Ket noi com kho tài liệu miễn phí PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CHÙM TIA LASER (Laser Beam Machining LBM) Mục tiêu Sau khi học nghiên cứu xong chương này, người nghiên cứu có khả năng sau Hiểu khái niệm gia cô[.]
Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG CHÙM TIA LASER (Laser Beam Machining - LBM) Mục tiêu : Sau học nghiên cứu xong chương này, người nghiên cứu có khả sau: - Hiểu khái niệm gia công chùm tia Laser - Hiểu, biết nguyên lý gia công chùm tia Laser - Tường minh phương pháp gia công chùm tia Laser - Biết tường tận thông số công nghệ - Tường minh thông số công nghệ - Ưu nhược điểm gia công chùm tia Laser I Khái niệm : - Laser sử dụng dụng cụ phát tia lượng tập trung mạnh mà tương lai gần số lĩnh vực đó, cách mạng kỹ thuật gia cơng kim loại Hiện sử dụng thành công việc gia công siêu tinh, công nghệ hàn điểm nhỏ luyện kim Gia cơng chùm tia laser q trình xử lý nhiệt tia laser dùng làm nóng chảy bốc vật liệu - Máy tia laze máy cắt tia sáng hoạt động theo chế độ xung Năng lượng xung khơng lớn, hội tụ chùm tia có đường kính khoảng 0,01 mm phát khoảng thời gian phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia cơng, nung nóng, làm chảy bốc vật liệu Tia sáng gọi tia laze, viết tắt theo tiếng Anh LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) thường dịch nghĩa tiếng Việt máy phát lượng tử ánh sáng II Nguyên lý gia cơng : - Hình 5.65 ngun lý gia công tia lazer máy Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí K-3M Hình 5.65 : Ngun lý gia cơng 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 cơng 9) Bàn gá 10) Tế bào quang điện - Nguồn điện công nghiệp qua biến nắn dòng nạp vào hệ thống tụ Điện áp tối đa tụ kV để điều Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí khiển phóng điện tới đèn phát xung đặt phận phản xạ ánh sáng Bộ phận có dạng hình trụ với tiết diện mặt trụ cắt ngang elíp Khi đèn phát sáng, toàn lượng tạp trung vị trí có đặt hồng ngọc Những ion Cr+3 hồng ngọc bị kích lên mức lượng cao, tụt xuống chúng phát lượng tử Nhờ hệ dao động gương phẳng 6, lượng tử lại nhiều lần qua hồng ngọc kích ion Cr +3 khác để phóng chùm tia lượng tử Gương có độ phản xạ ánh sáng gần 99%, cịn gương gần 50% Nhờ đó, mặt ta nhận chùm tia lade phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát qua gương tế bào quang điện 10 thu lại qua hệ thống chuyển đổi ta biết lượng chùm tia phát khỏi máy Chùm tia nhận qua gương tập trung hệ quang học tác dụng lên chi tiết gia cơng (đặt bàn máy 9) có khả di chuyển tọa độ theo ba phương X, Y, Z - Khi tập trung tia laser vào vị trí gia cơng cần chọn hệ thống quang học chế độ gia công lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng chùm tia, tiêu cự hệ thống quang học số xung laser - Quá trình tác dụng chùm tia laser vào vị trí gia cơng chia giai đoạn sau : + Vật liệu gia công hút lượng chùm tia laser chuyển lượng thành nhiệt + Đốt nóng vật liệu gia cơng tới nhiệt độ phá hỏng vật liệu Giai đoạn ứng với trình truyền nhiệt vật rắn tuyệt đối bị giới hạn phía theo phương tác dụng chùm tia kể từ bề mặt tác dụng + Phá hỏng vật liệu gia công đẩy chúng khỏi vùng gia công Giai đoạn ứng với trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn thay