Phương pháp gia công bằng tia Laser

BÀI THUYẾT TRÌNH NHÓM 3 Các thành viên: Nguyễn Văn Đoàn CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER MỤC LỤC : I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên II.Nguyên Lý Gia Công III.Thiết Bị và Dụng Cụ IV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ. V.Đặc Điểm và Dụng Cụ. I. KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN I.1.KHÁI NIỆM: Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser được sử dụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà trong tương lai gần trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong gia công kim loại. Hiện tại thì có thể sử dụng thành công trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệ hàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung. Năng lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có đường kính khoảng 0.01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công, nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu. Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng. I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser. Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG CHÙM TIA LASER Máy gia công bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay phương pháp này thực sự có giá trị trong gia công cơ khí. Từ laser là viết tắt các chữ đầu của các từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – Sự khuyết đại ánh sáng bằng bức xạ của chất phóng xạ. Loại vật liệu có thể gia công được làm từ tia laser không phụ thuộc vào độ dài sóng. Năng lượng của chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó bay hơi đi. Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình… Gia công bằng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lý hoạt dộng của chùm tia laser được trình bày trên hình 5.1 2 5 4 1 3 Tia laser Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của chùm tia laser 1. Môi trường hoạt tính. 2.Nguồn ánh sáng kích thich. 3. Buồng cộng hưởng quang học. 4. Gương phản xạ toàn phần (độ phản xạ ánh sáng 100%) 5. Gương phản xạ bán phần trong suốt (độ phản xạ ánh sáng 50%). Trên hình 2.1 có thể thấy một không gian quang học 3. Trong không gian này ở hai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là môi trường hoạt tính 1 (hay thanh laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi đèn số 2 ở trạng thái ổn định, những proton được phóng ra và hướng vào trục quang họccủa thanh laser. Các proton này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nối kết nhau về pha cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ năng lượng để rời khỏi thanh laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá trình nhân proton. Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hình thành một chùm tia nối tiếp nhau. Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm, nếu đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên đến 80000C trong 1ms. Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình: - Hình 2.2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M: Hình 5.2 Nguyên lý gia công chùm tia laser. 2)Buồng phản xạ ánh sáng 3) Đèn phát xung 4) Thanh hồng ngọc 5) Gương phản xạ toàn phần 6) Gương phản xạ 50% 7) Thấu kính hội tụ 8) Chi tiết gia công 9) Bàn gá 10) Tế bào quang điện - Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở trong bộ phận phản xạ ánh sáng 2 ( tiết diện ngang hình elip) - Khi đèn 3 phát sáng ,toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồng ngọc 4. - Những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử. - Nhờ hệ dao động của các gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hồng ngọc và kích các ion Cr+3 khác để rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử. - Gương 5 có dộ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương 6 gần 50%. Nhờ đó, một mặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại và qua hệ thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy. - Chùm tia nhận được qua gương 6sẽ được tập trung bởi hệ quang học 7 và tác dụng lên chi tiết gia