Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến năng suất và chất lượng khi cắt bằng tia laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - NGÔ ĐỨC ĐỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG KHI CẮT BẰNG TIA LASER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Mở đầu ………………………………………………………………………….9 Chương Tìm hiểu laser ……………………………………………… 11 1.1 Lịch sử phát triển ………………………………………… ……….11 1.2 Cơ sở vật lý laser …………………………………………… …….11 1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy phát laser … …………… 13 1.3.1 Hoạt chất ……………………………………… ……………… 14 1.3.2 Buồng cộng hưởng ….…………………………………………….14 1.3.3 Bộ phận kích thích… ………………….… …………………… 14 1.4 Các loại nguồn phát laser… …………….… ………………….….15 1.4.1 Laser rắn… ………………….… …….………………………….16 1.4.2 Laser lỏng ………………….… …………….………………….17 1.4.2 Laser khí ………………….… …………………………………18 1.5 Các thông số chùm laser …….… ………………….….20 1.6 Các loại máy laser dùng công nghiệp… ………………….….22 1.6.1 Máy phát laser rắn… …………………… …………….……….22 1.6.2 Máy phát laser khí… …………………… …………………… 23 1.7 Q trình tương tác chùm tia laser vật liệu gia công …… 23 1.7.1 Phương trình truyền nhiệt tổng quát…………………… ….24 1.7.2 Điều kiện biên truyền nhiệt…………………… .….……25 1.7.3 Phân bố nhiệt hệ tọa độ trụ …………………… … 26 1.7.4 Đốt nóng vật khơng có tượng chuyển dịch pha.… .………26 1.7.5 Đốt nóng vật liệu có chuyển dịch nhiều pha…….… …… …27 Chương Laser ứng dụng sống ngành công nghiệp………………………………………………………………………… 32 2.1 Ứng dụng laser để cắt vật liệu……………………………….… ….36 2.1.1 Giới thiệu chung ……………….…………………….…….… 37 2.1.2 Các thơng số cơng nghệ q trình cắt laser ……………37 2.1.3 Các phương pháp cắt vật liệu laser………………… …… 37 2.2 Ứng dụng laser để hàn vật liệu……………………….…………….40 2.2.1 Giới thiệu chung………………………………… ………… ….40 2.2.2 Cơ chế hàn laser……………………………………… …………41 2.2.3 Hàn truyền nhiệt…………………………………………….…….44 2.2.4 Hàn kiểu lỗ khóa……………………………………… …………44 2.2.5 Các thơng số cơng nghệ q trình hàn laser……………45 2.3 Ứng dụng laser để nhiệt luyện xử lý bề mặt………… ……… 45 2.3.1 Giới thiệu chung……………………………………… ……… 45 2.3.2 Các thông số công nghệ chủ yếu …………………………… … 46 2.4 Các ứng dụng khác……………………….……………………… 46 Chương Cắt kim loại với tia Laser CO2…………………………………….48 3.1 Mối quan hệ tham số công nghệ ……… …… …………… 48 3.2 Ảnh hưởng tham số công nghệ lên chất lượng gia công …….49 3.3 Sơ đồ khối trình cắt tia laser…………………….………50 3.3.1 Đường kính điểm hội tụ ……………………………………….…….52 3.3.2 Độ sâu hội tụ ………………………….… ………………….…… 54 3.3.3 Vật liệu gia cơng ………………………… ……………………… 54 3.4 Mơ hình hóa q trình gia công vật liệu chùm tia laser thông qua lí thuyết nhiệt 56 3.5 Đối tượng nghiên cứu gia công laser……………………… 59 3.5.1 Đại lượng chất lượng bề mặt cắt độ xác gia cơng - độ rộng mạch cắt………………………………………………………………………… 59 3.5.2 Ảnh hưởng tham số công nghệ lên chất lượng cắt tia laser…………………………………………………………………………… .60 3.5.3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu………………… …… ………… 61 Chương Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại máy TRULASER 3030– CNC ………………………………………………………………………………63 4.1 Thiết bị thí nghiệm ………………………………………………….63 4.1.1 Gá mẫu ………………………………………………………………65 4.1.2 Chuẩn bị mẫu…….