Giáo trình công nghe laser - Chương 6

Tài liệu tham khảo dành cho Giáo viên, sinh viên chuyên ngành cơ khí, chế tạp máy - Giáo trình công nghệ Laser.

Chơng Một số ứng dụng khác laser Nh đà trình bày, laser đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực , đặc biệt cắt loại vật liệu nh đà trình bày Cắt vật liệu cắt phôi (đờng bao không khép kín cắt hình (theo đờng bao khép kín) Ngoài cắt phôi theo sơ đồ nh sau: 6.1 Sơ đồ nguyên lý cắt phôi cã kÕt hỵp nung nãng [12] Hình 6-1 Sơ đồ nguyên lý cắt laser có kết hợp nung sơ lữa ôxy - axetylen (page 14, Souder-1996, Septembre No 5) Chïm tia laser 2- Thấu kính hội tụ; 3- Đầu cắt; 4- Má nung; 5- VËt c¾t Hình 6-2 Sơ đồ nguyên lý cắt laser có kết hợp nung sơ chùm tia laser - Chïm tia laser 2- Bé t¸ch chïm tia laser; 3- ThÊu kÝnh héi tô; 4-Chïm tia laser nung s¬ bé 5- g−¬ng 6- G−¬ng héi tơ 7- Chùm tia laser cắt 8-Đầu cắt; 9- Vật cắt 68 6.2 Gia công cắt loại vật liệu kim loại Cắt chùm tia laser đợc ứng dụng rộng rÃi Đặc biệt từ ngời ta ứng dụng phơng pháp cắt có sử dụng khí hổ trợ với áp suất phù hợp Dòng khí cắt có chức : ã Nung nóng vật liệu, oxy hoá kim loại vùng cắt, hạn chế khả phản xạ, tăng cờng khả bắt lửa, đốt cháy kim loại, ã Tách sản cháy khỏi vùng cắt tạo nên rÃnh cắt Ngoài làm cho mép cắt hơn, chất lợng mép cắt tốt Tại viện nghiên cứu Franphuốc (Fraunhofer-[11] ngời ta đà dùng lữa oxy-axetylen kết hợp với laser CO2 để cắt kim loại dày mm, cho phép tăng vận tốc cắt lên (30-50) % Với loại thép thông thờng cắt đến chiều dày 80mm với công suất nguồn laser 1,2 kw, áp st 9,5 bar, vËn tèc c¾t 0,2 m/ph; chiỊu réng mép cắt khoảng 45 àm Theo kết nghiên cứu Trờng tổng hợp Erglangen, CHLBĐức [16], cắt vật liƯu X5CrNi18-9 b»ng laser YAG (chÕ ®é xung) nh− sau : ã áp lực khí ni tơ cắt 7.105 Pa ã Đờng kính lỗ đầu cắt 0,8 mm ã Thời gianbuwcs xạ (1 xung) 5.10-4 giây ã Vị trí tiêu điểm (trên bề mặt vật cắt)0,7-1,3 mm ã Khoảng cách từ đầu cắt - vật cắt 0,3 mm ã Năng lợng xung 0,7-1,8 J ã Tần số xung 212-78 Hz ã Chiều rộng mép cắt 9,2 àm Vật liệu nhôm vật liệu khó cắt phơng pháp cắt có lửa tạo lớp Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao nhiệt độ nóng chảy Al, tính dẫn nhiệt cao làm mát nhiệt, gây khó khăn cho trình cắt Cắt vật liệu nhôm laser cho hiệu chất lợng cao Theo số liệu 69 Trờng tổng hợp Nagoya (Nhật Bản) có thẻ đạt hiệu cắt theo chế độ sau: ã áp lực khí cắt 5.105 Pa ã Đờng kính lỗ đầu cắt 2,0 mm ã Tiêu cự 125 mm ã Chiều rộng mép cắt 9,2 àm ã Tốc độ cắt (S= 1mm, VL Al5052) 3,2 m/ph ã Khí hổ trợ Ar, N2, O2 Trong N2 tốt Khi cắt vật liệu hợp kim nhôm ma-nhê : Al99,5; Amg1; AlMgSi1 có lớp phủ anốt hoá loại đen, crôm hoá, phốt phát crôm, verni, với chiều dày 2mm có chế độ cắt nh sau: ã áp lực khí cắt 5-15 Bar ã Đờng kính vệt chùm tia hội tụ 0,75 mm ã Tiêu cự 127 mm ã Khí hổ trợ N2, O2 Kết nghiên cứu choi thấy cắt nhôm lớp phủ (Al99,5) tốc độ cắt laser CO2 tăng lên 50% có sử dụng khí cắt oxy Chế độ cắt vật liệu kim loại tham khảo bảng 6-1 [5] Bảng 6-1 Vật liệu cắt Công suất nguồn P Vận tốc cắt Mm Thép bon Chiều dày cắt W Cm/s 8,0 400 1,5 3,8 ThÐp inox 8,0 3,0 850 5,0 0,6 1,2 Titan 3,8 250 4,2 Hỵp kim titan 5,0 850 5,5 Nhôm 3,8 300 0,4 Đồng 0,6 300 2,5 70 Bảng 6-2 trình bày số đặc tính số loại laser phạm vi ứng dụng chúng Bảng 6-2 [5] Lo¹i vËt liƯu Lo¹i laser Ph¹m vi øng dụng Ghi Kim loại hợp CO2 Công nghiệp ôtô, đóng Sử dụng khí kim tàu, hàng không