công 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả năng di chuyển tọa độ theo 3 phương X, Y, Z. - Khi tập trung tia laser vào vị trí gia công cần chọn hệ thống quang học và chế độ gia công như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của chùm tia, tiêu cự của hệ thống quang học và số xung laser. - Quá trỉnh tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công được chia ra các giai đoạn sau: + Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng. + Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phương tác dụng của chùm tia kể từ bề mặt tác dụng … + Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của chùm tia laser. + Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong Hình 2.3. Cắt bằng tia laser III. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ III.1.Các loại Laser: Có nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thông thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên môi trương hoạt tính của chúng. Có thể chia laser thành bốn loại chính như sau: laser rắn, laser bán dẫn. laser lỏng và laser khí. *Laser bán dẫn: Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali,…). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được. *Laser rắn: Trong laser rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, … *Laser khí: Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, … So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ laser trong chất khí rất cao. Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt. Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen. Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một chất nhị trùng *Laser lỏng: Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun. Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser. *Laser Gama: Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun. Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser. Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác. Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser. III.2.Cấu tạo máy laser: Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ tồn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý máy laser Hình 3.1. sơ đồ nguyên lý máy laser *Máy Laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: III.2.1.Môi Trường Hoạt Tính: Môi trường hoạt tính là bộ phận quan trọng- “ trái tim của laser “ có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Môi trường hoạt tính của laser có thể dùng các chât - Môi trường hoạt tính Khí - Môi trường hoạt tính Rắn - Môi trường hoạt tính Bán Dẫn Máy phát Tia laser Cửa sổ ống chứa khí Gương phản xạ Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý laser khí III.2.2. Nguồn kích thích: Gương Thanh hoạt tính A C B D Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức năng lượng cao. Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính một năng lượng. Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính. Hình 3.3. Các loại nguồn kích thích. Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh sáng gồm một hay nhiều đèn xenon. Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trường hoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu. Đối với thanh hoạt tính hình trụ hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn. Hình 3.4 Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P. Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa. Đối với dòng điện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí. Phôi Vòi phun Khí Vòi phun Khí Thấu kính hội tụ Tia laser Bộ cộng hưởng quang học : sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nên một phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc. Hình 3.6. vòi phun khí điển hình Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt phản chiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi. Một trong hai gương kia phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống. Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính. Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng. V2 V1 V2 V1 Môi trường hoạt tính Lăng kinhs kính Gương phẳng Hình 3.5. Bộ cộng hưởng quang học. Vậy về nguyên lý, gia công bằng tia laser rất đơn giản. Bằng cách tập trung năng lượng tại một điểm trong vùng gia công, mật độ năng lượng tại điểm đó sẽ tăng lên rất cao, và do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao. Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹ thuật mà nhiệt độ sẽ được đều chỉnh cho phù hợp. Nguôn điện Lăng kính Hệ thống làm lạnh Ñeøn oáng Gương phản xạ bán phần Laser rắn hoặc khí Tia laser đi ra Bao kín bề mặt Hình 3.7. Sơ đồ máy laser khí. III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm: + Máy phát tia laser: Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục. Tuỳ theo nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ, và chế độ hoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung. Hình 3.8. Máy tạo laser năng lượng cao HL 4006 D. + Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ. Đèn kích thích Thấu kính Chi tiết Chùm tia hội tụ trên chi tiết Bộ dao động quang học Gương phản xạ Tia laser đi ra Hình 3.9. Sô đồ máy laser rắn. + Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Một số máy phát laser. Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 3.10 giới thiệu sô đồ máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn bức xạ được cung cấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện. Mặt khác thanh hồng ngọc được đặt trong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch. Thanh hồng ngọc được đặt cố định bằng một lò xo. Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra và hướng ra ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc. 5 10 4 6 7 8 9 2 3 1 Bộ cung cấp và điều khiển điện Buồng phản xạ ánh sáng. Đèn phát xung. Thanh hồng ngọc. Gương phản xạ toàn phần. Gương phản xạ bán phần. Thấu kính hội tụ Chi tiết Bàn Gá. Tế bào quang điện Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M. Trên hình 3.11 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác. Thanh hồng ngọc 8 có Æ = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha phản xạ có đặt 1 đèn xung dùng khí trô xênon 7 dạng bút chì dài 76 (mm), được cấp 1 dòng điện xung từ phía ngoài gồm tụ điện 4 với điện dung 400 mF và cuộc cảm 3 được nối với biến thế 6 tạo xung với điện thế 14 (kV). Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụ phóng. 6 4 3 5 7 8 1 2 Hình 3.11. Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác. a. Với đèn bức xạ chuyên dùng. b. Với gương phản xạ hình elíp. Khi một vật bị kích thích bởi một nguồn năng lượng từ bên ngoài, các nguyên tố hoạt tính trong năng lượng đó được đưa lên một mức năng lượng cao hơn, nhưng ở mức năng lượng này độ bền vững rất kém nên khi ngưng kích thích thì chúng có xu hướng tụt xuống mức năng lượng thấp hơn. Lúc đó thế năng của chúng giảm đi, đồng thời mỗi nguyên tử hoạt tính phát ra 1 hoặc 2 lượng tử tuỳ theo quá trình tụt xuống là tự phát hay cươõng bức. Trên cô sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận chính: Đầu tia phát laser. Bộ phận cung cấp và điều khiển điện. Bộ phận gá đặt chi tiết gia công. Để tạo tia laser trên vật thể rắn ta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chất khác nhau hoặc thủy tinh với các tạp chất của các nguyên tố hiếm, ví dụ: tinh thể hồng ngọc (rubi), thủy tinh (Nd), … Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1 cho trong hình 3.12. 4 7 3 2 1 5 6 Máy phát quang lượng tử Màng ngăn. Oáng ngaém. Vật kính của kính hiển vi Tấm kính bảo vệ. Chi tiết gia công. Bộ nguồn Hình 3.12. Sô đồ máy phát laser kiểm MLC-1. Các phương pháp tập trung chùm laser. Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Hiện nay thường dùng các biện pháp sau: *Dùng thấu kính hội tụ. Khi dùng thấu kính cầu (hình 3.13a) thì tia laser tập trung trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu cung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạng yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình dáng phức tạp. Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 3.13b) vết tập trung sẽ có dạng dài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, … 1 2 3 3 2 1 a b Phương pháp này có ưu điểm là tập trung tồn bộ năng lượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân bố không đều, càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bó côn hoặc hẹp dần theo chiều sâu. Hình 3.13. Các biện pháp tạo mật độ năng lượng cao dùng thấu kính cầu và thấu kính hình trụ. 1. Nguồn sáng. 2. Thấu kính hội tụ. 3. Vật gia công. *Dùng hệ thống chiếu ảnh. Để khắc phục nhược điểm trên, đồng thời dễ dàng tạo ra những mặt định hình phức tạp có kích thước nhỏ có thể sử dụng phương pháp tập trung chùm tia bằng hệ thống những thấu kính và màn chắn tương tự như hệ thống chiếu ảnh (hình 3.14). Với phương pháp này có thể tạo ra vết tập trung có hình dạng bất kỳ, mật độ năng lượng phân bố đều hôn nên hạn chế được nhược điểm trên, nhưng một phần năng lượng chùm tia bị mất mát qua các màn chắn, làm giảm hiệu suất năng lượng chùm tia. F’ F’’ L1 F F1 L4 DM D Do D1 2 3 4 5 1 Hình 3.14. Tập trung chùm tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ. Kích thước gia công phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, mật độ năng lượng chùm tia, tính chất của hệ thống tập trung năng lượng, thời gian tác dụng chùm tia vào vật gia công hoặc số lượng xung, … Sau khi tập trung, mật độ năng lượng của chùm tia phân bố không đều trên vết tập trung của nó. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả thì mật độ năng lượng của chùm tia sau khi tập trung phân bố theo quy luật chuẩn (Gauss) như hình 3.15 Do F qo 2ro r r q Hình 3.15. Sự phân bố mật độ năng lượng của chùm tia tại vị trí tác dụng. Hiện nay, gia công lỗ nhỏ bằng chùm tia laser rất có hiệu quả. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể đạt đến d = 4 mm. Nhờ laser không những có thể gia công được kim loại, mà còn gia công được lỗ nhỏ d = 0.025¸0,25 mm trên những thạch anh, sứ, thủy tinh … IV.Các thông số và khả năng công nghệ. Do laser có tính định hướng và khả năng hội tụ cao nên có thể dùng để gia công các vật liệu rắn như thép không rỉ, titan và hợp kim titan, vonfram, thủy tinh, sứ … Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính từ 100 mm đến 250 mm. Cường độ ánh sáng đaõ được tập trung bằng lăng kính lớn gấp 40 lần cường độ ánh sáng mặt trời. Để khoan những lỗ nhỏ hơn phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cô khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 đến 5 mm. Quá trình gia công bằng tia laser có thể tách làm hai pha: Ánh sáng laser bóc đi lớp bề mặt có khả năng phản chiếu lớn. Sau đó vật liệu có màu tối hơn hấp thụ năng lượng của chùm tia laser. Trong giai đoạn sau quá trình phát sáng tăng lên rất nhanh và nhiệt độ tỏa ra mọi hướng từ lỗ khoan. Từ đó có thể thấy rằng đường kính của các lỗ sẽ lớn hơn đường kính của tia laser. Sự khác biệt càng lớn nếu thời gian chiếu một xung càng dài. Tuỳ thuộc vào tốc độ cung cấp năng lượng mà quá trình đun nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi có thể dieãn ra hay không. Quá trình điều chỉnh này thông thường được diễn ra bằng cách thay đổi thời gian xung của tia laser (hình 4.1) Biến thiên của năng lượng và thời gian xung có thể biểu thò bằng một tập hợp đường cong phù hợp với các đặc tính của vật liệu. Năng lượng tích lũy trong nguồn phát có thể tối đa là 6000 W.s và đỉnh cao của công suất là 5000 W. Đối với laser hồng ngọc thì năng lượng bức xạ là 30 J, thời gia keùo dài xung được điều chỉnh trong các mức 1,3,5,7 … ms. Tần số xung là 12 xung/phút. 1 2 3 Hình 4.1. Quan hệ giữa năng lượng và thời gian xung. 1. bốc hơi. 2. Nóng chảy. 3. Nung nóng Với laser CO2 người ta có thể gia công đồng thời 4 tấm vật liệu 5x5 cm với tốc độ cắt gần 10 m/phút. Năng lượng bức xạ của các máy phát laser kiểu công nghiệp không lớn lắm, thường từ 10 ¸ 100 J và hiệu suất khoảng từ 0,1 ¸ 1%. Trên hình 4.2. Trình bày mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ. 