………….……………………………………….65 4.1.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm…….……………………………… 66 4.2 Thiết kế thí nghiệm……………… …….…… …………………….68 4.2.1 Mơ hình định tính q trình gia cơng cắt với tia laser…………… 68 4.2.2 Thiết kế thí nghiệm…………………… …………………… 68 4.3 Thực thí nghiệm ………….……………………… 70 4.3.1 Thí nghiệm thăm dị khả cơng nghệ thiết bị …………… 74 4.3.2 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đơn số thông số công nghệ đên chất lượng mạch cắt…………………………………………………………………….75 Kết luận …………………… ……………………………………………… …86 Tài liệu tham khảo Tóm tắt luận văn Phụ lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Thứ nguyên c Nhiệt lượng riêng vận tốc ánh sáng c1 Nhiệt lượng riêng vật liệu trạng thái lỏng J/kgK cs Nhiệt lượng riêng vật liệu trạng thái rắn J/kgK dm Đường kính điểm hội tụ e Lực căng erf Hàm sai số erfc Hàm sai số bổ sung f J/kgK; m/s mm N Tiêu cự thấu kính hội tụ mm ffp Mặt phẳng hội tụ g Hằng số hấp dẫn h Chiều dày lớp chảy lỏng entapy riêng số Planck hc Hệ số truyền nhiệt đối lưu k Hệ số dẫn nhiệt W/mK K Hệ số khuếch tán nhiệt cm2/s Km Hệ số khuếch tán nhiệt vật liệu lỏng cm2/s Ks Hệ số khuếch tán nhiệt vật liệu rắn cm2/s Kv Hệ số khuếch tán nhiệt vật liệu cm2/s kb Hằng số Boltzmann kl Hệ số truyền nhiệt trạng thái l ỏng ks Hệ số truyền nhiệt trạng thái rắn kv Hệ số truyền nhiệt trạng thái l Chiều dài khuếch tán nhiệt lth Chiều sâu thâm nhập nhiệt m/s2 m Số mode dọc me Khối lượng thoát chảy Kg ms Khối lượng nóng chảy vật liệu rắn Kg mv Khối lượng vật liệu hóa n Số mode ngang p Áp suất khí thổi bar pvào Thành phần áp suất vào phần tử đơn vị bar pra Thành phần áp suất phần tử đơn vị bar pr Áp suất phản hồi bar ps Áp suất bão hịa bar q Thơng lượng nhiệt J/m qc Thông lượng nhiệt đối lưu J/m qr Thông lượng nhiệt xạ J/m r Tọa độ hướng tâm; bán kính chùm tia mm t Chiều dày cắt mm th Thời gian diễn giai đoạn nung nóng tm Thời gian đạt đến nhiệt độ nóng chảy Chiều dài xung laser u Biến giả định lượng bên v Vận tốc cắt Ve Vận tốc thoát chảy Vm Vận tốc chảy Vv Vận tốc bốc w Chiều rộng mạch cắt µm Zm Chiều sâu nóng chảy xuyên thấu mm m/ph x,y,z Tọa độ Đề A Diện tích bề mặt hệ số hấp thụ môi trường hệ số hấp thụ lượng Av Hệ số hấp thụ lượng trạng thái Bo Hằng số hóa Cv Nhiệt lượng riêng thể tích J/kgK Cp Nhiệt lượng riêng áp suất khơng đổi J/kgK D Đường kính chùm tia chưa hội tụ I Mật độ công suất W/cm2 Iabs Cường độ công suất hấp thụ W/cm2 Im Cường độ chum laser cần thiết để nung chảy W/cm2 Is Cường độ chum laser bề mặt W/cm2 Iv Cường độ ngưỡng W/cm2 I0 Mật độ công suất chum laser max, cường độ ánh sang trung bình W/cm2 mm J0, ,J1 Hàm Bassel dạng thứ K0 Hàm Bassel dạng hoăc L Nhiệt tiềm tàng bốc J/kg Lf Nhiệt lượng nóng chảy J/kg Lv Nheeij lượng hóa J/kg Lm Nhiệt ẩn nóng cháy J/kg P Công suất laser R Hệ số phản xạ Ra Hệ số Rayleigh T Nhiệt độ Tamb W K, oC Nhiệt độ mơi trường Te Nhiệt độ kich thích TB Nhiệt độ sôi Tl Nhiệt độ trạng thái lỏng Tm Nhiệt độ chảy lỏng Ts Nhiệt độ bề mặt chi tiết Tv Nhiệt hóa T* Nhiệt độ trung bình lớp chảy lỏng T0 Nhiệt độ ban đầu U Năng lượng hóa nguyên tử hay vận chuyển nhiệt V Thể tích vật liệu lỏng α Hệ số giãn