đổi theo phương tác dụng chùm tia laser + Vật liệu gia công nguội dần sau chùm tia laser tác Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí dụng xong III Cơ sở phương pháp gia công chùm tia Laser : - Năm 1954 N Pronhorop thuộc viện Hàn Lâm Khoa Học Liên Xô lúc P Godon, H J Zeigiơ C H Taun thuộc Trường Đại Học Colombia giải thưởng Nobel việc lần giới chế tạo thành công máy phát lượng tử -MASER mà sau thay danh từ LASER (LIGH APLICATION BY STIMULATED EMUSION OF RADIOTION)- Có nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng - Laser dụng cụ phát tia sáng, phóng xạ song song cực mạnh Về phương diện quang học hình dung nguồn sáng điểm sáng đặt vô cực, nhỏ đến mức kích thước điểm chấm Điểm ánh sáng lạ thường phóng lượng nguyên tử kích thích trạng thái ổn định (metastabil) - Trên sơ đồ nguyên lí làm việc laser thấy khơng gian quang học chứa đựng laser, không gian Laser dụng cụ phát tia sáng, phóng xạ song song cực mạnh Về phương diện quang học hình dung nguồn sáng điểm sáng đặt vơ cực, nhỏ đến mức kích thước điểm chấm Điểm ánh sáng lạ thường phóng lượng ngun tử kích thích trạng thái ổn định (metastabily chúng hai phía hai kính phản chiếu, chúng laser, nguyên tử bị kích thích vào trạng thái ổn định, photon phóng Photon phóng tứ phía số nhiều photon hướng vào trục quang học laser Trong lúc có nguyên tử trạng thái bị kích thích va chạm nhau, photon tiếp tục phóng ra, photon nối tiếp photon trước pha hướng Quá trình tiếp diễn lúc photon chuyển động dọc theo trục quang học sau nhiều Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí lần phản xạ trở lại, phần chúng rời bỏ đầu laser Ở phận qua kính phản chiếu phận, cịn phận khác phản xạ trở laser có phản chiếu 100%, mặt định hướng cho tia sáng đập lên Hình 5.66 : Sơ đồ nguyên lý làm việc laser: - Khi tia sáng xuyên qua kính phản chiếu đầu ra, hình thành tia nối tiếp nhau, chuẩn trực mạnh Tia laser hình thành sử dụng dụng cụ làm việc chế độ xung Tia ánh sáng điều chỉnh tiêu cự, hướng vào mặt phẳng vật gia công, tuỳ theo khả hấp thụ vật liệu mà lớp bề mặt có nhiệt độ cực cao Ví dụ: chiếu vào khối than tia laser chốc lát có lửa lên cao mili giây nhiệt độ cục tăng lên đến 8000oC - Nói tóm lại, photon điều kiện đó, kích thích nguyên tử vật chất phân tử hay nguyên tử xạ photon thứ cấp giống y Các photon thứ cấp pha với photon ban đầu Như vật chất xuất q trình nhận photon Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí xạ sóng điện từ với bước sóng định Đó ngun lí chung loại laser - Các loại tia laser tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật, mơi trường hoạt tính khác : mơi trường khí, mơi trường rắn, môi trường lỏng, môi trường bán dẫn + Môi trường khí : Loại Laser khí phổ biến rộng rãi, kích thích phóng điện điều khiển tương đối đơn giản Có loại laser khí : loại ngun tử trung hồ, loại ion hố loại phân tử Hiện dùng phổ biến laser CO2 Laser khí CO2 dùng dạng tinh khiết thêm vào khí N2 H2 theo tỉ lệ hạn chế tổn thất lượng xạ nhiệt hiệu suất laser khí CO2 tăng thêm + Môi trường rắn : tia laser rắn mơi trường hoạt tính chất rắn thường hồng ngọc nhân tạo (Meiman chế tạo năm 1960) Ngồi hồng ngọc người ta cịn sử dụng số loại khác : hợp chất thuỷ tinh Nê-ô-din Nd, Curopi-Eu + Môi