0,25 0,37 0,50 0,63 10-4 2.10-3 5.10-3 10-2 100 10 1 0,1 25.10-4 25.10-3 0,25 2,5 E (J) S (mm) d (mm) s Hình 4.2. Quan hệ giữa các yếu tố công nghệ. Quan hệ chiều dài tấm đồng có thể hàn được với thời gian tồn tại của xung laser khi đường kính vết hàn n = 0,7 mm. Quan hệ của năng lượng chùm tia với dây hàn. IV.1.Các đặc tính về nhiệt của phôi. Khi một tia laser chiếu vào phôi, sự chuyển đổi năng lượng ban đầu thành dạng nhiệt có giới hạn ở một lớp vật liệu rất mỏng (100 ¸ 200 Ac). Năng lượng vừa hấp thụ sẽ chuyển đổi thành nhiệt năng sẽ làm thay đổi trạng thái vật lý của phôi và phụ thuộc vào mật độ năng lượng của tia. Một phần vật liệu sẽ nóng lên chảy ra và bốc hơi. Hình 4.3 thể hiện phần trăm hấp thu năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ với những thay đổi khác nhau của vật liệu. Sự nóng lên, chảy ra và bốc hơi của vật liệu dưới tác động của tia laser phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt và lượng nhiệt trên 1 đơn vị thể tích có trên vật liệu. Tốc độ nung nóng tỉ lệ nghịch với nhiệt lượng trên một đơn vị thể tích, vì thế yếu tố quan trọng của dòng nhiệt là độ khuyếch tán nhiệt của vật liệu gia công. Giá trò này quyết định đến tốc độ mà một vật liệu sẽ nhận và truyền dẫn năng lượng và độ khuyếch tán nhiệt cao sẽ cho nhiệt độ xuyên nóng chảy lớn hơn với nguy cơ rạn nứt nhỏ. 100 105 107 50 10 Vuøng caét Vuøng haøn Vuøng xöû lyù nhieät Hình 4.3. Cường độ hấp thụ năng lượng laser theo nhiệt độ. Lượng nhiệt được tạo bởi tia laser trên bề mặt sẽ bị giảm nhanh theo hướng chiều sâu bên trong của vật liệu, và vì vậy tốc độ nguội nhanh. ở một số kim loại tốc độ này là 106 oC/s. Sự nguội nhanh này tạo ra kết quả là các ảnh hưởng do nhiệt nhỏ nhất, vì sự khuyếch tán nhiệt chậm hơn sự lan truyền từ vùng được xử lý. Tuy nhiên sự nguội nhanh có thể tạo ra các hiệu ứng xấu ở một số kim loại. Làm nguội nhanh ngăn cản sự trộn lẫn đều về hóa học và các mối hàn dễ gãy. IV.2.Các thông số trong cắt laser đối với kim loại. Năng lượng của tia laser được hấp thụ bởi mặt phẳng của kim loại được gia công và năng lượng này sẽ được chuyển vào vùng cắt dưới dạng nhiệt, năng lượng này sẽ gia tăng nhiệt độ tới điểm nóng chảy và bay hơi. Một dòng khí có áp suất cao được thoåi vào vùng cắt để thoåi kim loại nóng chảy và hôi kim loại ra khỏi vùng nóng chảy. Di chuyển tia laser dạng liên tục hay dạng xung dọc theo một quỹ đạo ta sẽ nhận được một vết cắt. Bề rộng của vết cắt, chất lượng của cạnh cắt, các phụ phẩm (như xỉ) tập trung phụ thuộc vào sự lựa chọn tia, chất lượng tia, năng lượng phân bố và kiểu di chuyển gia công (tia di chuyển, phôi di chuyển, hay kết hợp sự di chuyển của cả hai). Một điều dễ thấy là: độ sâu cắt tỉ lệ thuận với năng lượng cắt và tỉ lệ nghịch với tốc độ cắt. Như vậy năng lượng cắt gấp đôi sẽ tạo ra chiều sâu cắt gấp đôi. Do vậy bề dày cắt lớn nhất là hàm của năng lượng cắt, tốc độ cắt và yêu cầu của chất lượng cắt. Hiện nay bề dày 25 mm (1 inch) được xem là bề dày lớn nhất của các loại hợp kim thép mà người ta có thể cắt được. Khoảng bề dày cắt có hiệu quả kinh tế cao nhất lên tới 12,5 mm các kim loại phản xạ ánh sáng laser với phần trăm gia tăng tương ứng khi bước sóng của tia tăng với mật độ năng lượng cao được tạo bởi các tia laser CO2 năng lượng cao sẽ khắc phục được những ảnh hưởng của phản xạ này. Các tia laser bước sóng ngắn hôn như Nd:YAG sẽ không phải chịu những ảnh hưởng này do bước sóng ngắn nên phần lớn năng lượng của chúng bị hấp thụ. Khi cắt bằng laser, một thông số quan trọng là bề rộng vết cắt thông thường bằng hoặc lớn hơn tia laser một chút, nên việc điều khiển tia laser rất quan trọng. Bề rộng đường cắt là hàm số của các yếu tố như chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí đến không gian và tốc độ cắt. Bảng 1. Các bề rộng cắt điển hình khi cắt bằng laser CO2. Vật liệu Chiều dày(mm) Bề rộng vết cắt(mm) Theùp Cacbon 1,5 0,05 2,25 0,12 3,12 0,20 6,25 0,30 Nhôm 2,25 0,25 Chất đều < 4,0 2 lần đường kính tia Khi cắt với laser CO2 liên tục có thể tạo ra các giá trò độ nhám trên bề mặt vết cắt từ 8 ¸ 15 mm đối với thép cán nguội có bề dày 1,6 mm và từ 30 ¸ 50 mm với thép lá. Với việc dùng ôxy để hỗ trợ cắt, độ nhám khi cắt thép không rỉ thường là 30 ¸ 50 mm. Bảng 2. Các giá trò độ nhám bề mắt khi cắt laser với oxy. Vật liệu Bề dày(mm) Độ nhám bề mặt(mm) Theùp không rỉ 1 30 2 35 3 50 Theùp cán nguội 1 8 2 10 3 15 Theùp lá 1 30 2 30 3 35 Sự điều khiển tiêu điểm tia, vị trí tiêu điểm và tốc độ cắt tạo ra những sự khác nhau về độ cứng mà gần như không thể nhận biết được với các loại thép có bề dày lên tới 2 mm. Những tia tăng nhỏ về độ cứng và độ sâu 0,1 ¸ 0,2 mm (tính từ bề mặt) là phoå biến. Với việc cắt bằng laser CO2 dạng xung, giá trò độ sâu này nhỏ hơn 0,1mm và làm cho loại này trở nên có lợi đối với các loại dụng cụ sử dụng đầu nút. Bảng 5.8 thể hiện các giá trò điển hình ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt độ của các loại thép lá. Bảng 3. Vùng chịu ảnh hưởng của các loại thép lá. Bề dày của vật liệu (mm) Vùng ảnh hưởng nhiệt(laser dạng liên tục)(mm) Vùng ảnh hưởng nhiệt(laser dạng xung)(mm) 4 0,50 0,15 3 0,37 0,15 2 0,10 0,12 1 0,75 0,07 Các giá trò về tốc độ cắt các kim loại thường được được đưa ra là các dữ liệu được đo dưới điều kiện lý tưởng. Trên thực tế, tốc độ cắt thay đổi theo bề dày của thép cần cắt được thể hiện hình dưới với các mức năng lượng là 1000 W và 500 W. Việc thực hiện cắt đối với một số kim loại khác với bề dày khác nhau. Bảng 4 cũng cho biết các giá trò về tốc độ cắt theo bề dày của các kim loại khác khi cắt laser Nd:YAG dạng liên tục và dạng xung. Bảng 4. Các tốc độ cắt kim loại không chứa sắt của laser CO2 và Nd:YAG. Vật liệu CO2 (1500w) Nd:YAG Bề dày(mm) Tốc độ(m/ph) Bề dày(mm) Tốc độ(m/ph) Năng lượng (W) Đồng 1 2,25 2 0,75 3 0,35 Nhôm 1 8 1,5 2,5 1000 2 4 2,5 1,0 1000 3 1,5 3,5 0,5 1000 Titan 1 6 0,4 1,0 150 2 3 Vônfam 0,08 0,03 250 Đồng thau 1 3 2 1,5 Hợp kim 2,5 2,8 Hợp kim X 0,08 0,5 150 Inconel 718 4 1,1 IV.3.Các thông số công nghệ trong cắt phi kim. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 Chiều dày (mm) Toác ñoä (m/s) Caét theùp laù vôùi khí oâxy. : 1500 – W CO2 : : 1000 – W CO2 : 1750 –W Nd:YAG Năng lượng tia hội tụ với một bước sóng mà dễ dàng được hấp thụ bởi vật liệu để quá trình nóng chảy và bay hơi có thể xảy ra. Một thiết bị để phun khí thường là vòi phun (không khí neùn) để thoåi các sản phẩm phụ ra khỏi vùng cắt, một thiết bị để tùy theo vết cắt có dạng prôphin bất kỳ. Các hiệu ứng nhiệt còn lại (do phi kim dẫn nhiệt kém) của quá trình này làm xuất hiện nhiều khó khăn hơn so với cắt kim loại và giới hạn các ứng dụng của laser trong việc xử lý phi kim loại. Hình 4.4. Biểu đồ tốc độ cắt thép lá của Laser CO2 và Nd:YAG. Khi chịu tác động nhiệt của tia laser, giấy, gỗ và các vật liệu xenlulô phải trải qua một quá trình bốc hơi được gây ra bởi sự cháy. Tốc độ cắt phụ thuộc vào năng lượng laser, bề dày vật liệu, các thành phần khí, nước trong vật liệu các vật liệu polime nhiệt đều được cắt bởi sự nóng chảy và đẩy các vật liệu nóng chảy ra khỏi vùng cắt. Tốc độ cắt cũng phụ thuộc vào năng lượng laser, bề dày vật liệu, áp suất khí được dùng để thoåi. Các polime có thể được cắt bằng sự đốt cháy hay phân raõ hoá học bao gồm các chất nhiệt đều chịu nhiệt, êpoxi, phenol tốc độ cắt được quyết định bởi năng lượng laser. Tốc độ cắt cho các loại chịu nhiệt cao hơn so với các loại polime khác do sự thay đổi pha để bốc hơi. Các vật liệu composit có thể dễ dàng cắt, nhưng vết cắt tạo ra có chất lượng cao hay không còn phụ thuộc vào tính nhạy về nhiệt của loại vật liệu kết hợp. Nói chung thực nghiệm cho thấy việc cắt vật liệu composit bằng quá trình cắt khác có dòng chất lỏng áp suất cao có hiệu quả hơn là cắt bằng laser . Các quá trình cắt phi kim bằng laser chỉ đòi hỏi một năng lượng vừa phải. Vì thế giới hạn duy nhất đến chiều sâu cắt là yêu cầu chất lượng của vết cắt. Trong thực tế, phần lớn các ứng dụng cắt bằng laser dùng cho vật liệu có bề dày ít hơn 12 mm. Bảng 5. Tốc độ cắt vật liệu phi kim loại của laser CO2. Vật liệu Bề dày(mm) Tốc độ(m/ph) Năng lượng (W) Polyêtylen 1 11 500 Polypropylen 1 17 500 Polystyren 1 19 500 Nylon 1 20 500 ABS 1 21 500 Polycacbonate 1 21 500 PVC 1 28 500 Sợi thủy tinh 1,6 5,2 450 Thủy tinh 1 1,5 500 Ôxýt nhôm 1 