46 Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ /Kỹ thuật vật liệu và luyện kim 64(10ĐB) 10 2022 Mở đầu Laser có nhiều ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như trong hóa học, vật lý, kỹ thu[.]
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹ thuật vật liệu luyện kim DOI: 10.31276/VJST.64(10DB).46-49 Nghiên cứu tích hợp hệ khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser sợi quang công suất cao với cấu hình MOPA Trần Thị Vân Anh1*, Đỗ Xuân Tiến1, Phạm Chí Hiếu1, Vũ Văn Liệu1, Giang Mạnh Khơi1, Đỗ Anh Tuấn1, Nguyễn Thị Thu Hương2 Trung tâm Công nghệ Laser, Viện Ứng dụng Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Ngày nhận 5/7/2022; ngày chuyển phản biện 8/7/2022; ngày nhận phản biện 29/7/2022; ngày chấp nhận đăng 4/8/2022 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc phát triển hệ khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser sợi quang cơng suất cao với cấu hình MOPA (khuếch đại dao động chủ) tích hợp từ mơ-đun bán thành phẩm Bằng việc sử dụng hệ khắc tạo màu laser bề mặt kim loại phát triển được, ảnh hưởng thông số laser công suất laser, tần số lặp lại xung laser, tốc độ quét tia, độ rộng đường khắc lên trình hình thành màu nghiên cứu đánh giá tường minh để đưa thông số tối ưu cho màu cần khắc kim loại inox, titan cụ thể Từ khóa: gia cơng vật liệu, khắc laser tạo màu, laser sợi quang Chỉ số phân loại: 2.5 Researching and integrating colour laser marking system on a metal surface using high power fiber laser with MOPA configuration Thi Van Anh Tran1*, Xuan Tien Do1, Chi Hieu Pham1, Van Lieu Vu1, Manh Khoi Giang1, Anh Tuan Do1, Thi Thu Huong Nguyen2 National Center for Laser Technology, National Center for Technological Progress Quang Ninh University of Industry Received July 2022; accepted August 2022 Abstract: This paper presents the results of research and fabrication of a colour laser marking device on metal surfaces using a high-power fiber laser with a MOPA (Master oscillator power amplifier) configuration by intergrating semi-finished modules Using our manufactured colour laser marking device, the effects of laser parameters such as laser power, laser pulse repetition frequency, beam scanning speed, line width on forming colour process have been researched and evaluated explicitly to provide the optimal set of parameters for the colours on each specific stainless steel and titanium metal Keywords: fiber laser, laser colour marking, MOPA fiber laser Classification number: 2.5 Mở đầu Laser có nhiều ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệ hóa học, vật lý, kỹ thuật, khoa học vật liệu, y học, thông tin lượng tử, quang điện tử, sinh học khoa học mơi trường [1-3] Với đặc tính ưu việt chất lượng chùm tia tốt, độ ổn định cao, giá thành thấp, nhỏ gọn , laser sợi quang ứng dụng nhiều công nghệ gia công vật liệu cắt, hàn, khắc tạo màu… [4-8] Phương pháp khắc laser tạo màu có ưu điểm có độ bền màu cao, chi phí vận hành thấp, suất cao tiến hành đơn giản Trong công nghệ khắc tạo màu bề mặt kim loại, chế hình thành màu sắc bề mặt kim loại dựa q trình nhiệt hóa bề mặt vật liệu gây hấp thụ chùm tia laser Từ đó, dẫn đến hình thành màng oxit suốt bán suốt bề mặt vật liệu [9-11] Khi ánh sáng trắng chiếu vào, phản xạ từ bề mặt màng oxit Giao thoa chùm phản xạ làm cho bề mặt xuất màu định, xác định độ dày màng, số khúc xạ oxit Các nghiên cứu khác cho thấy, màu sắc nội