ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ******* ỨNG DỤNG LASER CÔNG SUẤT CAO TRONG KHOAN VÀ CẮT VẬT LIỆU MÔN HỌC VẬT LÝ LASER GIÁO VIÊN PHỤ TRÁCH PGS TS TRẦN MINH THÁI SINH VIÊN THỰC HIỆN[.]
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ******* ỨNG DỤNG LASER CÔNG SUẤT CAO TRONG KHOAN VÀ CẮT VẬT LIỆU MÔN HỌC: VẬT LÝ LASER GIÁO VIÊN PHỤ TRÁCH: PGS.TS TRẦN MINH THÁI SINH VIÊN THỰC HIỆN: 1.TỐNG VIẾT THANH HIẾU 2.TRẦN THY KHOA NGUYỄN THẾ TRUNG NỘI DUNG CHÍNH I II Giới thiệu lịch sử hình thành ứng dụng laser khoan cắt vật liệu Cấu tạo, tính chất laser III Laser cắt vật liệu IV Laser khoan vật liệu V Đặc điểm phạm vi sử dụng laser khoan cắt vật liệu I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH LASER VÀ ỨNG DỤNG LASER TRONG KHOAN VÀ CẮT VẬT LIỆU Laser (Light Amplification by Stimulate Emission of Radiation of Radiation) phát minh khoa học quan trọng kỷ XX Từ phát minh lý thuyết xạ kích thích Einstein năm 1917, đến quan sát thực nghiệm xạ kích thích Fabricant, giáo sư trường Đại học lượng Moskva 1940, sở để Townes, nhà vật lý học người Mỹ phát minh máy khuếch đại sóng điện từ xạ kích thích Tháng năm 1960, Maiman chế tạo laser Rubi, Laser giới tháng sau tức tháng năm 19:60, Javan chế tạo Laser khí He-Ne Từ dấy lên cao trào nghiên cứu chế tạo ứng dụng laser Cho tới hầu hết loại Laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn … trải hầu hết ngành khoa học công nghệ y tế Một ứng dụng quan trọng Laser phải kể đến ứng dụng khoan cắt kim loại Ý tưởng cắt vật liệu ánh sáng yêu cầu lần người đốt cháy giấy với hỗ trợ kính lúp Và cắt thép có độ dày cỡ centimet cịn hấp dẫn Cắt laser ngày hôm ứng dụng phổ biến laser Ở Nhật, gần 80% laser công nghiệp sử dụng để khoan cắt vật liệu (đặc biệt kim loại) Những ưu điểm bật laser khoan cắt nguyên nhân để đầu tư phát triển thay phương pháp trực tiếp Trong nhiều trường hợp laser có tốc độ cắt nhanh chất lượng cao Để gia cơng vật liệu, laser phải có đủ lượng Người ta thường dùng laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG laser Nd-thủy tinh laser excimer II CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÁY PHÁT LASER II.1 Cấu tạo laser: Tia laser 1/ Môi trường hoạt tính 2/ Ng̀n ánh sáng kích thích 3/ Buồng cộng hưởng quang học 4/ Gương phản xạ toàn phần (độ phản xạ ánh sáng 100%) 5/ Gương phản xạ bán phần suốt (độ phản xạ ánh sáng 50%) II.2 Tính chất laser: a Độ định hướng cao: tia laser phát song song có khả chiếu xa hàng nghìn km mà khơng bị tán xạ Chùm sáng laser khơng cịn tính song song hiệu ứng nhiễu xạ, định bước sóng ánh sáng độ lối b Tính đơn sắc cao: chùm sáng phát có màu hay bước sóng Đây tính chất đặc biệt mà khơng có chùm sáng khác có c Tính kết hợp: đồn sóng laser trải dài đến hàng trăm km, điều có nghĩa vân giao thoa tạo thành chồng chất chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói III LASER TRONG CẮT VẬT LIỆU: Nhìn vào bảng 3.1, ta thấy so sánh phương pháp cắt kỹ thuật khác qua thấy ưu điểm cắt laser Những lợi đáng kể laser nhìn thấy bảng cần giải thích thêm qua phần Những thuận lợi chia làm loại: chất lượng cắt, trình cắt III.1 Chất lượng cắt Độ rộng rãnh cắt hẹp , nên tiết kiệm vật liệu Các mép cắt hình vng, khơng trịn xảy kỹ thuật cắt nhiệt khác Nhiệt ảnh hưởng đến khu vực khác nhỏ, lớp cắt mỏng có kích cỡ miromet Cạnh cắt mịn sạch, coi sản phẩm cắt cuối nên không cần làm thêm Cạnh cắt đủ rõ , hàn lại trực tiếp Khơng có cạnh nhơ với kỹ thuật cắt khí Những chất dơ lường tránh Độ sâu cắt hạn chế phụ thuộc