Laser CW và laser QCW trong hàn

Đặc điểm phân phối năng lượng

Một đặc điểm đáng chú ý của laser CW là phân bố năng lượng Gauss, trong đó phân bố năng lượng của mặt cắt ngang chùm tia laser giảm dần từ tâm ra ngoài theo mô hình Gauss (phân phối chuẩn). Đặc điểm phân bố này cho phép laser CW đạt được độ chính xác hội tụ và hiệu suất xử lý cực cao, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi sự phân bổ năng lượng tập trung.

Biểu đồ phân phối năng lượng laser CW

Ưu điểm của hàn laser sóng liên tục (CW)

Quan điểm vi cấu trúc

Việc kiểm tra cấu trúc vi mô của kim loại cho thấy những ưu điểm nổi bật của hàn laser sóng liên tục (CW) so với hàn xung sóng gần liên tục (QCW). Hàn xung QCW, bị giới hạn bởi tần số, thường khoảng 500Hz, phải đối mặt với sự đánh đổi giữa tốc độ chồng lấn và độ sâu thâm nhập. Tốc độ chồng lấn thấp dẫn đến độ sâu không đủ, trong khi tốc độ chồng lấn cao lại hạn chế tốc độ hàn, làm giảm hiệu suất. Ngược lại, hàn laser CW, thông qua việc lựa chọn đường kính lõi laser và đầu hàn phù hợp, đạt được hiệu quả hàn liên tục và hiệu suất cao. Phương pháp này đặc biệt đáng tin cậy trong các ứng dụng đòi hỏi độ kín khít cao.

Xem xét tác động nhiệt

Xét về tác động nhiệt, hàn laser xung QCW gặp phải vấn đề chồng lấn, dẫn đến việc nung nóng đường hàn nhiều lần. Điều này có thể gây ra sự không đồng nhất giữa cấu trúc vi mô của kim loại và vật liệu gốc, bao gồm sự thay đổi về kích thước sai lệch và tốc độ làm nguội, do đó làm tăng nguy cơ nứt. Mặt khác, hàn laser xung CW tránh được vấn đề này bằng cách cung cấp quy trình nung nóng đồng đều và liên tục hơn.

Dễ dàng điều chỉnh

Về mặt vận hành và hiệu chỉnh, hàn laser QCW đòi hỏi phải tinh chỉnh tỉ mỉ nhiều thông số, bao gồm tần số lặp lại xung, công suất cực đại, độ rộng xung, chu kỳ làm việc, v.v. Hàn laser CW đơn giản hóa quy trình hiệu chỉnh, tập trung chủ yếu vào dạng sóng, tốc độ, công suất và độ lệch tiêu cự, giúp giảm đáng kể khó khăn trong vận hành.

Tiến bộ công nghệ trong hàn laser CW

Mặc dù hàn laser QCW được biết đến với công suất cực đại cao và đầu vào nhiệt thấp, rất phù hợp để hàn các linh kiện nhạy nhiệt và vật liệu có thành cực mỏng, nhưng những tiến bộ trong công nghệ hàn laser CW, đặc biệt là cho các ứng dụng công suất cao (thường trên 500 watt) và hàn xuyên sâu dựa trên hiệu ứng lỗ khóa, đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng và hiệu suất của nó. Loại laser này đặc biệt phù hợp với các vật liệu dày hơn 1mm, đạt được tỷ lệ khung hình cao (trên 8:1) mặc dù đầu vào nhiệt tương đối cao.

Hàn laser sóng liên tục (QCW)

Phân phối năng lượng tập trung

QCW, viết tắt của "Sóng bán liên tục", là công nghệ laser phát ra ánh sáng không liên tục, như được mô tả trong hình a. Không giống như sự phân bố năng lượng đồng đều của laser liên tục đơn mode, laser QCW tập trung năng lượng dày đặc hơn. Đặc tính này mang lại cho laser QCW mật độ năng lượng vượt trội, chuyển thành khả năng xuyên thấu mạnh hơn. Hiệu ứng luyện kim kết quả tương tự như hình dạng "đinh" với tỷ lệ chiều sâu/chiều rộng đáng kể, cho phép laser QCW vượt trội trong các ứng dụng liên quan đến hợp kim có độ phản xạ cao, vật liệu nhạy nhiệt và hàn vi mô chính xác.

Tăng cường độ ổn định và giảm nhiễu chùm khói

Một trong những ưu điểm nổi bật của hàn laser QCW là khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của chùm kim loại lên tốc độ hấp thụ của vật liệu, mang lại quy trình hàn ổn định hơn. Trong quá trình tương tác laser-vật liệu, sự bay hơi mạnh có thể tạo ra hỗn hợp hơi kim loại và plasma phía trên vũng nóng chảy, thường được gọi là chùm kim loại. Chùm kim loại này có thể che chắn bề mặt vật liệu khỏi tia laser, gây ra sự truyền năng lượng không ổn định và các khuyết tật như bắn tóe, điểm nổ và rỗ. Tuy nhiên, việc phát xạ ngắt quãng của laser QCW (ví dụ: xung 5ms tiếp theo là khoảng dừng 10ms) đảm bảo rằng mỗi xung laser tiếp cận bề mặt vật liệu mà không bị ảnh hưởng bởi chùm kim loại, mang lại quy trình hàn ổn định đáng kể, đặc biệt có lợi cho hàn tấm mỏng.

Động lực học của hồ tan chảy ổn định

Động lực của vũng nóng chảy, đặc biệt là về lực tác động lên lỗ khóa, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng mối hàn. Do tiếp xúc kéo dài và vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn, laser liên tục có xu hướng tạo ra các vũng nóng chảy lớn hơn chứa đầy kim loại lỏng. Điều này có thể dẫn đến các khuyết tật liên quan đến vũng nóng chảy lớn, chẳng hạn như sụp lỗ khóa. Ngược lại, năng lượng tập trung và thời gian tương tác ngắn hơn của hàn laser QCW giúp tập trung vũng nóng chảy xung quanh lỗ khóa, dẫn đến sự phân bố lực đồng đều hơn và giảm thiểu hiện tượng rỗ khí, nứt và bắn tóe.