1.6.1.1 Giới thiệu chung
Trong cụng nghiệp, cắt vật liệu bằng tia laser là một ứng dụng chủ yếu và được sử dụng rộng rói nhất.
Cắt laser dựa trờn hiệu ứng nhiệt của bức xạ laser và xảy ra khi nguồn nhiệt di chuyển liờn tục hoặc cú chu kỳ, được tạo thành vết cú mật độ cụng suất cao bằng cỏc hệ quang đặc biệt. Cơ chế cắt bằng laser cú nhiều dạng khỏc nhau: bốc bay vật liệu; nung chảy vật liệu kết hợp với khớ thổi để loại bỏ vật liệu, cỏc phản ứng chỏy húa học, phõn hủy cựng với việc tỏch cỏc hợp chất dễ bốc bay. Cỏc vật liệu giũn cú thể được tỏch bằng phương phỏp tỏch nhiệt hoặc scribing (vạch vết hoặc đục lỗ dọc theo mạch cắt sau đú bẻ gẫy). Tự thuộc vào đặc điểm của mỏy phỏt, cú thể thực hiện chế độ cắt laser liờn tục hoặc chu kỳ. Thụng thường sử dụng laser liờn tục để cắt vật liệu.
Cắt vật liệu bằng laser liờn tục kết hợp với khớ thổi (khớ trơ hoặc khớ trung hũa: Ar, N2, CO2) sẽ nõng cao hiệu quả của quỏ trỡnh cắt do việc thoỏt vật liệu chảy lỏng (thoỏt chảy) dễ dàng. Ngoài tỏc dụng của dũng khớ thổi là để đẩy vật liệu ra khỏi vựng cắt, trong một số trường hợp cũn tạo ra cỏc phản ứng húa học ở cỏc vị trớ
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
19
tương tỏc của bức xạ trờn kim loại, vớ dụ như dựng khớ thổi là oxy hoặc khớ nộn. Khớ thổi cú thể đồng trục hoặc nghiờng gúc với chựm tia.
Khi cắt kim loại bằng laser kết hợp khớ thổi, dũng oxy cú cỏc chức năng sau:
- Oxy làm tăng chiều dày lớp oxid bề mặt, nhờ đú làm giảm sự phản xạ chựm tia tới, tăng khả năng hấp thụ bức xạ laser.
- Nhiệt sinh ra do cỏc phản ứng chỏy kết hợp với bức xạ laser thỳc đẩy thờm quỏ trỡnh phỏ hủy kim loại.
- Dũng khớ thổi liờn tục mang vật liệu ra khỏi vựng gia cụng và cung cấp oxy cho quỏ trỡnh chỏy kế tiếp.
Hiệu quả của quỏ trỡnh cắt bằng laser phụ thuộc nhiều vào khả năng hấp thụ của vật liệu. Khi nung núng kim loại trong mụi trường oxy húa, hệ số hấp thụ tăng tuyến tớnh do sự hỡnh thành lớp oxid trờn bề mặt kim loại tại vựng gia cụng, vỡ thế năng lượng bức xạ được truyền dẫn tốt hơn vào vựng gia cụng, hiệu quả của quỏ trỡnh cắt được nõng cao.
1.6.1.2 Cỏc thụng số cụng nghệ của quỏ trỡnh cắt bằng laser
Với cắt kim loại bằng laser, người ta thường dựng phương phỏp cắt bằng laser kết hợp khớ thổi. Cỏc thụng số cụng nghệ chủ yếu là:
- Cụng suất của chựm laser (kW)
- Mật độ cụng suất của chựm laser (W/cm2) - Tốc độ cắt (m/ph)
- Tớnh chất của vật liệu cần cắt (hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ, hệ số truyền nhiệt).
- Áp suất và thành phần khớ thổi. Ngoài ra:
- Khoảng cỏch từ vũi thổi khớ đến bề mặt kim loại. - Cỏc thụng số của hệ thống quang học.
