sản xuất hàng loạt trên thân hợp kim nhôm. Audi TT, A6/A8 và Cadillac CT6 hàng đầu được hàn bằng phương pháp hàn laser hợp kim nhôm ở nắp trên và thành bên. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW 5 series /7 series, Mercedes-Benz S series /C series và các mẫu tấm ốp cốp khác sử dụng phương pháp hàn laser hợp kim nhôm. Cửa của Audi A6/A8, Mercedes-Benz S /C Series, BMW 5/7 series, v.v., sử dụng hàn laser hợp kim nhôm. Nio cũng áp dụng một số lượng lớn công nghệ hàn laze hợp kim nhôm ở vỏ, thành bên cũng như cửa.

Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ ô tô, năng lực xử lý công nghiệp và chất lượng xử lý, chi phí sử dụng hàn laser sẽ giảm đi rất nhiều. Đồng thời, với sự phát triển của ô tô nhẹ, ứng dụng hợp kim nhôm trong thân ô tô ngày càng tăng, hàn laser là một trong những phương pháp kết nối quan trọng để giải quyết vấn đề chất lượng hàn hợp kim nhôm, sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp ô tô.

Công ty TNHH Công nghệ Laser Tây An Guosheng là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên về R&D, sản xuất và kinh doanh máy ốp laser tự động, máy ốp laser tốc độ cao, máy làm cứng bằng laser, thiết bị hàn laser và thiết bị in 3D.

Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, vui lòng liên hệ với chúng tôi theo số bob@gshenglaser.com.