PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER

Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức.

Trang 1

I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên

II.Nguyên Lý Gia Công

III.Thiết Bị và Dụng Cụ

IV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ.

V.Đặc Điểm và Dụng Cụ.

Trang 2

I KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN

I.1.KHÁI NIỆM:

Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức Laser được sửdụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà trong tương laigần trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong gia công kimloại Hiện tại thì có thể sử dụng thành công trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệhàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim Gia công chùm tia laser là quá trình xử lýnhiệt 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 xungcủa 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 giacông, nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắttheo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) vàthường 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 laserhồng ngọc (rắn) Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laseruranium 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 bởiRobert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAGđầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm1966,…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 cáclaser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laserexcimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tiatương đối lớn và có kết cấu thuận tiện

Trang 3

II NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG CHÙM TIA LASER

Máy gia công bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay phươngpháp 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 cóthể gia công được làm từ tia laser không phụ thuộc vào độ dài sóng Năng lượng củachùm 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 làmnóng chảy và bốc hơi vật liệu Nguyên lý hoạt dộng của chùm tia laser được trình bàytrên hình 5.1

Hì

nh 2.1 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 (độ phản xạ ánh sáng 100%)

5 Gương phản xạ bán phần trong suốt (độ phản xạ ánh sáng 50%).Trên hình 2.1 có thể thấy một không gian quang học 3 Trong không gian này ởhai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là môi trường hoạt tính 1 (haythanh laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi đèn số 2 ở trạngthái ổn định, những proton được phóng ra và hướng vào trục quang họccủa thanh laser.Các proton này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nốikết nhau về pha cũng như về hướng Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các protonchuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ nănglượng để rời khỏi thanh laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá

2

5

Tia laser

Trang 4

trình nhân proton Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hìnhthành một chùm tia nối tiếp nhau Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tậptrung 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 80000C trong 1ms

Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình :

- Hình 2.2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M:

Hình 5.2 Nguyên lý gia công chùm tia laser.

2)Buồng phản xạ ánh sáng3) Đèn phát xung

4) Thanh hồng ngọc 5) Gương phản xạ toàn phần6) Gương phản xạ 50%

7) Thấu kính hội tụ8) Chi tiết gia công9) Bàn gá

10) Tế bào quang điện

Trang 5

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 ( tiết diện ngang hình elip)

- Khi đèn 3 phát sáng ,toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồngngọc 4

- Những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụtxuống 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 nhiềulần qua 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, mộtmặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát raqua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại và qua hệ thống chuyển đổi ta biết đượcnăng 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 dụnglên 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 độgia 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 đoạnsau:

+ Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thànhnhiệt năng

+ Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó Giai đoạn nàyứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phươngtác 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 vớiquá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng củachùm tia laser

+ Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong

Trang 6

Hình 2.3 Cắt bằng tia laser

Trang 7

III THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ

III.1.Các loại Laser:

Có nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thông thương người ta thương phân loại lasertheo vật liệu cấu tạo nên môi trương hoạt tính của chúng Có thể chia laser thành bốn loạichính như sau: laser rắn, laser bán dẫn laser lỏng và laser khí

*Laser rắn:

Trong laser rắn thì 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, nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứatrong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium Vật liệuthường dùng là hồng ngọc nhân tạo

ytri-Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7% Tuy nhiên, loại laser rắn cókích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau nhưtrong 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 Dải bước sóng của loại laser khí kéodài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chấtkhí 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 sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nókhông gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ lasertrong chất khí rất cao Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chấtbán dẫn và phẫu thuật mắt Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen

Trang 8

Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạothành một chất nhị trùng

*Laser lỏng:

Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chấtlỏng 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 cơđóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại chocác nguyên tử êropi Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tínhkhông bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích Gần đâyngười ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên Loại laser chấtlỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laserrắn với hợp chất nêodim Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bìnhgần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun 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 tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung,cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó Điều

dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phươngpháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser

*Laser Gama:

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 đâyngười 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, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun

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 tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó

Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser

Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác Tuy nhiên,hiện tượng vật lý xảy ra trong môi 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 Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài amstrong (Ao) Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser

Trang 9

III.2.Cấu tạo máy laser:

 Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu

 Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ tồn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý máy laser

Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý máy laser

Trang 10

* Máy Laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau c c u t o b i 3 ph n chính sau ấu tạo bởi 3 phần chính sau ạo bởi 3 phần chính sau ởi 3 phần chính sau ần chính sau :

III.2.1.Môi Trường Hoạt Tính:

Môi trường hoạt tính là bộ phận quan trọng- “ trái tim của laser “ có nhiệm vụ tạo rasóng điện từ hay sóng ánh sáng Môi trường hoạt tính của laser có thể dùng các chât

- Môi tr ng ho t tính Khíường hoạt tính Khí ạt tính Khí

- Môi tr ng ho t tính R nường hoạt tính Khí ạt tính Khí ắn

- Môi tr ng ho t tính Bán D nường hoạt tính Khí ạt tính Khí ẫn

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý laser khí

Máy phát

Tia laser

C a sửa sổ ổ

ng ch a khíống chứa khí ứa khí

G ng ph n ương phản ản

xạt tính Khí

Trang 11

III.2.2 Nguồn kích thích:

Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức nănglượng cao Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính mộtnăng lượng Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính

Hình 3.3 Các loại nguồn kích thích.

Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh

sáng gồm một hay nhiều đèn xenon Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trườnghoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu Đối với thanh hoạt tính hình trụ hệthống gương hình ellipe Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn

Hình 3.4 Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P.

G ngương phản

Thanh ho t tínhạt tính Khí

A

CB

D

Trang 12

Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng

dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa Đối với dòng điện mộtchiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí

Bộ cộng hưởng quang học : sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành

môi trường khuyếch đại ánh sáng Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nên một phảnhồi dương Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia ánh sángchọn lọc

Hình 3.6 vòi phun khí điển hình

Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học Trên bề mặt phản chiếu của

gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi Một trong hai gương kia phải làgương bán trong suốt Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoan một lỗ choánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống Đối với laser rắngương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính Ngoài các gương nói trên, bộcộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọcánh sáng

Trang 13

tại một điểm trong vùng gia công, mật độ năng lượng tại điểm đó sẽ tăng lên rất cao, và

do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹ thuật mà nhiệt độsẽ được đều chỉnh cho phù hợp

Hình 3.7 Sơ đồ máy laser khí.

III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm:

+ Máy phát tia laser: Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục Tuỳtheo nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ, và chế độhoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung

Trang 14

+ Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng Nhiệm vụ của nó là tập trung các tialaser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đótăng cao cục bộ Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ.

Hình 3.9 Sô đồ máy laser rắn.

+ Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiềubước sóng khác nhau Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để cócộng hưởng cao Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng

a Một số máy phát laser.

Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc Trên hình 3.10 giới thiệu sô đồ máy

phát laser hồng ngọc

Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn bức xạ được cungcấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện Mặt khác thanh hồng ngọc được đặt trongống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch Thanh hồng ngọc được đặt cố địnhbằng một lò xo Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra vàhướng ra ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc

èn kích thíchĐèn kích thích

Th u kínhấu kính hội Chi ti tết

Trang 15

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M.

Trên hình 3.11 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác.

Thanh hồng ngọc 8 có  = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha phản xạ có đặt 1đèn xung dùng khí trô xênon 7 dạng bút chì dài 76 (mm), được cấp 1 dòng điện xung từphía ngoài gồm tụ điện 4 với điện dung 400 F và cuộc cảm 3 được nối với biến thế 6 tạoxung với điện thế 14 (kV) Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụ phóng

Hình 3.11 Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác.

a Với đèn bức xạ chuyên dùng b Với gương phản xạ hình elíp

64

78

12

5

4

6

78

9

231

B cung c p và đi u khi n đi nội ấu kính hội ề mặt ển điện ện