1.6.2 Ứng dụng Laser để hàn vật liệu 1.6.2.1 Giới thiệu chung 1.6.2.1 Giới thiệu chung
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
20
Trong cụng nghiệp gia cụng kim loại, hàn bằng laser là một ứng dụng rất phổ biến. Người ta thường dựng laser CO2 và laser Nd-YAG để hàn kim loại, cú thể được thực hiện trong khụng khớ hoặc trong mụi trường khớ bảo vệ (Ar, He, CO2...). Mật độ cụng suất trờn bề mặt gia cụng phải đạt được từ 105
= 107 W/cm2. Bức xạ laser cú thể là liờn tục hoặc xung. Laser xung thường được dựng cho hàn từ ng điểm riờng lẻ và hàn đoạn ngắn. Với những vật liệu dày và mối hàn dài, quỏ trỡnh hàn phải thực hiện rất nhanh. Trong trường hợp này, laser phỏt xạ liờn tục được sử dụng là chủ yếu. Cỏc thụng số cơ bản của quỏ trỡnh hàn xung là năng lượng và thời gian xung, đường kớnh hội tụ, tần số xung, vị trớ điểm hội tụ so với bề mặt chi tiết. Với chế độ hàn liờn tục, cỏc thụng số cơ bản là mật độ năng lượng chựm tia, tốc độ hàn. Hàn bằng laser là một quỏ trỡnh mà vật liệu chi tiết trải qua sự nung núng, chảy lỏng, đúng rắn và hỡnh thành nờn vựng khuếch tỏn với cấu trỳc hạt đó bị thay đổi. Quỏ trỡnh đúng rắn là một chuỗi rất phức tạp, vỡ nú phụ thuộc vào thành phần vật liệu, kiểu đúng rắn, tốc độ nguội v.v...
Mặt khỏc, hàn bằng laser là một quỏ trỡnh cõn bằng giữa nung núng và làm nguội trong khi một thể tớch khụng gian được chồng lờn bởi hai hay nhiều hơn cỏc chất rắn là hố kim loại lỏng, được hỡnh thành và duy trỡ trạng thỏi ổn định cho đến lỳc đúng rắn. Mục đớch của hàn bằng laser là để hỡnh thành hố kim loại lỏng bằng cỏch hấp thụ một bức xạ chiếu tới, hố này phỏt triển đến kớch thước cần thiết và lan truyền trong vựng ranh giới thể rắn để xú đi ranh giới này giữa cỏc thành phần cần hàn liờn kết. Quỏ trỡnh hàn sẽ khụng hỡnh thành được nếu hố chảy lỏng quỏ lớn hoặc quỏ nhỏ, hoặc xuất hiện sự bốc hơi lớn. Chất lượng của hàn laser phụ thuộc vào sự húa hơi của cỏc thành phần hợp kim, gradient nhiệt độ quỏ lớn dẫn đến nứt tế vi vựng húa rắn, tớnh khụng ổn định về thể tớch và kớch thước của rónh hàn ảnh hưởng đến sự rỗ và hỡnh thành khoang trống.
Việc duy trỡ cõn bằng giữa nhiệt vào và nhiệt ra phụ thuộc vào hằng số hấp thụ bức xạ laser và sự tổn thất nhiệt bờn trong chi tiết.
Hàn bằng laser cú thể là hàn truyền nhiệt và hàn núng chảy sõu. Người ta thường dựng cỏch hàn truyền nhiệt để hàn kết dớnh cỏc tấm mỏng, phương phỏp hàn
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
21
sõu được sử dụng để hàn cỏc tấm cú chiều dày lớn. Khi hàn sõu mật độ cụng suỏt lờn đến trờn 106
W/cm2, tạo ra bờn trong vật liệu mao quản hơi, theo đú, tia laser lọt được vào sõu bờn trong vật liệu và đến đú laser mới bị hấp thụ. Độ sõu của đường hàn cú thể lớn gấp 5 - 10 lần bề rộng.