oxit kim loại đóng vai trị quan trọng Khi thay đổi thơng số chùm tia laser chiếu tới như: công suất, vị trí hội tụ, tần số lặp lại xung, tốc độ quét tia… ghi nhận màu sắc khác lớp oxit bề mặt kim loại Đây nguyên lý kỹ thuật khắc laser tạo màu theo phương pháp ơxy hóa bề mặt Do vậy, để tạo màu sắc khắc thay đổi liên tục việc phát triển nguồn laser cơng suất cao thay đổi thông số tần số lặp lại, độ rộng xung vô cần thiết Một phương pháp để tạo chùm laser công suất cao với tần số lặp lại xung lớn (lên đến 1.000 kHz) MOPA Với phương pháp này, tạo chùm laser với lượng lên đến hàng kW [12-14] Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng laser sợi quang công suất cao sử dụng MOPA để khắc tạo màu bề mặt kim loại nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu Tại Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu trình khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser nói chung laser sợi quang nói riêng Các thiết bị khắc sử dụng laser sợi quang thương mại chủ yếu Tác giả liên hệ: Email: vananhlaser@gmail.com * 64(10ĐB) 10.2022 46 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹ thuật vật liệu luyện kim nhập nguyên dẫn đến hạn chế ứng dụng khó khăn việc làm chủ cơng nghệ khắc Do vậy, việc thiết kế, tích hợp hệ laser cơng suất cao với MOPA thành hệ khắc laser hoàn chỉnh đánh giá thông số laser để đưa thông số tối ưu trình khắc tạo màu cần thiết Trong viết này, tác giả nghiên cứu chế tạo hệ thiết bị khắc màu bề mặt kim loại nghiên cứu tường minh chế tạo màu bề mặt kim loại inox, titan sử dụng nguồn phát laser sợi quang với MOPA Từ đó, đưa thông số tối ưu cho màu cần khắc kim loại cụ thể Kết bàn luận Thiết kế xây dựng hệ khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser sợi quang công suất cao Sơ đồ thiết kế khối thiết bị khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser cơng suất cao thể hình Các thông số kỹ thuật chùm laser lối hệ laser sợi quang công suất cao với MOPA model JPT M7 khảo sát chi tiết Đường đặc trưng công suất laser hình 2A Có thể thấy rằng, cơng suất laser sợi quang lối lớn 25 W với khoảng thay đổi công suất 0-100% (tương ứng với công suất 0-25 W) bước sóng 1.064 nm (hình 2B) Độ rộng xung laser thay đổi khoảng 3-350 ns (hình 2C) tần số lặp lại xung từ thay đổi từ đến 1.000 KHz (hình 2D) Với thơng số laser này, ta dễ dàng thay đổi q trình ứng dụng khắc tạo màu bề mặt kim loại Sơ đồ kết nối mạch điều khiển máy khắc laser trình bày hình Theo đó, đầu quét chùm tia galvo kết nối với card điều khiển thông qua cổng DB-15 theo chuẩn XY2-100 Digital Khối phát laser sợi quang kết nối qua cổng BD-25 cho phép điều khiển chế độ hoạt động laser Ngoài ra, card điều khiển ghép nối với máy tính qua cổng USB 2.0 ni nguồn VDC bên ngồi Hình Sơ đồ khối thiết bị khắc laser tạo màu bề mặt kim loại Hình Thơng số laser sợi quang công suất cao (A) Công suất laser lối ra; (B) Bước sóng laser; (C) Độ rộng xung laser; (D) Tần số lặp lại xung Cấu hình tổng thể thiết bị khắc laser bao gồm: khối nguồn phát laser sợi quang công suất cao với MOPA model JPT M7 (Trung Quốc); hệ quét chùm tia Galvo hurryScan II-10 Hãng Scanlab (Đức), thấu kính hội tụ f-theta tiêu cự 254 mm Hãng Sino-Laser; card điều khiển laser USB-FBLMCB-V4, nguồn nuôi cung cấp lượng hệ thống điều khiển phần mềm khắc laser EzCad2 64(10ĐB) 10.2022 Hình Sơ đồ kết nối mạch điều khiển máy khắc laser Quá trình khắc laser hình ảnh thiết kế máy tính thực