oxy để thổi xây dựng VL Bán dẫn YAG + Nd Công nghiệp điện tử Màng kim loại CO2, YAG + Nd Công nghiệp điện tử, He+Ne+N2 Radio, panel 6.3 Gia công cắt loại vật liệu phi kim loại Khi cắt vật liệu phi kim loại thờng gặp nhiều khó khăn vật liệu dòn, bền (gèm sø, thủ tinh, ); mét sè vËt liƯu dƠ bị cháy, dể bị phân huỷ, Vật liệu phi kim loại có loại nóng chảy, có loại bay , có loại bị phân huỷ dới tác dụng chùm tia laser Loại chia nhóm : vật liệu hữu cơ, chất dẽo, gỗ, vải, giấy,, Sử dụng khí để cắt trờng hợp không cã ý nghÜa quan träng mµ chđ u lµ sư dụng không khí thờng để thổi sản phẩm cát khỏi mép cắt Khả số hợp chất khí tác dụng đến chiều dày cát đợc dẫn ë b¶ng -3 B¶ng 6.3 [5] KhÝ thỉi Với He N2 O2 P = Const Chiều sâu KhôngK Ar CO2 hÝ 23,5 24 22,5 24,5 75% Ar 25% H2 25,5 22,0 23,0 Cắt mm Trên bảng 6-4 dẫn số chế độ cắt vật liệu phi kim loại laser 71 Bảng 6-4 [5] Vật liệu cắt Chiều dày cắt Công suất nguồn P Vận tốc cắt (mm) (w) (cm/s) Thuû timh 3,8 300 0,4 Ke mic 6,3 850 1,0 Gỗ cứng 5,0 850 7,5 Gỗ mềm 14,0 850 2,5 Bảng 6-5 [5];[6] Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt Công suất Vận tốc mm/s Cao su 2.0 100 31.7 Kacton 19.4 200 1.6 Nilon 0.8 200 101.6 Da 3.2 200 10.5 Thạch anh 3.2 500 12.3 Ac Ximăng 5.00 500 0.83 Sợi 0.5 500 666.6 Vải thuû tinh 5,0 800 12.5 Pha nhe 6.4 850 90.1 10 Ke mic 6.5 850 10.0 11 Plek xi lác 10.0 900 58.3 12 Sợi thuỷ tinh 8.0 2500 16.6 13 Thủ tinh 3.2 5000 76.1 Trªn bảng 6.6 trình bày số thông số liên quan đến loại laser phạm vi ứng dụng cho cắt laser cắt số vật liệu phi kim loại 72 Bảng 6.6 [5] Loại vật liệu Loại laser Phạm vi ứng dụng Thuỷ tinh Ke CO2 C«ng nghiƯp kÝnh, thủ tinh, mic Ghi chân không Vật liệu hữu cơ, CO2 Các ngành công nghiệp Vải CO2 Nghành dệt may Màng kim loại CO2; YAG + Nd Cong nghiƯp ®iƯn tư, Radio, He + Ne + N2 panel CO2 Công nghiệp Có sử dụng khí hoá chất khí trơ để thổi polime Gỗ, kácton 6.4 ứng dụng laser gia công lỗ 6.4.1 Các thông số gia công lỗ laser Từ năm 1964 ngời ta bắt đầu sử dụng loại laser có nhiều xung ngắn để gia công lỗ sâu phơng pháp đợc hình thành dựa sở lớp kim loại bay dới tác dụng nhiệt gia công Tổng lợng xung định kích thớc lỗ Phơng pháp đợc ứng dụng ngành chế tạo thiết bị, kỹ thuật radio, hàng không, kỹ thuật điện, dệt, chế tạo máy, Hiện gia công lỗ laser đợc ứng dụng để gia công khuôn kéo từ hợp kim cứng : Khuôn kéo thép, khuôn kéo sợi dệt, khoan chân kính đồng hồ, Sau trình bày số ứng dụng laser để gia công lỗ Tuỳ thuộc vào yêu cầu xác ngời ta phân ra: ã Đột lỗ thờng (độ xác thấp) ã Đột lỗ xác Tuỳ thuộc vào quan hệ chiều sâu h đờng kính d lỗ ngời ta chia Đột lỗ không sâu h / d 1: h/d = n1/3 [5] 2tgγ 73 h/d = n.Σwi 2π r0 L0 Trong ®ã : w - lợng xung ; L0 - Nhiệt lợng bay ; r0 - bán kính vùng bị chùm tia t¸c dơng (mm) ; n - sè xung t¸c dơng lên vùng gia công ; Kích thớc tính toán gia công lỗ [5] : h= (r0 / tg ) + d= r 3w − π tg L0 tgγ 2r0 + 3w.tgγ π L0 Bảng giá trị tính toán h d số vật liệu tiêu điểm nằm bề mặt vật gia công nh sau [5](Veiko trang 50 [8]: B¶ng 6-7 [5] W Al ThÐp Mo W Fe rÝt h d h d h d h D h d mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 0,1 0,58 0,14 0,45 0,11 0,40 0,10 0,38 0,10 0,45 0,11 0,5 1,10 0,23 0,85 0,18 0,80 0,18 0,70 0,16 0,85 0,18 1,0 1,37 0,29 1,1 0,24 1,00 0,22 0,90 0,20 1,10 0,24 2,0 1,75 0,37 1,40 0,30 1,35 0,29 1,20 0,26 1,40 0,30 5,0 2,4 0,50 1,90 0,40 1,85 0,39 1,65 0,35 1,90 0,40 (J) Φ