Hệ số phản xạ của vật liệu là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng mối hàn và mức cụng suất cần thiết. Ngoài ra, chất lượng chựm tia laser hay là khả năng hội tụ của chựm là yếu tố quan trọng để cú thể đạt đến mức cụng suất cần thiết. Ứng dụng hàn bằng laser đó mang lại hiệu quả cho cỏc ngành cụng nghiệp chế tạo cơ khớ như ụ tụ, hàng khụng, điện tử - vi điện tử, chế tạo đồng hồ hay những chi tiết nhỏ, chớnh xỏc... Vớ dụ trong chế tạo chi tiết đồng hồ, cú thể hàn liờn kết lũ xo xoắn vào trục mà khụng làm thay đổi khối lượng chung, khụng cần vật liệu phụ trợ để tạo liờn kết.
1.6.2.2 Cơ chế hàn laser
Hàn laser là một quỏ trỡnh nung chảy, khi đú cỏc vật liệu tại vựng tiếp giỏp được liờn kết bởi sự nung chảy và đúng rắn trở lại. Cỏc quỏ trỡnh như vậy tạo thành 3 vựng riờng biệt: vựng kim loại gốc là vựng kim loại khụng bị biến đổi bởi quỏ trỡnh hàn, vựng nung chảy bao gồm cỏc vật liệu chảy lỏng trong quỏ trỡnh hàn và vựng ảnh hưởng nhiệt (AHN) bao gồm vật liệu nền bị biến đổi bởi nhiệt.
Trong hàn laser, một vấn đề được quan tõm nhiều nhất là hỡnh thành quỏ trỡnh hàn cú tiờu tốn nhiệt ớt nhất. Từ quan điểm này, phương phỏp hiệu quả nhất là hàn thõm nhập sõu hay cũn gọi là hàn lỗ khúa. Để hỡnh thành hàn lỗ khúa, một chựm laser được hội tụ một trờn bề mặt của chi tiết kim loại, chựm bức xạ lase nung núng kim loại vượt xa hơn điểm chảy của nú. Thường thỡ chất lỏng hấp thụ bức xạ tốt hơn chất rắn, bởi vậy sự gia nhiệt cú thể lờn đến mức một số phần tử kim loại đạt trạng thỏi húa hơi. Kim loại bốc hơi mở ra một hỡnh trụ (được gọi là lỗ khúa) sõu xuống mặt chi tiết, bao lấy dịch lỏng xung quanh với một ỏp suất húa hơi. Sự húa hơi này ion húa và hấp thụ bức xạ tới, chỏy sỏng và phỏt xạ năng lượng tới vật liệu lỏng theo rỡa của lỗ khúa. Vật liệu tại rỡa lỗ cũn hấp thụ năng lượng từ chum laser. Bởi vỡ năng lượng được truyền cho chi tiết theo toàn bộ chiều sõu của lỗ khúa, nờn
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
22
cú thể đạt được sự thõm nhập sõu. Chuyển động tương đối giữa đầu hàn và chi tiết hỡnh thành nờn sự phõn giới bằng cỏch dịch chuyển lỗ khúa trờn bề mặt vật liệu. Lỗ khúa dịch chuyển, dũng chảy lỏng theo bề mặt lựi về phớa sau, tại đú nú sẽ kết tinh lại. Dũng chảy này được dẫn hướng bởi sự biến thiờn nhiệt độ và gõy r a sức căng bề mặt của kim loại chảy lỏng. Khoan lỗ khoỏ cú hiệu quả bởi dũng bốc hơi giữ lại chựm laser, giảm mất mỏt năng lượng do phản xạ và bởi lỗ khúa hoạt động dưới dạng nguồn nhiệt trụ mở rộng dưới bề mặt chi tiết, giảm mất mỏt năng lượng do sự truyền nhiệt ra ngoài vựng chảy lỏng.