cách kết hợp đồng chuyển động đầu quét galvo chùm tia laser thông qua card điều khiển trung tâm Tồn q trình thực phần mềm khắc laser EzCad2 thực 47 Tần số lặp lại xung 2-1.000 KHz Tốc độ khắc lớn nhất: 5.000 mm/s Làm mát Khơng khí Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹđiện thuật vật liệu luyện kim Nguồn 220 V/50 Hz Nghiên cứu trình khắc tạo màu bề mặt kim loại sử dụng laser cơng Nghiên cứu q trình khắc tạo màu bề mặt kim loại sử máy tính (hình 4) Trong đó,suất người thể MOPA dễ dàng caosử vớidụng cấucó hình thiết lập trực tiếp phần mềm thơng số khắc laser như: công dụng laser công suất cao với cấu hình MOPA SOPAch đại h bề mặt kim ldOPAch đại h bề mặt kim loại sửnhau suất, tần số lặp lại xung, tốc độ quét tia, khoảng cách đường khắc… Sự hìnhlaser thành lớpsuất oxitcaolaser bề mặt dẫn đếnMậ hìnhPAch thành màu sắc Ngồi ra, phần mềm EzCad2 hỗphPAch trợ nhiều dạng đồ loại sửnhaug đạiđịnh h bềtệp mặttinkim công tạ[15] họa khác (như plt, dxf, ai, jpg) nhằm tối ưu hóa thiết kế, hoạt khác phụ thuộc vào giá trị mật độ lượng chùm tia đại h bề mặt kim loại s chich đại h bềtới mặt[15]: kim loại sửnha: laser chiếu động quan sát trước hình ảnh khắc laser F= 2√2P 0 V đó: tia F làlaser mật(J/cm độ chùm laser (J/cm2); P đó: F mật độ lượng chùm ); P lượng côngcủa suất lasertia trung cơng suất laser trung bình (W); ω0 bán kính chùm tia laser bình (W); 0 bán kính chùm tia laser tụ; V tốc tia độ laser quét tia laser điểmtại hộiđiểm tụ; Vhội tốc độlàquét Sự ảnh hưởng thông số như: cônghưởng suất, tần lại, độ Sự ảnh củasố cáclặpthông sốrộng như:xung cônglaser, suất, tần số lặp lại, rộngđường xung laser, tốc độlên khắc, trí hội tụ tạo khoảng tốc độ khắc, vị trí hội tụ khoảngđộcách khắc laser vị trình khắc màu cách đường khắcsát laser lêntăng quámật trình màuchùm bằngtia laser cơng suất cao laser công suất cao khảo Khi độkhắc năngtạo lượng laser, khảo sát Khi tăng mật độ lượng chùm tia laser, nhiệt độ nhiệt độ khu vực laser chiếu mặtlaser kim chiếu loại tăng lên.kim Điều tới khutrên vựcbề tới bề mặt loại tăng Điều tăngđẩy cường phản khuếch tánơxy ơxyhóa vào bề mặt đẩy giúp tăng cường khuếch tánlên ôxy vàonày bề giúp mặt nhanh ứng nhanh phản ứng ơxy hóa Tuy nhiên, mật độ lượng Hình Chương trình điều khiểnTuy hệ khắc tạođộ màu nhiên,laser mật lượng lớn, phát triển lớp oxit bề mặt lớn, phát triển lớp oxit bề mặt bị ảnh hưởng bốc máy tính bị ảnh hưởng bốc bay hạt kim bề giảm dàyđộ củadày lớpcủa oxit bay loại hạt kim loạimặt bề làm mặt làmđộgiảm lớp oxit bao phủ Hệ thiết bị khắc tạo màu bề mặt kim loại chế tạo bao phủ thành công thể hình Mẫu thử nghiệm vật liệu inox 304 bề mặt sáng bóng BA, inox 201 mặt HL, inoxbóng 316 BA, mặt nhám B2 kim titan grade Mẫu thử nghiệm vật liệu inox 304 xước bề mặt sáng inox 201 mặthợp xước có chiều dày mm (hình 6) HL, inox 316 mặt nhám B2 hợp kim titan grade có chiều dày mm (hình 6) Hình Hệ thiết bị máy khắc laser tạo màu chế tạo Hệ thiết bị máy khắc laser đo đạc kiểm nghiệm điều kiện hoạt động ổn định thời gian dài, thơng số hệ trình bày bảng Từ đó, sử dụng để nghiên cứu, thử nghiệm kỹ thuật khắc laser tạo màu bề mặt vật liệu kim loại Bảng Thông số kỹ thuật hệ thiết bị khắc tạo màu laser chế tạo Loại laser Bước sóng Cơng suất laser lối lớn Độ ổn định công suất Đường kính chùm laser Chất lượng chùm M2 Độ rộng xung Kích thước vùng khắc Tần số lặp lại xung Tốc độ khắc lớn Làm mát Nguồn điện Laser sợi quang MOPA 1.064 nm 25 W