vào lượng laser Để có vết cắt có chất lượng cao với cơng suất laser 2-5KW 10-20mm III.2 Đặc điểm trình cắt Đây trình cắt nhanh Không cần kẹp phôi , thường kẹp để tránh di chuyển phơi gia tốc bàn, dùng chương trình điều khiển số CNC Đây trình cắt khơng tiếp xúc, ống kính cần phải giữ Cắt thực theo hướng Nhiễu thấp Quá trình cắt thể tự động hóa , điều khiển phần mềm Một số vật liệu cắt chồng, có vấn đề hàn lớp Gần tất tất vật liệu điều cắt ( vật liệu dễ vỡ vụn , cứng , mềm, dẫn điện, không dẫn điện…) Chỉ có vật liệu có hệ số phản chiếu cao đồng, nhơm vàng có số vấn đề ( hư nguồn phát laser ánh sáng phản chiếu ), khắc phục cách điều khiển chùm tia cách thích hợp III.3 Sơ đồ bố trí thiết bị laser cắt Hình 3.2 thể sơ đồ bố trí thiết bị cắt laser Các phận bao gồm nguồn phát laser, phận gương định hướng chùm tia thấu hình hội tụ hay hệ thống chiếu ảnh, đến vật cần gia cắt đặt giá đỡ, ngồi cịn có thêm nhiệt lượng kế để đo nhiệt độ , điều khiển số Chùm tia laser phát sau qua phận định hướng, tập trung trực tiếp vào thấu kính quang học, ánh sáng truyền qua hay phản xạ trở lại Thấu kính quang học truyền qua chế tạo từ ZnSe, GaAs laser CO2 thạch anh laser excimer Thấu kính phản xạ gương parabol lệch trục hay gương cầu trục ( hình 2.25) 3 b a Các gương có vai trị quan trọng cắt laser , có chức hội tụ chùm tia thành điểm lượng cần để cắt lớn Nguồn sáng Thấu kính hội tụ Vật liệu cần gia công Các phương pháp cắt laser • Phương pháp đột biến nhiệt • Cắt khoan: thường dùng cắt vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh… • Phương pháp đốt nóng chảy thổi • Phương pháp bay • Phương pháp cắt nguội: dùng tia Laser có bước sóng cực tím, dùng vi phẩu thuật, cắt plastic III.4 Nguyên lý cắt thiết bị Phần lớn máy cắt laser thị trường sử dụng laser CO2 laser Nd: YAG với nguyên lý tương tự Một chùm tia lượng cao sinh máy phát laser tập trung lên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính Chùm tia đốt nóng vật liệu tạo nên vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ 0,5mm) Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy khỏi vùng gia cơng dịng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser Đối với số loại vật liệu dịng khí làm tăng tốc q trình cắt tác động hóa học lý học Vùng vật liệu bị nóng chảy cục di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo quỹ đạo sinh vết cắt Chuyển động thực cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC chuyển động khí vật liệu theo hai phương X-Y bàn máy CNC Cũng có máy thiết kế hai loại chuyển động này, chùm tia laser di chuyển theo phương chi tiết gia công di chuyển theo phương lại Các hệ thống tự động hóa hồn tồn cho phép cắt hình dáng 3D Trong phương pháp laser làm bay lỗ xuyên vật liệu, lỗ di chuyển ngang tạo thành vết cắt Các thông số cắt laser kim loại Nguồn laser, dạng xung hay liên tục, bước sóng, phân cực, dạng chùm tia, vị trí đầu cắt… Tốc độ dịch chuyển, điều khiển vị trí tiêu điểm chùm tia Đặc tính vật liệu cắt Bề rộng đường cắt Áp suất khí Tốc độ cắt Thường sử dụng laser CO2 laser Nd: YAG cắt vật liệu Nhưng laser Nd: YAG có lợi điểm so với laser CO2 Thao tác với chi tiết nhỏ phần vật liệu nhỏ Cắt tốt vật liệu có hệ số phản xạ cao, hợp kim đồng hay hợp kim bạc Nếu có sử dụng sợi cáp quang di chuyển mũi cắt cách dễ dàng Nhược điểm: Không thể cắt vật liệu hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh Công suất nhỏ Ưu điểm cắt laser: Cắt hầu hết loại vật liệu, vật liệu có từ tính khơng có từ tính Rãnh cắt sắc cạnh, có độ xác