Laser CW và laser QCW trong hàn

Đặc điểm phân bố năng lượng

Một đặc điểm nổi bật của laser CW là sự phân bố năng lượng theo dạng Gaussian, trong đó sự phân bố năng lượng của mặt cắt ngang chùm tia laser giảm dần từ tâm ra ngoài theo dạng Gaussian (phân bố chuẩn). Đặc điểm phân bố này cho phép laser CW đạt được độ chính xác hội tụ và hiệu quả xử lý cực cao, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu triển khai năng lượng tập trung.

Sơ đồ phân bố năng lượng laser CW

Ưu điểm của hàn laser sóng liên tục (CW)

Góc nhìn vi cấu trúc

Việc kiểm tra cấu trúc vi mô của kim loại cho thấy những ưu điểm rõ rệt của hàn laser sóng liên tục (CW) so với hàn xung sóng bán liên tục (QCW). Hàn xung QCW, bị hạn chế bởi tần số, thường khoảng 500Hz, phải đối mặt với sự đánh đổi giữa tỷ lệ chồng lấp và độ sâu xuyên thấu. Tỷ lệ chồng lấp thấp dẫn đến độ sâu không đủ, trong khi tỷ lệ chồng lấp cao hạn chế tốc độ hàn, làm giảm hiệu quả. 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. Phương pháp này tỏ ra đặc biệt đáng tin cậy trong các ứng dụng yêu cầu độ kín khít cao.

Xem xét tác động nhiệt

Xét về tác động nhiệt, hàn laser xung QCW gặp phải vấn đề chồng lấp, dẫn đến việc nung nóng lặp đi lặp lại đường hàn. Điều này có thể gây ra sự không nhất quán giữa cấu trúc vi mô của kim loại và vật liệu nền, bao gồm sự khác biệt về kích thước lệch mạng và tốc độ làm nguội, do đó làm tăng nguy cơ nứt. Ngược lại, hàn laser CW khắc phục được vấn đề này bằng cách cung cấp quá trình nung nóng đồng đều và liên tục hơn.

Dễ dàng điều chỉnh

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

Tiến bộ công nghệ trong hàn laser sóng liên tục

Trong khi hàn laser QCW nổi tiếng với công suất đỉnh cao và lượng nhiệt đầu vào thấp, có lợi cho việc hàn các linh kiện nhạy nhiệt và vật liệu thành cực mỏng, những tiến bộ trong công nghệ hàn laser CW, đặc biệt là đối với 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 quả của nó. Loại laser này đặc biệt phù hợp với các vật liệu dày hơn 1mm, đạt được tỷ lệ chiều dài/chiều rộng cao (trên 8:1) mặc dù lượng nhiệt đầu vào tương đối cao.

Hàn laser sóng bán liên tục (QCW)

Phân bổ năng lượng tập trung

QCW, viết tắt của "Quasi-Continuous Wave" (Sóng bán liên tục), là công nghệ laser phát ra ánh sáng một cách không liên tục, như thể hiện trong hình a. Không giống như sự phân bố năng lượng đồng đều của các laser đơn mode liên tục, laser QCW tập trung năng lượng dày đặc hơn. Đặc điểm này mang lại cho laser QCW mật độ năng lượng vượt trội, dẫn đến khả năng xuyên thấu mạnh hơn. Hiệu ứng luyện kim thu được tương tự như hình "đinh" với tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng đáng kể, cho phép laser QCW hoạt động hiệu quả 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 do khói thải gây ra.

Một trong những ưu điểm nổi bật của hàn laser QCW là khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của đám khói kim loại lên tốc độ hấp thụ của vật liệu, dẫn đến quy trình ổn định hơn. Trong quá trình tương tác giữa laser và 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 đám khói kim loại. Đám khói này có thể che chắn bề mặt vật liệu khỏi laser, gây ra sự phân phối năng lượng không ổn định và các khuyết tật như bắn tóe, điểm nổ và rỗ. Tuy nhiên, sự phát xạ gián đoạn của laser QCW (ví dụ: một xung 5ms tiếp theo là khoảng dừng 10ms) đảm bảo rằng mỗi xung laser đều đến được bề mặt vật liệu mà không bị ảnh hưởng bởi đám khói kim loại, dẫn đến quy trình hàn ổn định đáng kể, đặc biệt có lợi cho việc hàn các tấm mỏng.

Động lực học bể nóng chảy ổn định

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