1,4 500 Gỗ cứng 10 2,6 500 Ván eùp 12 4,8 1000 Bìa cứng 4,6 9,0 350 Bảng 6. Một số loại laser thương mại. Loại laser Độ dài sóng(mm) Phương thức hoạt động Năng lượng (W) Số xung/giây Thời gian tồn tại (ms) ứng dụng Ghi chú Argon 0,4880 Xung lặp lại 20 (giá trò cực đại) 0,005 (giá trò trung bình) 60 50 Sao cheùp các phim mỏng Công suất thấp Hồng ngọc 0,6943 Xung bình thường 2.105 (giá trò cực đại) 5-10 0,2-7 Bóc vật liệu với số lượng lớn trong 1 xung, khoan các khuôn kim cương, hàn điểm Không kinh tế Nd-Thủy tinh 1,6 Xung bình thường 2.106 (giá trò cực đại) 0,2 0,5–10 ms Bóc vật liệu lớn trong 1 xung Không kinh tế Nd-YAGa 1,06 Liên tục 1000 Hàn Nhỏ gọn và kinh tế ở công suất thấp 1,06 Xung lặp lại 3.105 (cực đại) 1-24000 50-250 ms Cắt điện trở, chế tạo mạch điện tử Nhỏ gọn và kinh tế 300 (giá trò trung bình) 300 50 ms 1,06 Xung bình thường 400 300 0,5-7 ms Hàn điểm, khoan CO2b 10,6 Liên tục 15.000 Cắt các bật liệu hữu cô, cắt kim loại nhờ oxy Rất cồng kềnh ở năng suất cao 10,06 Xung lặp lại 75000 (giá trò cực đại) 1.5 (giá trò trung bình) 400 50-200 ms Cắt điện trở Cồng kềnh nhưng kinh tế 10,6 Cường xung 100 (giá trò trung bình) 100 100 ms và lớn hơn Hàn, tạo lỗ và cắt Cồng kềnh nhưng kinh tế IV.4.Khả năng công nghệ. Có thể khoan các lỗ nhỏ trên vật liệu bằng tungsten, đồng thau, ceramic. Gia công được các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC). Sửa chữa bằng cách cắt các màng mỏng bị hư trong máy điện toán Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải. Cân bằng động lực cho các động cô chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao không có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng, bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết. Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính. Tạo maãu nhanh. Làm cứng các bề mặt cần tôi. Cắt đi phần thừa các chi tiết bằng nhựa. Gia công cắt hoặc khoan trên ống polyme và kim loại. Làm vi mạch điện tử. Ngoài ra hiện nay còn có nhiều máy gia công vi laser cũng cho pheùp cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia công. Hình 4.5. Máy gia công bằng tia laser. IV.5.Phương pháp hàn cắt bằng công nghệ laser Phương pháp cắt Phương pháp hàn bằng công nghệ laser V.Đặc Điểm vả Phạm Vi Sử Dụng V.1.1.Ưu điểm Không cần dùng buồng chân không. Không có vấn đề tích điện trong môi trường. Không có phóng xạ Rơn ghen. Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trở, chân không, hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang. Có thể gia công tất cả vật liệu. Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi. Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh do nhiệt độ. Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia công ít. Thời gian tồn tại của xung gia công ngắn do đó năng suất cao. Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp. Chế độ gia công êm hơn các gia công khác. V.1.2.Nhược điểm Hiệu suất thấp. Khó điều chỉnh công suất ra. Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử. Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn. Giá thành cao. Cần phải xác định chính xác điểm gia công. Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi. V.2.Phạm vi sử dụng Trong công nghiệp, laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay... các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phi kim. Các các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo trên vật liệu kim loại và phi kim. Gia công các chi tiết cực nhỏ. Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia công. Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ. Cân bằng động lực cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao không có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng, bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết. Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử. Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính. Gia công các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC). Làm vi mạch điện tử. Tạo mẫu nhanh. Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải. HẾT