MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu Laser (Ligth amplification by stimulated emission of radiation) là tia sáng có cường độ tập trung năng lượng cao được tạo ra bởi quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, được giới thiệu đầu tiên bởi nhà khoa học Schawlow và Townes vào năm 1960. Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ laser đã dần dần thay thế các công nghệ truyền thống. Với những thuận lợi như: giá trị cường độ năng lượng được điều chỉnh linh hoạt, độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, không ô nhiễm, … vì vậy, những ứng dụng của laser được ưu tiên và sử dụng rộng rãi trong những ngành công nghiệp hiện đại: công nghiệp ô tô và hàng không, công nghiệp điện tử và công nghiệp sản xuất thiết bị y tế [1, 2].
Trong đó, việc sử dụng hàn laser trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau đã tăng lên nhanh chóng với các tính năng độc đáo như nguồn nhiệt đầu vào thấp và chính xác, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, chiều rộng mối hàn hẹp, độ ngấu mối hàn sâu, ứng suất thấp, biến dạng nhỏ, tốc độ hàn cao [2, 3]. Bước sóng của laser CO 2 , Nd:YAG và một số loại khác [4] Hai loại tia laser được sử dụng rộng rãi trong quá trình hàn và xử lý vật liệu là tia laser Carbon Dioxide (CO 2 ) và Neodymium-Doped Yttrium Aluminium Garnet (Nd:YGA), có bước sóng ngoài bước sóng nhìn thấy của mắt người lần lượt là 10. Đối với quá trình hàn và xử lý vật liệu, laser được xem là một nguồn nhiệt có năng lượng cao. Cường độ năng lượng của tia laser có thể điều chỉnh trong một 1 luan an khoảng giá trị từ vài mW đến hàng trăm kW bằng cách điều chỉnh sự hội tụ và phân kỳ của tia laser.
Vì vậy, tia laser được xem như một nguồn nhiệt có năng lượng rất lớn với khoảng điều chỉnh cường độ năng lượng rất rộng là linh hoạt. Hay nói cách khác, tia laser có thể làm bốc hơi bất kỳ loại vật liệu nào và cũng có thể cung cấp một lượng nhiệt mong muốn cho một vật nào đó. Đặc biệt, laser được xem là một nguồn nhiệt dễ tạo ra và rất linh hoạt trong ngành công nghiệp tự động. Do vậy, laser được nhìn nhận như một công nghệ hiện đại đối với các quá trình gia công và xử lý vật liệu như: tôi cứng bề mặt, hàn, khoan, tạo hình, …[3].
Lý do chọn đề tài Hàn tia laser cũng là một quá trình hàn với mật độ năng lượng cao, trong đó sử dụng hiện tượng phóng dòng điện cao áp để kích thích hỗn hợp khí He, N 2 và CO 2 nhằm tạo ra tia sáng có bước sóng không đổi. Tia laser này còn được khuếch đại bởi phản xạ liên tiếp giữa hai gương song song. Một trong hai gương này sẽ truyền một phần và cho phép tia thoát ra, tạo nên chùm tia laser. Để tránh quá nhiệt, hỗn hợp khí được bổ sung liên tục.
Các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi chùm tia laser có công suất đến 5 kW. Chùm tia laser được hội tụ vào vật hàn bởi một gương hội tụ và để có đạt được chất lượng hàn cần thiết, mật độ năng lượng và tốc độ hàn phải tương ứng với loại vật liệu cần hàn và chiều dày tấm. Kích thước nhỏ của điểm hội tụ đòi ̉ hòi kiểm soát chính xác việc gá lắp trước khi hàn. Ta có thể sử dụng dây hàn bổ̉̉ sung, mặc dù đây là quá trình cho phép hàn ngấu không cần vật liệu bổ sung các tấm có chiều dày khá lớn.
Khi hàn cần sử dụng khí bảo vệ đối với vũng hàn, tuy nhiên chỉ có những loại khí bảo vệ có thế năng ion hóa cao như helium mới cho phép ngăn được việc hình thành các đám mây hơi plasma phía trên vũng hàn, mà có thể làm giảm mật độ năng lượng của tia laser. Hàn tia laser có nhiều đặc điểm giống với hàn tia điện tử, kể cả chi phí mua sắm thiết bị cao. Tuy nhiên có thể đưa tia laser đi xa vài mét từ nguồn tia mà không có tổn thất năng lượng, với độ linh hoạt cao, cho phép ứng dụng cao trong hàn tự động năng suất cao. Hàn tia laser có thể sánh với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ đối với chiều dày tấm dưới 10 mm và với hàn tia điện tử đối với chiều dày tấm dưới 25 mm.
Tuy nhiên so với hàn tia điện tử, hàn tia laser có lợi hơn do không cần chân không và đòi hỏi độ chính xác gá lắp cũng nhỏ hơn. 2 luan an Trong lĩnh vực nghiên cứu cũng như trong thực tế sản xuất của quá trình hàn, vấn đề hết sức quan tâm là việc lựa chọn, kiểm soát thông số đầu vào (vật liệu, bề dày vật hàn, công suất, hệ số hấp thụ, tốc độ hàn, .) và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số đó đến hình học mối hàn (bề rộng vùng hàn, độ ngấu mối hàn), đặc trưng cho chất lượng mối hàn, liên quan tính chất cơ học của mối hàn [5]: Thông số đầu vào: Vật liệu, bề dày vật hàn, công suất laser, hệ số hấp thụ, tốc độ hàn, đường kính sợi quang, …. Nguyên lý hàn laser [6] Quá trình thực hiện mối hàn laser [7] Một số sản phẩm ứng dụng hàn laser [8] [9] Thông số đầu ra: bề rộng vùng hàn, độ ngấu mối hàn,. Macro mặt cắt ngang mối hàn laser [10] Biểu đồ thử kéo mối hàn laser [11] 3 luan an 3.