trường bán dẫn : Trên lý thuyết cặp electron lỗ trống gặp nhau, chúng trung hoà với phát ánh sáng Do hiệu suất laser bán dẫn biến đổi cơng suất chúng phương pháp biến đổi dòng điện kích thích áp dụng rộng rãi công nghiệp điện tử - Laser dạng lỏng chưa ứng dụng để gia công kim loại phịng thí nghiệm Hiện người ta tiếp tục nghiên cứu ứng dụng laser trạng thái rắn vào gia công kim loại Phần lớn laser trạng thái rắn dùng rubin nhân tạo màu hồng (thanh hồng ngọc) Theo sơ đồ khối thiết bị laser cho thấy vị trí đặt vật liệu laser hệ thống thiết bị Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 5.67 : Sơ đồ khối thiết bị Laser a) Nguồn điện cao tích trữ lượng b) Biến áp c) Thanh hồng ngọc d) Đèn chớp e) Tia laser IV Dụng cụ thiết bị gia công : - Trên sở máy phát tia laser để gia cơng kim loại gồm phận : + Đầu phát tia laser + Bộ phận cung cấp điện điều khiển + Bộ phận gá đặt chi tiết gia công - Để tạo laser vật thể rắn ta sử dụng tinh thể khoáng chất khác thuỷ tinh chất nguyên tố hiếm, ví dụ : tinh thể hồng ngọc (rubi), thuỷ tinh neodim (Nd) v.v - Có nhiều cách phân loại laser, thông thường người ta phân loại theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính chúng Có loại laser : laser rắn, laser lỏng, laser khí laser gama Nhưng thơng dụng laser rắn (laser hồng ngọc) Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 5.68 : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1) Máy phát quang lượng tử 2) Màng ngăn 3) Ống ngắm 4) Vật kính kính hiển vi 5) Tấm kính bảo vệ 6) Chi tiết gia công 7) Bộ nguồn - Laser khí CO2 thích hợp việc gia cơng thuỷ tinh hấp thụ tồn phần bước sóng 10, 6mm Để cắt ống thuỷ tinh người ta gắn chúng lên giá đỡ xoay xung quanh trục ống Thời gian cắt phụ thuộc vào công suất tia laser, chiều dài ống thuỷ tinh xung thường không 1/10 giây Bề mặt mối cắt không bị rạng nứt, điều quan trọng hàn kín chi tiết thuỷ tinh với kim loại Phương pháp ứng dụng rộng rãi có hiệu kinh tế cao công nghiệp sản suất thiết bị chân không, đèn điện tử - Tập trung tia laser thơng qua hệ thống lăng kín chiếu lên diện tích nhỏ khoan lỗ nhỏ vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao Về phương diện lý thuyết điểm chiếu lên bề mặt vật liệu, đường kính (d) chấm sáng cỡ chiều dài sóng Thực tế tạo chấm sáng có đường kính 100-250 mm Cường độ ánh sáng tập trung lăng kính gấp 40 lần cường độ ánh sáng mặt trời Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí - Có thể khoan lỗ có đường kính 2-5 mm hệ thống lăng kính hội tụ hệ thống điều chỉnh khí Gia cơng lỗ lớn vài mm, dùng lăng kính Kim loại lỗ gia cơng bốc thành kim loại, điều chỉnh độ sâu lỗ cách điều chỉnh thời gian số lần xung phóng tia laser - Hiện người ta cải tiến tạo máy gia công tia laser điều khiển số Đó máy CNC, loại máy nàycho phép ta gia cơng xác thuận lợi gia cơng hình dáng phức tạp Máy tia laser thường chế tạo theo dạng máy khoan, máy hàn, máy cắt đứt Các loại máy thường dụng ccông nghệ NC/CNC để điều khiển chuyển động bàn máy mang phôi theo toạ độ X,Y Khi cần thiết người ta chế tạo máy tia laze điều khiển CNC toạ độ với việc sử dụng nội suy đường thẳng đường cong - Hình 5.69 giới thiệu sơ đồ cấu trúc máy laze CNC SCM-1000 hãng FEHA GmbH (Đức).Máy dùng đầu laze dùng