Nguyên nhân và các phương pháp kiểm soát lỗ khí trong mối hàn laser

I. Giới thiệu

Hàn laser mang lại những ưu điểm như mật độ năng lượng cao, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, hình dạng mối hàn tốt và biến dạng thấp. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong gia công tấm kim loại, thiết bị điện tử tiêu dùng, sản xuất pin, thiết bị y tế và ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, trong các ứng dụng hàn thực tế, các khuyết tật rỗ khí thường xuyên xuất hiện bên trong hoặc trên bề mặt mối hàn do tác động kết hợp của các yếu tố vật liệu, thiết bị và quy trình. Những khuyết tật này ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền, độ đặc chắc và chất lượng bề ngoài của mối hàn. Do đó, cần thiết phải phân tích cơ chế hình thành rỗ khí và đề xuất các biện pháp kiểm soát hiệu quả nhằm cải thiện độ ổn định quá trình hàn và chất lượng sản phẩm.

II. Các nguyên nhân chính gây rỗ khí khi hàn

Rỗ khí khi hàn thường do khí bị giữ lại, khí hòa tan kết tủa hoặc sự hóa hơi của vật liệu. Các nguyên nhân chính bao gồm:

1. Bề mặt vật liệu bị nhiễm bẩn

Khi các bề mặt hàn chứa dầu, độ ẩm, gỉ sét hoặc lớp phủ, chúng sẽ phân hủy dưới nhiệt độ cao và sinh ra khí lọt vào vũng hàn. Ví dụ:

Nhiễm dầu → sinh ra khí hydrocarbon

Độ ẩm → sinh ra H₂ và O₂

Lớp phủ → phân hủy thành các khí hữu cơ hoặc vô cơ

Nếu vũng hàn đông đặc nhanh, các khí này không thể thoát kịp và tạo thành lỗ rỗ.

2. Hàm lượng khí cao trong vật liệu

Một số vật liệu nhất định chứa hàm lượng cao hơn về hydro, oxy, nitơ hoặc tạp chất, có thể kết tủa và tạo thành bọt khí trong quá trình nóng chảy. Ví dụ:

Hợp kim nhôm nhạy cảm với hydro

Thép nhạy cảm với oxy

Hợp kim đồng nhạy cảm với nitơ

Nếu thời gian hồ nóng chảy không đủ hoặc làm nguội quá nhanh, các khí sẽ bị giữ lại và tạo thành lỗ rỗng.

3. Nguồn năng lượng laser đầu vào không đủ hoặc không ổn định

Nếu mật độ năng lượng không đủ, hồ nóng chảy sẽ trở nên nông và độ lưu động kém, khiến việc thoát khí trở nên khó khăn. Dao động năng lượng cũng có thể gây ra hiện tượng đóng rắn hồ nóng chảy không đồng đều, dẫn đến việc bẫy bọt khí.

Các biểu hiện phổ biến bao gồm:

Dao động công suất laser

Lệch tiêu điểm dẫn đến giảm mật độ công suất

Tốc độ hàn quá cao gây ra hiện tượng thấu sâu không đầy đủ

4. Che chắn khí bảo vệ không đúng cách

Việc che chắn không đủ hoặc hướng che chắn sai cho phép không khí xâm nhập vào hồ nóng chảy và tạo ra phản ứng khí. Lưu lượng khí quá lớn có thể gây ra dòng xoáy hoặc cuốn theo không khí.

Các vấn đề phổ biến bao gồm:

Lưu lượng argon quá lớn gây hình thành xoáy

Lệch pha khí dẫn đến che chắn không đầy đủ

Bẩn vòi phun gây rối loạn trường dòng chảy

5. Sự không tương thích giữa vật liệu đắp và kim loại cơ bản

Trong hàn dây đốt nóng, nếu thành phần dây đốt, hàm lượng khí hoặc độ sạch kém, có thể đưa thêm khí hoặc tạp chất vào.