nở nhiệt ρ Khối lượng riêng η Hiệu suất λ Bước sóng laser µ Hệ số độ nhớt chất lỏng σ Hằng số Stefan-Boltzmann ∇ Toán tử Gradient m3 Kg/m3 m AHZ Vùng ảnh hưởng nhiệt độ vùng cắt DOF Phương trình biểu diễn chiều sâu hội tụ DGF Trường mật độ khí DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số laser thường gặp công nghiệp Bảng 3.1: Hằng số vật liệu số vật liệu Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật vật liệu thí nghiệm Bảng 4.2: Thí nghiệm thăm dị khả cơng nghệ thiết bị Bảng 4.3: Thí nghiệm ảnh hưởng đơn thơng số cơng nghệ Bảng 4.4: Thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ rộng mạch cắt DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser Hình 1.2: Sơ đồ mức lượng Laser Ruby Hình 1.3 Sơ đồ mức lượng tinh thể Nd laser Nd-YAG Hình 1.4: Sơ đồ mức lượng Laser CO2 Hình 1.5: Sơ đồ mức lượng Laser He-Ne Hình 1.6: Profin chum Laser hội tụ Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser Ruby Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser CO2 Hình 2.1: Phân loại tổng quát ứng dụng laser Hình 2.2: Phân loại ứng dụng laser theo chuyển pha Hình 2.3: Biểu đồ cường độ lượng- thời gian tương tác laser với kim loại Hình 2.4: Sơ đồ hình thành dịng chảy vũng hàn Hình 2.5: Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt laser Hình 2.6: Tiện kim loai có hỗ trợ tia laser Hình 3.1: Ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt Hình 3.2: Sơ đồ cơng nghệ cắt bang tia laser Hình 3.3: Đương kính điểm hội tụ ảnh hưởng trường nhiễu xạ Hình 3.4: Các vùng cắt hình thành q trình cắt laser Hình 3.5: Mối quan hệ độ nhám độ trụ Hình 4.1: Sơ đồ máy TRULASER 3030-CNC Hình 4.2: Chuỗi quang học máy Laser Hình 4.3: Bộ gá phơi Hình 4.4: Quy cách mẫu thí nghiệm Hình 4.5: Mơ hình định tính q trình cắt Laser Hình 4.6: Đồ thị nghiên cứu thăm dị khả cơng nghệ máy Hình 4.7: Đồ thị nghiên cứu giưới hạn áp suất khí thổi Hình 4.8: Đồ thị phản ánh mối quan hệ P V Hình 4.9: Đồ thị nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều dày gia cơng Hình 4.10: Đồ thị nghiên cứu ảnh hưởng mối quan hệ cơng suất cắt P W Hình 4.11: Mẫu thí nghiệm cắt mức khác Hình 4.12: Đồ thị ảnh hưởng vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt Hình 4.13: Thí nghiệm cắt tốc cắt Hình 4.14: Đồ thị ảnh hưởng vân tốc với độ rộng mặt cắt Hình 4.15: Hình ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia cơng Hình 4.16: Mối quan hệ áp suất khí độ rộng mạch cắt Hình 4.17: Ảnh hưởng giao thoa trường DGF Hình 4.18: Ảnh hưởng khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt Hình 4.19: Ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt gia cơng khoảng cách khác Hình 4.20: Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến độ rộng vệt cắt MỞ ĐẦU Ngày nay, kỹ thuật laser có phát triển vượt bậc ứng dụng rộng rãi nhiều ngành kỹ thuật công nghệ Từ ứng dụng đơn giản đồ dùng gia dụng hàng ngày đến ứng dụng hữu ích cơng nghệ y sinh, ứng dụng quan trọng công nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa học vật liệu v.v…, laser sử dụng để gia công vật liệu ngành chế tạo máy dạng lượng siêu nhiên, gia cơng hầu hết loại vật liệu với yêu cầu kỹ thuật khắt khe mà phương