nguồn laze khí CO2 Tia laze dẫn qu a gương chắn dòng 2, gương dòng đến hệ lăng kính hội tụ để tác động vào bề mặt chi tiết gia công qua đầu cắt laze vật liệu bị bốc trình cắt thổi ngồi khí nén Khí nén đưa vào cắt qua ống Để tăng hiệu cắt trong số vật kiệu người ta sử dụng oxy thay khơng khí - Thơng số kỹ thuật máy CNC-1000 gồm có : +Cơng suất max :1 kW + Bước sóng :10,6 mm + Vận tốc cắt max :8 m/phút + Kích thước máy :5,2x2,2x1,7 m - Hệ thống CNC điều khiển hai toạ độ bàn máy với độ xác dịch chuyển mm Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 5.69 : Sơ đồ máy tia Laser CNC V Các thông số công nghệ : - Khả gia công lỗbằng tia laser tuỳ thuộc vào khả hấp thụ vật liệu lượng ánh sáng nhiệt độ cần thiết để làm bốc vật liệu Độ cứng tính chất kim loại học khơng có ý nghĩa Nhưng khả dẫn nhiệt vật liệu lại có ảnh hưởng lớn đến khả gia cơng, gia cơng cách dễ dàng lỗ sâu thép khơng rỉ, cịn với đồng khó gia cơng, chí khoan với độ sâu định, khơng Đó đồng dẫn nhanh lượng nhiệt sinh từ lượng hấp thụ vào, khơng thể đạt đến nhiệt độ bốc trước lượng lớn tia laser phân phối vào kim loại - Q trình gia cơng tia laser tách làm pha : + Anh sáng laser bóc lớp bề mặt có khả phản chiếu lớn Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí + Sau vật liệu màu gần đen hấp thụ lượng chùm tia laser - Trong giai đoạn sau trình phát nóng tăng lên mạnh nhiệt độ toả hướng từ lỗ khoan Từ thấy đường kính lỗ lớn đường kính tia laser, khác biệt lớn thời gian chiếu tia laser dài - Năng lượng cần thiết để bốc lớp bề mặt phụ thuộc vào loại vật liệu Vật liệu có khả phản chiếu tốt, nhiệt độ sôi cao, tỉ trọng lớn, tỉ nhiệt lớn, lớp bề mặt khó bị bốc Cần phải điều chỉnh xác lượng chùm tia laser để khoan lỗ có kích thước cho Tuỳ thuộc vào tốc độ cung cấp lượng, mà q trình nung nóng, nóng chảy bốc diễn hay khơng Q trình điều chỉnh thơng thường diễn cách thay đỗi thời gian xung tia laser Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Hình 5.70 : Sơ đồ quan hệ lượng thời gian xung - Biến thiên lượng thời gian xung biểu thị tập hợp đường cong phù hợp với đặc tính nhiệt vật liệu - Rất cần thiết phải nhấn mạnh ánh sáng laser phương thức để truyền dẫn lượng với mật độ lượng lớn Có thể xâm nhập vào chân khơng, gar, lên bề mặt chi tiết cấy vật liệu suốt nhờ có khả điều chỉnh tiêu cự tia sáng xác mà gia cơng xác, bề mặt bị bao bọc cầu suốt hàn kín - Năng lượng tích luỹ nguồn phát tối đa 6000W giây (joule) đỉnh cao công suất 5000 W Máy giây phát tia chớp, chứa đựng lượng 10 Wgiây(joule) Ở mặt bàn thao tác, chùm tia tiết diện trịn chữ nhật dài Có thể điều chỉnh đường kính điểm chấm sáng bề rộng rãnh từ 10÷1000 ìm, chiều dài rãnh tối đa 15mm - Nhờ ưu điểm tập trung nhiệt độ cao điểm (8000oC) với bán kính điểm cần chiếu đạt tới 0,05 Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí mm liên xơ từ năm 1964 sản xuất hàng loạt thiết bị laser công nghiệp SU–1, K3 để hàn công tác linh kiện bán dẫn (transistor, diod, đầu cặp nhiệt điện) Nhất dùng thiết bị laser SU–1 để điều chỉnh trị số danh định điện trở công nghiệp sản xuất vi mạch làm tăng suất lao động lên đến 10-12 lần chất lượng sản phẩm nâng cao rõ rệt - Đối với thiết bị laser hồng ngọc K-3M, IL-2M, IL20M, cho lượng xạ đến 30 