Mục đích đề tài Chọn giải pháp đánh giá chính xác thông số đầu vào nhằm đảm bảo mối hàn đạt yêu cầu về cơ tính, đáp ứng điều kiện làm việc. Nếu không: mối hàn không ngấu, bị thủng, …. Chọn giải pháp đánh giá độ tin cậy phương pháp số cho mối hàn cụ thể 4. Đối tượng nghiên cứu Mối hàn laser cho thép AISI 304, AISI 416 và AISI 440FSe, AISI 1018 Phương pháp tuần tự, thuật toán tối ưu hóa ngẫu nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn với h- refinement và p- refinement 5.
Phạm vi nghiên cứu Phương pháp tuần tự được sử dụng trong việc xác định ngược giá trị hệ số hấp thu của mối hàn điểm laser cho thép không gỉ AISI 304 Ba thuật toán GA, Jaya & MDE áp dụng cho việc tối ưu hóa thông số đầu vào (công suất laser, tốc độ hàn, đường kính sợi quang) của mối hàn laser cho thép không gỉ AISI 416 và AISI 440FSe để đạt được bề rộng & độ ngấu của mối hàn (bề rộng & độ ngấu của mối hàn được cài đặt trước) Đánh giá độ tin cậy phương pháp phần tử hữu hạn với h- refinement và p- refinement cho mối hàn giáp mối thép AISI 1018 bằng laser 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nhằm tận dụng tính độc đáo, ưu thế của công nghệ hàn laser, và là cơ sở phát triển kỹ thuật hàn laser hơn nữa trong công nghiệp, vấn đề đánh giá chất lượng mối hàn được xem xét dưới góc độ thông qua việc phân tích mối hàn ở trạng thái tới hạn và đánh giá độ tin cậy. Đề tài luận án đã sử dụng phương pháp tuần tự để xác định ngược giá trị hấp thụ & tiên đoán kích thước mối hàn điềm laser; thuật toán tối ưu GA, Jaya & MDE thực hiện lựa chọn thông số đầu vào như công suất laser, tốc độ hàn, đường kính sợi quang được tối ưu nhằm đạt được kích thước mối hàn theo mong muốn; và phương pháp phần tử hữu hạn với h- refinement, p- refinement trong việc giải quyết bài toán đánh giá độ tin cậy cho mối hàn giáp thép bằng laser. 4 luan an Kết quả đề tài luận án là cơ sở để phát triển các bài toán phức tạp hơn, thậm chí cả bài toán 3D, cũng như áp dụng có các vật liệu khác nhau.
Đồng thời, luận án cũng góp phần rút ngắn khoảng cách giữa mô phỏng và thực nghiệm; nhằm tiết kiệm vật liệu, công sức, thời gian; đem lại hiệu quả, năng suất cao trong tiến hành thí nghiệm và thực tế sản xuất. 5 luan an Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu đánh giá mật độ dòng nhiệt laser của mối hàn điểm bằng phương pháp tuần tự Trong những thập niên gần đây, cùng với nghiên cứu thực nghiệm, nhiều nghiên cứu đã đề xuất những mô hình lý thuyết (mô hình toán học) trong tiên đoán (mô phỏng) sự phân bố nhiệt và chu kỳ nhiệt của những quá trình hàn và xử lý vật liệu bằng laser.
Một trong những khó khăn lớn nhất đối với việc mô hình toán học hàn laser là xây dựng hàm phân bố năng lượng của tia laser. Đầu tiên, dựa trên lý thuyết cơ bản về dòng nhiệt (heat flow) của nguồn nhiệt di chuyển, Rosenthal [12] đã đưa ra mô hình lý thuyết với nguồn nhiệt dạng đường và điểm để tiên đoán sự phân bố nhiệt và chu kỳ nhiệt của một vật được tia laser gia nhiệt. Tuy nhiên, mô hình của Rosenthal [12] tồn tại sai số rất lớn đối với thông số nhiệt độ tại những vị trí gần tia laser gia nhiệt, sát và bên trong vũng hàn (weld pool). Để khắc phục nhược điểm này, Pavelic và cộng sự [13]; Friedman [14] đã đưa ra mô hình đĩa (disc model) với sự phân bố nhiệt theo phân bố Gauss trên bề mặt của chi tiết (được gia nhiệt bởi tia laser) kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method – FEM).
Những kết quả mô phỏng cho thấy rằng độ chính xác của sự phân bố nhiệt độ trong hố hàn được cải thiện rất lớn so với kết quả từ mô hình của Rosenthal. Sau đó, Goldak et al. Mô hình này có độ chính xác cao và được sử dụng rộng rãi. Đối với quá trình hàn laser có chiều sâu thấm lớn, mô hình nguồn nhiệt thể tích phân bố Gauss hình nón (the volume heat source with Gaussian conical profile) được sử dụng [17, 18].
Gần đây, Yadaiah và Bag [19] đã đề xuất một mô hình nguồn nhiệt hình quả trứng (egg-configuration heat source model). Mô hình này có thể xem là một dạng tổng quát của tất cả nguồn nhiệt trước đó. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các thông số quan trọng của quá trình hàn hoặc xử lý vật liệu bằng laser cũng được các nhà khoa học quan tâm. Như được trình bày trong [3], công suất tia laser, hệ số hấp thu, kiểu tia laser, tốc độ tiến, bước sóng laser và điều kiện bề mặt của chi tiết là những thông số quan trọng của quá trình hàn và xử lý vật liệu bằng laser.