cao Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong Không biến dạng học biến dạng nhiệt Tốc độ cắt nhanh Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao suất Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bụi Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất nguồn laser) IV LASER TRONG KHOAN VẬT LIỆU Trong lịch sử, laser khoan ứng dụng công nghiệp Western Electric , sử dụng tia laser ruby năm 1965 để khoan lỗ kim cương, theo sau đầu năm 1970 trình cắt Laser khoan có thuận lợi thị trường vì: • Khoan lỗ nhanh • Có thể kiểm sốt đường kính độ sâu lỗ phương pháp trepaning • Lỗ khoan mịn • Nó khoan vật liệu có khả hấp thụ xạ, không phân biệt độ cứng Những thách thức laser khoan quan tâm phát triển: • Tốc độ tăng • Giảm kiểm sốt độ • Loại bỏ dấu vết • Tăng độ xác mặt cắt ngang hình dạng lỗ ( vng , trịn , sao) • Độ lặp lại tốt • Khoan qua vật liệu có mạ Tầm quan trọng khoan laser đòi hỏi phải làm để khoan nhanh chóng, lỗ chất lượng cao với độ lặp lại tốt Bao gồm: • Single-shot drilling: Một xung tạo kết thúc lỗ • Double-pulse drilling: Khoan đúp xung, lượng phân chia hai xung • Percussion drilling: Một hay nhiều shot với di chuyển phôi hay chùm tia • Trepanning: Xoay chùm tia xung quanh vị trí lỗ , giống căt • Helical trepanning : trepanning xoắn ốc Sử dụng phương pháp lỗ thực hiện: • Vng góc bề mặt • Tạo góc so với bề mặt Sử dụng xung laser ngắn để gia công lỗ sâu, phương pháp dựa sở kim loại bay tác dụng nhiệt gia công Bảng tính tốn h d cho số vật liệu tiêu điểm nằm bề mặt vật liệu (h độ sâu d đường kính) Ưu điểm: • Thời gian thực nhanh, nâng cao suất • Khoan lỗ nhỏ mà phương pháp gia công học làm được, lỗ khoan đẹp, có độ xác cao Nhược điểm: Lỗ khoan bị cơn, chiều sâu đường kính lỗ hạn chế Bảng tính tốn h d cho số vật liệu tiêu điểm nằm bề mặt vật liệu Phương pháp khoan ứng dụng trong: kỹ thuật chế tạo máy, kỹ thuật điện, kỹ thuật hàng không, dệt… V ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG: Đặc điểm: o Không cần dùng buồng chân không o Khơng có tích điện mơi trường o Hiệu suất thấp o Khó điều chỉnh cơng suất o Khả điều chỉnh độ lệch tia tia điện tử o Đường kính nhỏ điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Ưu điểm: o Làm việc mơi trường rắn, lỏng, khí,chân khơng o Có thể gia cơng tất vật liêu o Phù hợp với cắt vật liệu ceramic vật liệu bị phá hủy nhanh nhiệt o Độ chuẩn xác cao o Thơi gian tồn xung ngắn nên có suất cao o Có khả tạo rãnh máng hẹp o Chế độ gia công êm gia công khác Nhược điểm: o Cần kỹ thuật cao, đầu tư lớn o Giá thành cao o Cần phải xác định xác điểm gia cơng o Phá hủy nhiệt có ảnh hưởng lớn VI TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn Vật Lý Laser ĐHQG TP.HCM 2002 Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến Vật Lý Laser ứng dụng ĐHQG Hà Nội 2003 Leonard Migliore (Edited), Laser material processing, Marcel Dekker, 1996 ... o Độ chuẩn xác cao o Thơi gian tồn xung ngắn nên có suất cao o Có khả tạo rãnh máng hẹp o Chế độ gia công êm gia công khác Nhược điểm: o Cần kỹ thuật cao, đầu tư lớn o Giá thành cao o Cần phải... Rãnh cắt sắc cạnh, có độ xác cao Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong Không biến dạng học biến dạng nhiệt Tốc độ cắt nhanh Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao suất Không gây tiếng ồn,... có mạ Tầm quan trọng khoan laser đòi hỏi phải làm để khoan nhanh chóng, lỗ chất lượng cao với độ lặp lại tốt Bao gồm: • Single-shot drilling: Một xung tạo kết thúc lỗ • Double-pulse drilling: Khoan