pháp gia công thông thường khó thực Gia cơng chùm tia có mật độ lượng cao ưu lớn kỹ thuật laser Gia công laser thay cho số phương pháp cắt gọt học – vốn có ngưỡng định khơng thể vượt qua ngun cơng khó Vì gia cơng laser áp dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt với vật liệu khó gia cơng hợp kim cứng, gốm (Ceramic), composite… Khi dùng laser để gia công lỗ, người ta gia cơng lỗ nhỏ cỡ vài µm loại vật liệu, đặc biệt kim loại hợp kim khó gia cơng, vùng ảnh hưởng nhiệt kiểm soát hạn chế tối đa Laser gia cơng lỗ nhỏ chi tiết vòi phun nhiên liệu động cơ, vòi phun bơm cao cấp, vùi phun khí xốy, lỗ nhỏ với góc nghiêng tuỳ ý buồng làm mát động máy bay, vi lỗ nâng cao hiệu ứng động lực học cánh máy bay, vi lỗ lưới lọc dùng y tế … Nhờ khả công nghệ mà gia công laser sử dụng biện pháp gia công thay nhất, ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế tạo máy bay, công nghiệp chế tạo ô tô, chế tạo thiết bị, linh kiện điện tử, thiết bị y tế … Nắm bắt tiến tới làm chủ công nghệ gia công laser, đặc biệt gia công laser nhiệm vụ không mang ý nghĩa lý thuyết mà cịn có ý nghĩa thực tiễn đưa laser đến gần với thực tế sản xuất công nghiệp, ứng dụng khả công nghệ ưu việt, đặc biệt khả gia công loại vật liệu đối tượng công nghệ mà phương pháp gia cơng thơng thường khác khó thực Việc:” Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố công nghệ đến suất chất lượng gia cơng Laser” có ý nghĩa quan trọng nhiệm vụ nêu Đây nội dung đề tài thực Nội dung đề tài: Lơ mẫu Mẫu Chế độ công nghệ Chiều rộng mặt ( ) Chiều rộng mặt ( =2mm; v=2m/ph; p=5bar; t=1mm 270 115 (max 128) =0,8mm; v=2m/ph; p=5bar; t=1mm 155 275 =0,8mm; v=5m/ph; p=5bar; t=1mm 210(max255) 90 =0,8mm; v=4m/ph; p=1bar; t=1mm 165 90 =2mm; v=2m/ph; p=1bar; t=1mm 225 400(max 576) =2mm; v=4m/ph; p=1bar; t=1mm 280 200(max 332) =0,8mm; v=2m/ph; p=5bar; t=1mm 315 (max 448) 350 =2mm; v=5m/ph; p=5bar; t=1mm 205 85 73 4.3.1 Thí nghiệm thăm dị khả cơng nghệ thiết bị Một loạt thí nghiệm thăm dị khả công nghệ thiết bị giới hạn phương pháp thực theo thiết kế bảng 4.2 µ W ( m) P=1000w ; Pkt =3 bar; D=0,8; z=2 1500 1300 1100 900 700 500 300 100 v(m/ph) Hình 4.6: Đồ thị nghiên cứu thăm dị khả công nghệ máy a)Tốc độ cắt 1m/phút b)Tốc độ cắt 5m/phút µ W ( m) 250 200 150 100 50 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Pkt (bar) Hình 4.7: Đồ thị nghiên cứu giới hạn áp suất khí thổi Quan sát ảnh chụp mẫu đồ thị hình 4.6 hình 4.7 ta có nhận xét sau: 74 - Khảo sát khả vận tốc cắt: gia công thép chế tạo dày từ mm cho thấy mẫu với v = m/phút, chất lượng mép cắt có chiều dày mm nằm vùng IV (hình 3.4) – tốc độ nhanh mạch cắt chưa đứt Với v = m/phút chất lượng mép cắt nằm vùng II, mạch cắt rộng - Khảo sát vùng áp khí thổi: với p = 0,5 bar - áp suất không đủ để đưa vật liệu nóng chảy khỏi rãnh cắt, với p = bar – cho mạch cắt sạch, khơng có khác biệt so với p = bar 4.3.2Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đơn số thông số công nghệ đến chất lượng mạch cắt Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến tiêu trình cắt độ rộng mạch cắt, độ côn mạch cắt,… thực với thí nghiệm thiết kế theo bảng 4.3 mục 4.2.2.2 Các kết đo thể phụ lục 4.3.2.1 Mối quan hệ vận tốc cắt công suất cắt Quan hệ tốc độ cắt công suất cắt mối quan hệ tuyến tính bậc qua kết thí nghiệm thể hình 4.8 (thép CT3 có chiều dày mm 2,5 mm) v(m/ph) 300 400 500 600 t=2mm y=0,006x-1,0321 R =0,9692 700 800 t=2.5mm y=0,0055x-1,1607 R =0,9785 900 1000 P(W) Hình 4.8: Đồ thị phản ánh mối quan hệ P v Có thể giải thích mối quan hệ sau: Công suất nguồn xạ laser coi nguồn nhiệt tập trung cịn vận tốc cắt tốc độ di chuyển nguồn nhiệt bề mặt phơi Mối quan hệ vận tốc cắt (v) toàn lượng nhiệt (bao gồm công suất 75 xạ nhiệt lượng bổ xung phản ứng oxy hố) xác định gần theo biểu thức xác định hiệu suất trình [1]: P = w.t.v Trong đó: - P : Cơng suất dịng W: Độ rộng khe trung bình t : Độ dày vật liệu v : Tốc độ cắt (m/phút) η : Hiệu suất Như vậy, vật liệu có chiều dày t cố định, mạch cắt w giữ cố định tăng P v phải tăng theo tương ứng ngược lại Điều cho thấy tác động nguồn nhiệt lên chất lượng mạch cắt tương tự với tác động tốc độ cắt, chí tốc độ cắt cịn có tác dụng mạnh đến độ nhám bề mặt gia cơng tượng tạo striation [N.Rja] Như vậy, trường hợp sử dụng hết công suất thiết bị 1000 w, ta sử dụng vùng tốc độ lớn từ m/phút m/phút (theo kết khảo nghiệm biên công nghệ điểm 4.3.1) để có chất lượng vết cắt tốt 4.3.2.2 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến chiều dày vật liệu cắt Thí nghiệm xem xét ảnh hưởng tốc độ cắt (v) đến chiều dày vật liệu cắt (t) Kết mối quan hệ v – t thể hình 4.9 t(mm) 0 0.5 P=1000w y=3.802x -0.58 R =0,910 1.5 P=750w -0.54 y=4.826x R =0,928 2.5 3.5 4.5 v(m/ph) Hình 4.9: Ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều dày gia cơng 76 Từ thí nghiệm gia cơng P = 1000 w P = 750 w có đồ thị xấp xỉ với phương trình hệ số mũ (theo phương pháp bình phương nhỏ nhất) rút kết luận mối quan hệ v = at-b, với a b hai số dương Tại công suất cho trước, để đảm bảo chất lượng gia cơng tăng tốc độ cắt chiều dày giảm ngược lại 4.3.2.3 Ảnh hưởng công suất cắt đến độ rộng vết cắt Công suất nguồn laser đại diện cho mật độ lượng chùm tia laser, yếu tố định đến khả gia công chất lượng gia công Ảnh hưởng công suất laser đến độ rộng mạch cắt thể hình 4.10 thực thí nghiệm theo bảng 4.3 W( µ m) V=3m/ph ; Pkt =3 bar; D=0,8; z=2mm 270 250 230 210 190 170 150 400 500 600 t=1mm 700 t=2mm 800 900 t=3mm 1000 P(W) Hình 4.10: Mối quan hệ cơng suất cắt P độ rộng vết cắt w a) Độ rộng mạch cắt thép CT3, t = 1,5 mm b) Độ rộng mạch cắt thép CT3, t = mm Trong gia công chùm tia laser loại vật liệu khác tồn giá trị gọi số vật liệu (hằng số phụ thuộc vào tính chất lý hố vật liệu, mục 3.3.3 trình bày cách tính số vật liệu) theo mục 3.3.3 ta có mối quan hệ số vật liệu, tốc độ cắt chiều sâu cắt theo phương trình: = K (hằng số vật liệu) Như vậy, gia công loại vật liệu có chiều dày để có chất lượng bề mặt tốt P v phải biến đổi cho số vật liệu không thay đổi 77 a) P=1000w b) P=650w Hình 4.11: Mẫu thí nghiệm cắt mức khác Quan sát mẫu ta nhận thấy giá trị P, v hợp lý chất lượng bề mặt chi tiết nhẵn, khe hở hẹp (mẫu a), mẫu lại (mẫu b) cho thấy vết cắt tồn ba via, mạch cắt không 4.3.2.4 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến độ rộng vết cắt Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt theo bảng 4.3 Hình 4.12 đồ thị miêu tả ảnh hưởng tốc độ cắt lên độ rộng mạch cắt miền cắt công suất P = 1000 w, cho hai loại thép CT3 thép INOX SU304, dày 1,5 mm Ta nhận thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng theo mối quan hệ w = av-b w độ rộng mạch cắt, v tốc độ cắt, a b số phụ thuộc vào tham số công nghệ tham gia gia công khác P=1000 ; P =3 bar; D=0,8; z=2mm µ W ( m) 350 300 250 200 150 0.5 1.5 Thép CT3 y=271.0x -0.25 R =0,969 2.5 3.5 Thép SUS304 -0.23 y=282.6x R =0,977 4.5 v(m/ph) Hình 4.12 Đồ thị ảnh hưởng vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt 78 Có thể giải thích mối quan hệ sau: Tốc độ cắt tốc độ di chuyển nguồn nhiệt tập trung bề mặt phôi Tại công suất cố định nguồn xạ, vận tốc cao thời gian lưu lại nguồn nhiệt bề mặt vật liệu tạo lan truyền nhiệt sang cạnh đường di chuyển ít, nên tạo lên vết cắt vùng HAZ nhỏ Kích thước mạch cắt giảm vùng tốc độ tăng thích ứng, nơi kim loại nhận đủ lượng để nóng chảy Đó “đỉnh đường Gauss” –vgh Nếu tốc độ tăng cao (vc > vgh) xảy tượng cắt khơng đứt, lượng kim loại nóng chảy khơng có đường có tượng trào ngược lên bề mặt phôi, phá hỏng vết cắt (hình 4.13) Hình 4.13 Thí nghiệm cắt tốc độ cắt cao Bằng loạt thí nghiệm kiểm tra (bảng 4.4) đánh giá ảnh hưởng vận tốc cắt lên độ rộng mạch cắt với vật liệu chiều dày khác Ta kết luận cách chắn vận tốc cắt tác động tỉ lệ nghịch với độ rộng mạch cắt Bảng 4.4: Thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng vận tốc cắt đến độ rộng mạch cắt STT Thông số công Vật liệu thép CT3 Vật liệu thép SUS304 nghệ 1(mm) 1,5(mm) 2(mm) 1(mm) 1,5(mm) 2(mm) P (w) 1000 1000 Pkt (bar) 3,5 3,5 D (mm) 0,8 0,8 H (mm) 2,5 2,5 v (m/ph) 2,5 2,5 79 a Cắt thép CT3 W( µ m) b Cắt INOX SU304 W( 340 µ m) 330 330 320 320 310 310 300 300 290 290 280 280 1.5 t=1mm 2.5 t=1.5mm 1.5 3.5 t=2mm v(m/ph) t=1mm 2.5 t=1.5mm 3.5 t=2mm v(m/ph) Hình 4.14 Đồ thị ảnh hưởng vận tốc v tới w 4.3.2.5 Ảnh hưởng áp suất khí thổi đến độ rộng vết cắt Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng áp suất khí thổi lên độ rộng vết cắt theo bảng 4.3 Hình 4.15 mơ tả ảnh hưởng áp suất khí thổi đến chiều sâu cắt độ rộng vết cắt với khí thổi (O2) gia cơng thép CT3 INOX SU304 có chiều dày t = mm Hình 4.15: Ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia công a) Mẫu thép CT3 b) Mẫu thép INOX – SUS304 Với hai loạt thí nghiệm ta thấy qui luật ảnh hưởng có dạng hàm đa thức, quan sát đồ thị (hình 4.16) ta nhận thấy ban đầu Pkt w tỉ lệ thuận sau tới giá trị tới hạn tiếp tục tăng Pkt ta nhận thấy w có chiều 80 giảm nhẹ, kết luận rằng: Mối quan hệ mối quan hệ có điểm cực trị Ban đầu tăng dần áp suất khí, tác động dịng khí phun vào vùng gia cơng, phần khí bổ xung cho phản ứng đốt cháy, phần lại thực đưa phoi khỏi vùng gia công Ở giai đoạn lượng phoi thổi tăng tăng áp suất Khi áp suất khí tăng đạt đến giới hạn Pgh đó, dịng khí đảm bảo đủ lưu lượng khí cho phản ứng đốt cháy đưa phoi khỏi vùng gia công, tiếp tục tăng áp suất khí gây lãng phí Mặt khác, điểm Pth áp lực khí đạt ngưỡng nhảy độ nén nên tiếp tục tăng áp làm giảm tốc độ lượng động học dịng khí Hiện tượng giảm lượng phoi đẩy µ m) W( P=1000 ; P =3 bar; D=0,8; z=2mm, v=3m/p 220 215 210 205 200 195 190 185 180 0.5 1.5 Thep CT3 y=-2.047x +15.73x+185.7 R =0.968 a) 2.5 3.5 Thep SUS304 y=-0.095x +6.761x+184.9 R =0,964 4.5 Pkt (bar) b) Hình 4.16: Mối quan hệ áp suất khí độ rộng mạch cắt a) Độ nhám độ rộng mạch cắt cắt thép CT3 b) Độ nhám độ rộng mạch cắt cắt thép SUS-3 Một ảnh hưởng áp suất khí đến độ rộng mạch cắt tạo lên tượng hội tụ sớm tán xạ dòng laser trường mật độ khí DGF (Density gradiend field) làm thay đổi vị trí thực điểm hội tụ (hình 4.17): Hình 4.17: Ảnh hưởng giao thoa trường DGF 81 Laser Laser Hoi tu som Laser Tan xa DGF DGF Dr DGF Dong hoi tu som Ds - Hiện tượng hội tụ sớm: Hiện tượng làm dịch chuyển mặt phẳng hội tụ lên bề mặt phôi, làm thay đổi đường kính hội tụ (Dr) bề mặt phôi, ảnh hưởng đến độ rộng khe cắt tốc độ làm nóng chảy bề mặt phơi (hình 4.17a,c) Hiện tượng tán xạ dòng laser: Hiện tượng làm tăng đường kính dịng hội tụ bề mặt phơi (Ds), ảnh hưởng đến độ rộng khe cắt (hình 4.17b) 4.3.2.6 Ảnh hưởng khoảng cách đầu cắt đến độ rộng vết cắt Khoảng cách đầu cắt định nghĩa từ đỉnh đầu cắt đến bề mặt chi tiết gia công Ảnh hưởng khoảng cách đầu cắt đến độ rộng vết cắt thực chất ảnh hưởng vị trí điểm hội tụ tia laser (khi gia cơng điểm tập trung lượng điểm hội tụ tia laser, vị trí tính tốn cho điểm hội tụ lí thuyết nằm bề mặt gia cơng, lí mà suốt q trình gia cơng đầu cắt cần phải giữ cách bề mặt phôi khoảng cách cố định) Ngồi khoảng cách đầu cắt cịn ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc khí động học dịng khí cắt (hình 4.18) gián tiếp vào dịch chuyển vị trí hội tụ chùm laser W( µ m) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 1.5 t=1.2mm t=2mm 2.5 3.5 Z (mm) Hình 4.18: Ảnh hưởng khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt gia công vật liệu SU304 82 Kết ảnh hưởng khoảng đầu phun đến độ rộng mạch cắt thể hình 4.19 Tại Z = mm chiều rộng mạch cắt nhỏ Theo tính tốn lí thuyết với Z = 2,5 mm vị trí tiêu cự nằm bề mặt gia cơng, cịn Z = mm vị trí tiêu cự nằm dưói bề mặt gia cơng Do hiệu ứng DGF vị trí tiêu cự bị dịch chuyển nên cho trường hợp Z = mm vị trí tiêu cự thực bề mặt gia cơng Hình 4.19: Ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt gia công khoảng cách đầu phun khác Việc lựa chọn khoảng cách tối ưu từ lí do: khoảng cách đầu cắt nhỏ, trình cắt phản lực dịng khí cắt có áp tác động ngược lên thấu kính gây hư hỏng, gây tượng kẹt va chạm đầu cắt với xỉ thép Nếu khoảng cách xa gây tổn thất áp Khoảng cách đầu cắt sử dụng hiệu khoảng (0,89mm 3mm) thí nghiệm khoảng cách đầu phun mm tối ưu 4.3.2.7 Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt Ảnh hưởng đường kính đầu cắt lên vận tốc độ rộng vết cắt (hình 4.21) Trong khoảng đường kính áp suất cho thấy đường kính đầu cắt tỉ lệ thuận với độ rộng vết cắt 83 W(mm) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.5 1.5 P=10bar 2.5 d (mm) P=8bar Hình 4.20: Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt ( Có thể nhận xét với loại đường kính đầu phun thí nghiệm chất lượng vết cắt đầu phun đẹp có độ rộng mạch cắt độ côn nhỏ gia công với mức áp khác nhau, vết cắt với đầu phun xấu, đa số có ba via mặt đặc biệt trường