Hàn laser là một quỏ trỡnh nung chảy, khi đú cỏc vật liệu tại vựng tiếp giỏp được liờn kết bởi sự nung chảy và đúng rắn trở lại. Cỏc quỏ trỡnh như vậy tạo thành 3 vựng riờng biệt: vựng kim loại gốc là vựng kim loại khụng bị biến đổi bởi quỏ trỡnh hàn, vựng nung chảy bao gồm cỏc vật liệu chảy lỏng trong quỏ trỡnh hàn và vựng ảnh hưởng nhiệt (AHN) bao gồm vật liệu nền bị biến đổi bởi nhiệt.
Trong hàn laser, một vấn đề được quan tõm nhiều nhất là hỡnh thành quỏ trỡnh hàn cú tiờu tốn nhiệt ớt nhất. Từ quan điểm này, phương phỏp hiệu quả nhất là hàn thõm nhập sõu hay cũn gọi là hàn lỗ khúa. Để hỡnh thành hàn lỗ khúa, một chựm laser được hội tụ một trờn bề mặt của chi tiết kim loại, chựm bức xạ lase nung núng kim loại vượt xa hơn điểm chảy của nú. Thường thỡ chất lỏng hấp thụ bức xạ tốt hơn chất rắn, bởi vậy sự gia nhiệt cú thể lờn đến mức một số phần tử kim loại đạt trạng thỏi húa hơi. Kim loại bốc hơi mở ra một hỡnh trụ (được gọi là lỗ khúa) sõu xuống mặt chi tiết, bao lấy dịch lỏng xung quanh với một ỏp suất húa hơi. Sự húa hơi này ion húa và hấp thụ bức xạ tới, chỏy sỏng và phỏt xạ năng lượng tới vật liệu lỏng theo rỡa của lỗ khúa. Vật liệu tại rỡa lỗ cũn hấp thụ năng lượng từ chum laser. Bởi vỡ năng lượng được truyền cho chi tiết theo toàn bộ chiều sõu của lỗ khúa, nờn
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
22
cú thể đạt được sự thõm nhập sõu. Chuyển động tương đối giữa đầu hàn và chi tiết hỡnh thành nờn sự phõn giới bằng cỏch dịch chuyển lỗ khúa trờn bề mặt vật liệu. Lỗ khúa dịch chuyển, dũng chảy lỏng theo bề mặt lựi về phớa sau, tại đú nú sẽ kết tinh lại. Dũng chảy này được dẫn hướng bởi sự biến thiờn nhiệt độ và gõy r a sức căng bề mặt của kim loại chảy lỏng. Khoan lỗ khoỏ cú hiệu quả bởi dũng bốc hơi giữ lại chựm laser, giảm mất mỏt năng lượng do phản xạ và bởi lỗ khúa hoạt động dưới dạng nguồn nhiệt trụ mở rộng dưới bề mặt chi tiết, giảm mất mỏt năng lượng do sự truyền nhiệt ra ngoài vựng chảy lỏng.
Trong hàn laser, vũng hàn được hỡnh thành và ảnh hưởng của dũng chảy lỏng trong vũng hàn là yếu tố rất quan trọng để hiểu rừ cơ chế hàn. Hỡnh 1.12 thể hiện đặc điểm dũng chảy lỏng của vũng hàn. Cỏc lực chớnh để tạo ra dũng chảy lỏng trong vũng hàn núi chung bao gồm: lực nổi, ứng suất di trượt gõy ra bởi gradient sức căng bề mặt tại mặt của vũng hàn, ứng suất trượt do tỏc động của plasma lờn mặt vũng hàn. Với lực nổi, cho rằng mật độ của kim loại lỏng giảm khi tăng nhiệt độ. Bởi vỡ nguồn laser được đặt trờn tõm của bề mặt vũng hàn, kim loại lỏng của núng lờn tại tõm và nguội đi tại rỡa của vũng. Do đú, trọng lực gõy ra kim loại lỏng nặng hơn tại vựng biờn của vũng và kộo nú chỡm xuống. Kết quả, kim loại lỏng tụt xuống theo đường biờn của vũng và đi lờn theo trục chớnh. (hỡnh a). Sự đối lưu hỡnh thành là do lực nụi tạo ra vận tốc cực đại dọc theo trục của vũng, và mặt vũng trở nờn nhỏ hơn ở bờn trờn bề mặt chi tiết do sự gión nở của kim loại nhờ vào nhiệt và chảy lỏng.
Đối với ứng suất trượt sinh ra do gradient sức căng bề mặt, với trường hợp khụng tồn tại tỏc nhõn bề mặt hoạt động, sức căng bề mặt của kim loại lỏng giảm cựng với sự tăng của nhiệt độ, cụ thể là 0
T
. Như thể hiện ở hỡnh (b), kim loại lỏng núng hơn với sức căng bề mặt thấp hơn tại tõm của vũng bị kộo ra bởi kim loại lỏng nguội hơn với sức căng bề mặt lớn hơn tại bề mặt của vũng. Núi cỏch khỏc, một ứng suất trượt bờn ngoài được sinh ra tại mặt vũng bởi gradient sức căng bề mặt theo mặt vũng. Điều đú gõy ra kim loại lỏng chảy từ tõm của vũng đến rỡa và
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
23
quay ngược trở xuống mặt vũng (hỡnh b). Sự đối lưu do sức căng bề mặt cũn được gọi là sự đối lưu mao dẫn nhiệt (đối lưu Marangoni).
Hỡnh 1.12 . Sơ đồ hỡnh thành dũng chảy lỏng trong vũng hàn
Heiple và cộng sự đó đưa ra một mụ hỡnh khỏc, khi một tỏc nhõn bề mặt hoạt động cú mặt trong kim loại lỏng với giỏ trị nhỏ nhưng đỏng kể,
T
cú thể thay đổi từ õm sang dương, bởi vậy đối lưu Marangoni đảo ngược xảy ra và làm cho vũng hàn sõu thờm. Cỏc vớ dụ về nhõn tố bề mặt chủ động trong thộp là S, O, Se, Te. Trong đối lưu Marangoni đảo ngược, kim loại lỏng nguội hơn với sức căng bề mặt thấp hơn tại rỡa vũng bị kộo vào trong bởi kim loại lỏng núng hơn cú sức căng bề mặt lớn hơn tại vựng gần tõm của mặt vũng và mụ hỡnh này đồng thuận với sự truyền nhiệt đối lưu từ nguồn nhiệt tới đỏy vũng.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
24