Joule, thời gian kéo dài xung điều chỉnh mức 1, 3, 5, ms Tần số xung 12 xung/ phút, thiết bị có suy giảm lượng ánh sáng lối từ 2, 10, 25 đến 50 lần Đường kính tia sáng hội tụ tối thiểu 0,05 mm hàn chân vi mạch điện tử hàn kim loại khó nóng chảy có chiều dài 0,05mm - Ngồi bảng 5.10 cho ta biết số loại laser khác - Các yếu tố ảnh hưởng đến suất cắt chất lượng vết cắt công suất xạ laze, chiều dày vật cắt, vận tốc cắt thời gian tác dụng Chiều dày tối đa thép thường 6mm, thép gỉ :3mm, phi kim loại :10mm VI Ưu - Nhược điểm - Phạm vi ứng dụng - Phương pháp phát triển : 1) Ưu điểm : - Không cần dùng buồng chân không - Không có vấn đề điện tích mơi trường - Khơng có phóng xạ rơnghen - Cơng suất xạ cao, q trình cắt khơng phụ thuộc vào tính phơi liệu, nên khoan, hàn, cắt đứt vật kiệu có độ bền cao, phi kim loại, khó gia cơng phương pháp truyền thống - Thời gian nung nóng vật liệu ngắn, vùng chịu tác động hẹp, vết cắt nhỏ, biến dạng, nên đảm bảo độ xác chất lượng bề mặt gia cơng cao - Khơng dùng dụng cụ cắt, khơng có lực cắt - Cắt bề mặt phức tạp, vị trí khó tiếp cận Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí - Chính ưu điểm mà phương pháp gia công tia laze quan tâm phát triển ngành chế tạo máy, mà ngành truyền thông, y học, đo lường 2) Nhược điểm : - Hiệu suất thấp (dưới 1%) - Với số loại tia laser, khó hồn tồn khơng có khả điều chỉnh cơng suất Bảng 5.10 : Một số loại laser thương mại Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí - Khả điều chỉnh độ lệch tia so với tia điện tử - Đường kính nhỏ điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng * Cân nhắc ưu điểm nhược điểm khẳng định gia công tia laser trở thành công nghệ quan trọng để gia công lỗ đặt biệt để cắt kim loại, nhờ có khả nâng cao tần số phát sung chùm tia laser với lượng 5–10 joule/xung khả nâng cao hiệu suất sử dụng tia laser 3) Phạm vi ứng dụng : - Trong công nghiệp laser sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt… loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể phi kim - Gia cơng chùm tia lade có hiệu lỗ nhỏ Đường kính lỗ nhỏ đạt 4:m sử dụng chùm tia lade gia công vật liệu khác kim loại, thạch anh, kim cương, rubi, v.v Chiều sâu lỗ gia cơng đạt 12,7 mm Khi gia cơng đường kính lỗ 0,1-0,2 mm độ xác đạt 2-5 :m - Laser cịn dùng để kiễm tra chất lượng sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết chất lỏng khí, sản phẩm điện tử - Trong y khoa laser ứng dụng việc giải phẩu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu - Ngoài laser thâm nhập vào sống chúng Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí ta qua băng từ, máy in laser, máy photo laser nhiều ứng dụng khác 4) Phương pháp phát triển : - Cơng nghệ tia laser ứng dụng rộng rãi hơn, tăng lượng chùm tia laser kéo dài thời gian xung, đến mức vận hành liên tục hoàn toàn - Cần nâng cao hiệu kinh tế, cần có thiết bị hồn chỉnh Nhất thiết phải nâng cao hiệu suất Ở thiết bị nay, người ta dùng tụ để tích luỹ lượng, nguy hiểm đắt tiền Người ta thử nghiệm thiết bị tích luỹ lượng khác Nhất thiết phải chế tạo loại đèn chớp tuổi thọ cao, loại nguồn phát sáng khác - Chỉ đưa công nghệ tia laser vào ứng dụng công nghiệp, mở phát triển phạm vi sử dụng Nếu đạt thành tựu việc giải vấn đề nêu