Ví dụ bao gồm:

Dây hàn ẩm hoặc hút ẩm

Điều kiện lưu trữ kém

Làm sạch dây không đủ

III. Các mối nguy chính của rỗ khí khi hàn

Khuyết tật rỗ khí ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chủ yếu thông qua:

Giảm độ bền mối hàn và tuổi thọ mỏi

Làm giảm khả năng kín và hiệu suất ngăn chặn

Chất lượng ngoại hình bị giảm

Độ tin cậy giảm trong các ứng dụng quan trọng

Các ngành công nghiệp như vỏ pin, thiết bị y tế và cấu trúc kín khí có thể từ chối hoàn toàn sản phẩm do khuyết tật rỗ khí

IV. Các phương pháp kiểm soát khuyết tật rỗ khí trong mối hàn

Để cải thiện chất lượng hàn laser, cần thực hiện tối ưu hóa trên các yếu tố vật liệu, thiết bị, quy trình và môi trường

1. Thực hiện xử lý bề mặt phù hợp

Làm sạch bề mặt hàn làm giảm đáng kể nguy cơ rỗ khí. Các phương pháp phổ biến bao gồm:

Làm sạch cơ học (mài, chải)

Làm sạch bằng dung môi (rượu, axeton)

Làm sạch bằng laser (phù hợp cho sản xuất hàng loạt)

Làm khô và khử ẩm (đặc biệt đối với hợp kim nhôm)

Các khu vực chính bao gồm vùng hàn và các khu vực tiếp xúc bên trong của các mối nối chồng

2. Kiểm soát chất lượng vật liệu và điều kiện bảo quản

Dựa trên đặc tính hấp thụ khí của vật liệu:

Hợp kim nhôm cần được giữ khô để ngăn hấp thụ độ ẩm

Các bộ phận bằng đồng cần được bảo vệ khỏi hiện tượng oxy hóa bằng khí hoặc lớp phủ

Thép cần tránh bị rỉ nặng và các chất nhiễm bẩn

Trong hàn dây đốt nóng, dây phải được giữ khô và sạch

3. Tối ưu hóa thông số năng lượng laser

Việc lựa chọn quy trình phù hợp là yếu tố then chốt để thoát khí. Các hướng tối ưu bao gồm:

Tăng mật độ công suất → cải thiện độ xuyên sâu và tính lưu động

Giảm tốc độ hàn → tăng thời gian mở vũng hàn

Điều chỉnh vị trí tiêu điểm → nâng cao độ ổn định của vũng hàn

Ổn định đầu ra laser → tránh dao động năng lượng

Trong hàn xuyên sâu, độ lệch tiêu cực có thể cải thiện độ xuyên sâu và hành vi chảy.

4. Cải thiện hệ thống khí bảo vệ

Tối ưu hóa khí bảo vệ bao gồm:

Lựa chọn khí phù hợp (ví dụ: argon cho hàn nhôm)

Kiểm soát lưu lượng phù hợp (tránh xáo trộn)

Tối ưu hóa góc vòi phun và khoảng cách giữa vòi phun với vật hàn

Tăng độ bao phủ bảo vệ để ngăn ngừa hiện tượng lôi cuốn không khí

Đối với hàn nhôm, thường sử dụng che chắn bằng khí đôi hoặc buồng kín để giảm độ xốp.

5. Tối ưu hóa thiết kế mối nối và cấu hình hàn

Thiết kế mối nối ảnh hưởng đến hành vi thoát khí:

Ưu tiên sử dụng mối nối đối đầu thay vì mối nối chồng khi có thể

Cung cấp đường thoát khí cho các mối nối chồng nếu không thể tránh khỏi

Tránh các cấu trúc kín có thể giữ lại khí trong quá trình làm nguội nhanh

Thiết kế kết cấu phù hợp sẽ giảm ứng suất và cải thiện hiệu quả thoát khí.

V. Kết luận

Lỗ rỗ trong hàn laser là một khuyết tật điển hình phát sinh từ sự kết hợp của các yếu tố vật liệu, quy trình và điều kiện môi trường. Cơ chế hình thành của nó có mối liên hệ chặt chẽ với nhiều yếu tố khác nhau. Bằng cách cải thiện độ sạch của vật liệu, tối ưu hóa thông số tia laser và khí bảo vệ, đồng thời áp dụng thiết kế mối nối phù hợp, chất lượng và hiệu suất tạo mối hàn có thể được nâng cao đáng kể. Trong môi trường sản xuất, việc tích hợp các hệ thống giám sát trực tuyến và kiểm soát chất lượng vòng kín có thể tiếp tục ổn định chất lượng hàn và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi hơn của công nghệ hàn laser trong công nghiệp.