hợp gia công với áp suất khí thổi thấp (p = bar) ap suat (mmHg) 360 280 1.5mm 200 3mm -4 -3 -2 -1 Hình 4.21: Sự phân bố áp suất theo đường kính đầu cắt 84 Điều giải thích rằng, theo ngun lý khí động học, luồng khí cắt có áp qua đầu cắt có qui luật phân bố dạng Gauss (hình 4.22) Hình dạng phân bố phụ thuộc vào đường kính D đầu cắt áp suất khí cấp Luồng khí áp thổi có tác dụng bảo vệ thấu kính, hỗ trợ phản ứng đốt cháy thổi kim loại khỏi vùng gia công Việc lựa chọn đường kính đầu cắt phụ thuộc vào vật liệu gia cơng, áp suất khí thổi, chiều dày phơi Với giá trị áp suất, vật liệu, chiều dày xác định ta cần lựa chọn đường kính thích hợp Trong trường hợp thí nghiệm theo bảng 4.3 với đầu cắt khoảng cách đầu phun Z = 2,5 mm có tụt áp Sự tụt áp ảnh hưởng không đáng kể gia công với áp bar, đặc biệt rõ rệt gia công với áp thấp bar, áp suất khơng cịn đủ để đẩy kim loại nóng khỏi vùng gia công, để lại nhiều ba via đọng lại mặt rãnh gia công 85 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu ta rút vài chế độ công nghệ ảnh hưởng đến suất chất lượng gia công laser Đưa nhận định mối quan hệ ảnh hưởng thông số công nghệ cắt laser: - Đối với vật liệu có chiều dày t cố định, độ rộng mạch cắt w giữ cố định tăng P v phải tăng theo tương ứng ngược lại - Tại công suất cho trước, để đảm bảo chất lượng gia cơng tăng tốc độ cắt chiều dày giảm ngược lại - Trong gia cơng loại vật liệu có chiều dày để chất lượng mạch cắt tốt P v phải biến đổi cho só vật liệu khơng thay đổi - Vận tốc cắt tác động tỉ lệ nghịch với độ rộng mạch cắt - Quan hệ áp suất khí thổi độ rộng mạch cắt mối quan hệ có điểm cực trị Xây dựng mơ hình nghiên cứu thực nghiệm cắt laser máy TRULASER 3030-CNC 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ tự động hố vào gia cơng xác sở công nghệ tiên tiến laser, plasma tia lửa điện”, đề tài KC 03-05, Viện máy dụng cụ công nghiệp 2004 2- Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến, “Vật lý laser ứng dụng”, Đại học tổng hợp 1998 3- Viện công nghệ laser, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cắt vật liệu xạ laser CO2 chế độ liên tục” Báo cáo chương trình khoa học cấp nhà nước: cơng nghệ chế tạo máy thiết bị 4- Nguyễn Trọng Bình, “Tối ưu hố q trình gia cơng cắt gọt”, Nhà xuất giáo dục 2003 5- Lê Văn Tiến, “Gia cơng vật liệu có độ bền cao”, Bài giảng cao học BKHN- Hà nội 1997 6- Tô Cẩm Tú, “Thiết kế phân tích thí nghiệm” Nhà xuất khoa học kỹ thuật- Hà nội 1999 7- Trần Văn Địch, “Nghiên cứu độ xác gia cơng phương pháp thực nghiệm”, Bài giảng cao học nghiên cứu sinh Đại học Bách khoa Hà nội 87 ... a,b,c - số số dương; p -công suất) 48 3.2 Ảnh hưởng tham số công nghệ lên chất lượng gia công Đa số nghiên cứu chất lượng gia công cắt tia laser thường trọng vào nghiên cứu độ rộng mạch cắt, độ... nghiệp Gia công kim loại Laser tham số công nghệ ảnh hưởng đến suất chất lượng Nghiên cứu thực nghiệm cắt Laser máy TRULASER 3030-CNC, đánh giá ảnh hưởng chế độ công nghệ đến suất chất lượng gia... cắt laser tăng cao tối đa suất chất lượng sản phẩm chế tạo nhờ trình cắt laser Cả hai khía cạnh thực sử dụng hợp lí tham số công nghệ gia công Những tham số công nghệ cắt tia laser bao gồm: công