phuong phap gia cong tia laser pptx

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT PHÚ LÂM KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ TIỂU LUẬN MÔN HỌC: VIẾT BÁO CÁO VÀ THUYẾT TRÌNH CHỦ ĐỀ: CẤU TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER GV: PHẠM THỊ VÂN ANH SV: LÊ PHƯỚC LẬP Tp.HCM ngày 24 tháng 5 năm 2012 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, tia laser được được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật nói chung va trong cơ khí nói riêng. Nhưng có thể chúng ta chưa hiểu biết nhiều về tia laser. Bài này sẽ giới thiệu một số kiến thức về nguồn gốc và cấu tạo của tia laser. Bài cũng giới thiệu về cách phân loại các tia laser và giới thiệu cấu tạo của một số máy phát tia laser. Một phần quan trọng nữa là ứng dụng tia laser vào lĩnh vực cơ khí. Bài sẽ giới thiệu về ứng dụng tia laser vào gia công cơ khí nói chung và gia công kim loại nói riêng. 2 3 I. KHÁI NIỆM VÀ CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN. I.1. Khái niệm. - Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Hiện nay thì laser có thể sử dụng 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. 4 - 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. II. NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG 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: 5 2 5 4 1 3 Tia laser Hình 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. 5. Gương phản xạ bán phần trong suốt. Trên hình 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 học của 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 8000 0 C trong 1ms. Nguyên lý gia công của một loại máy điển hình: - Hình 2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M: 6 Hình 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. -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. Bộ phận này có dạng hình trụ với tiết diện mặt trụ ngang là elíp. 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 7 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. III. PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY LASER. III.1. Các loại laser. Có nhiều cách để phân loại Laser, thông thương người ta thườnng 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. 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 8 chúng chưa đạt được cao lắm. So với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), nhưng 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. - Laser rắn: + Trong laser rắn, 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%. Nhưng 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. 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 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. - 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, 9 có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vơ cơ lỏng có thể cho cơng suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung. + 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 tn theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. - Laser Gama: + Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có mơi 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 ngun tố hiếm như êropi. Mơi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các ngun tử êropi. + Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là mơi trường hoạt tính khơng 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 vơ cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vơ cơ có cơng suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. + 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 tn theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. + Về ngun lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác. Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong mơi 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. III.2. Cấu tạo máy laser. Những nguyên tử, cũng tương tự như phân tử, cũng có cấu trúc năng lượng, các mức đó mang tính chất lượng tử, khoảng cách các mức cũng cố đònh với từng loại phân tử. Nhờ đó mà các phân tử đều có thể bức xạ điện tử nếu chúng bò kích thích. Muốn cho các nguyên tử phát ra ánh sáng (sóng điện từ nói chung) chúng phải được kích thích, tức là electron phải được đẩy lên mức năng lượng cao hơn. Có thể dùng: đốt nóng, dùng ánh sáng mạnh chiếu vào, dòng điện đi qua. Khi nhận năng lượng này electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng sống tạm một thời gian ở mức năng lượng mới và sẽ trở về mức năng lượng cũ và phát ra ánh sáng. Do đặc điểm bức xạ tự phát nên trong một thời điểm electron chuyển mức năng lượng bức xạ ra proton khác tạo nên một quá trình vô 10 [...]... 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 nêodim (Nd), … Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser. .. 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 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 30 Hình 23 Máy gia công bằng tia laser VI.3 Các phương pháp gia cơng kim loại bằng tia laser Máy cắt: Phương pháp cắt bằng laser. .. nhiên tia laser cũng được sử dụng trong công nghiệp kim cương để chia kim cương công nghiệp và phá tan những hư hỏng trên đá chạm bằng tia laser trên bề mặt kim cương qua hai bước: tạo dáng cơ bản trên bề mặt bằng chiếu tia lên bề mặt và làm tinh Thường sử dụng tia laser Nd:YAG để cắt khoan kim cương Tuy nhiên tia laser cực tím phát xung quang lại thuận lợi cho dành cho đục bề mặt kim cương Sử dụng laser. .. kính kết hợp với tia laser nhỏ sẽ hội tụ trên bề mặt đá tạo ra hình dáng kim cương Điều khiển độ sâu gia công có thể dùng cấu trúc vó mô laser v.v Nguồn năng lượng laser yêu cầu là một hàm của diện tích điểm tập trung laser trên bề mặt làm việc Cường độ tia laser hội tụ cũng là tham số ảnh hưởng điểm nhỏ nhất Với kích thước siêu nhỏ (µm) chỉ cần một vài µJ năng lượng laser đã dễ dàng gia công vật liệu... một phần năng lượng chùm tia bò mất mát qua các màn chắn, làm giảm hiệu suất năng lượng chùm tia D 2 5 4 3 DM 1 Do 21 D1 F’ F’’ L1 F F1 L4 Hình 17 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... Ống chứa khí Tia laser Gương phản xạ 12 Máy phát Cửa sổ Hình 4 Sơ đồ nguyên lý laser khí Mơi trường hoạt tính rắn: Muốn laser trạng thái rắn phù hợp tốt nhất là dùng loại ống thủy tinh Neon đen làm ống dẫn chùm laser Các đầu cuối của ống được cấu tạo hai gương phản xạ Một mặt gương phản xạ toàn phần, mặt còn lại là phản xạ bán phần cho phép chùm tia laser xuyên qua khi mật độ chùm tia laser đạt đến... quả, nguồn v.v nhỏ như laser kích thích độ dẫn sóng để gia công cấu trúc tế vi… Tia laser KrF phóng ra 50 µJ tạo khe nứt 0,5 µm sẽ tạo ra điểm 15 ÷ 20 µm đường kính và tạo ra năng lượng 10 ÷ 20 J/cm2 Những tia laser này quét thông qua kính trên máy điều khiển tự động qua chương trình CAD/CAM Độ sâu được điều khiển bằng cách thay đổi tham số X và Y để di chuyển tia laser Xung laser chiếu lên kim cương... 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, vò 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 Bề rộng vết cắt (mm) Thép Cacbon 1,5 0,05 2,25 0,12 3,12 26 Chiều dày (mm) 0,20 6,25 0,30 Nhôm 2,25 0,25 Chất dẻo < 4,0 2 lần đường kính tia. .. tiết gia công Bộ nguồn 6 Hình 15 Sơ đồ máy phát laser kiểm MLC-1 * Các phương pháp tập trung chùm laser Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vò 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 5.17a) thì tia laser tập trung trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia. .. hội tụ và hệ thống điều chỉnh cơ khí Gia công lỗ lớn hơn vài mm thì dùng một lăng kính Kim loại ở lỗ gia công bốc hơi kim loại Có thể điều chỉnh thời gian và số lần xung phóng laser để điều chỉnh độ sâu lỗ Quá trình khoan lỗ laser có thể tách ra làm hai pha - nh sáng laser bóc lớp bề mặt có khả năng phản chiếu lớn - Sau đó vật liệu gần đen hấp thụ năng lượng chùm tia laser 31 Trong quá trình sau sự phát . tia laser. Bài này sẽ giới thiệu một số kiến thức về nguồn gốc và cấu tạo của tia laser. Bài cũng giới thiệu về cách phân loại các tia laser và giới thiệu cấu tạo của một số máy phát tia laser. . nữa là ứng dụng tia laser vào lĩnh vực cơ khí. Bài sẽ giới thiệu về ứng dụng tia laser vào gia công cơ khí nói chung và gia công kim loại nói riêng. 2 3 I. KHÁI NIỆM VÀ CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN 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