Trong hàn laser, vũng hàn được hỡnh thành và ảnh hưởng của dũng chảy lỏng trong vũng hàn là yếu tố rất quan trọng để hiểu rừ cơ chế hàn. Hỡnh 1.12 thể hiện đặc điểm dũng chảy lỏng của vũng hàn. Cỏc lực chớnh để tạo ra dũng chảy lỏng trong vũng hàn núi chung bao gồm: lực nổi, ứng suất di trượt gõy ra bởi gradient sức căng bề mặt tại mặt của vũng hàn, ứng suất trượt do tỏc động của plasma lờn mặt vũng hàn. Với lực nổi, cho rằng mật độ của kim loại lỏng giảm khi tăng nhiệt độ. Bởi vỡ nguồn laser được đặt trờn tõm của bề mặt vũng hàn, kim loại lỏng của núng lờn tại tõm và nguội đi tại rỡa của vũng. Do đú, trọng lực gõy ra kim loại lỏng nặng hơn tại vựng biờn của vũng và kộo nú chỡm xuống. Kết quả, kim loại lỏng tụt xuống theo đường biờn của vũng và đi lờn theo trục chớnh. (hỡnh a). Sự đối lưu hỡnh thành là do lực nụi tạo ra vận tốc cực đại dọc theo trục của vũng, và mặt vũng trở nờn nhỏ hơn ở bờn trờn bề mặt chi tiết do sự gión nở của kim loại nhờ vào nhiệt và chảy lỏng.
Đối với ứng suất trượt sinh ra do gradient sức căng bề mặt, với trường hợp khụng tồn tại tỏc nhõn bề mặt hoạt động, sức căng bề mặt của kim loại lỏng giảm cựng với sự tăng của nhiệt độ, cụ thể là 0
T
. Như thể hiện ở hỡnh (b), kim loại lỏng núng hơn với sức căng bề mặt thấp hơn tại tõm của vũng bị kộo ra bởi kim loại lỏng nguội hơn với sức căng bề mặt lớn hơn tại bề mặt của vũng. Núi cỏch khỏc, một ứng suất trượt bờn ngoài được sinh ra tại mặt vũng bởi gradient sức căng bề mặt theo mặt vũng. Điều đú gõy ra kim loại lỏng chảy từ tõm của vũng đến rỡa và
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
23
quay ngược trở xuống mặt vũng (hỡnh b). Sự đối lưu do sức căng bề mặt cũn được gọi là sự đối lưu mao dẫn nhiệt (đối lưu Marangoni).
Hỡnh 1.12 . Sơ đồ hỡnh thành dũng chảy lỏng trong vũng hàn
Heiple và cộng sự đó đưa ra một mụ hỡnh khỏc, khi một tỏc nhõn bề mặt hoạt động cú mặt trong kim loại lỏng với giỏ trị nhỏ nhưng đỏng kể,
T
cú thể thay đổi từ õm sang dương, bởi vậy đối lưu Marangoni đảo ngược xảy ra và làm cho vũng hàn sõu thờm. Cỏc vớ dụ về nhõn tố bề mặt chủ động trong thộp là S, O, Se, Te. Trong đối lưu Marangoni đảo ngược, kim loại lỏng nguội hơn với sức căng bề mặt thấp hơn tại rỡa vũng bị kộo vào trong bởi kim loại lỏng núng hơn cú sức căng bề mặt lớn hơn tại vựng gần tõm của mặt vũng và mụ hỡnh này đồng thuận với sự truyền nhiệt đối lưu từ nguồn nhiệt tới đỏy vũng.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
24
1.6.3 Cỏc ứng dụng khỏc
Hỡnh 1.13 Tiện kim loại cú hỗ trợ bằng tia laser
Gia cụng cú hỗ trợ bằng laser (Laser - Assisted Machining - LAM) là phương phỏp gia cụng kết hợp cơ - nhiệt, được coi là phương phỏp gia cụng thay thế cho cỏc phương phỏp cắt gọt thụng thường khi gia cụng cỏc loại vật liệu khú gia cụng, bằng cỏch sử dụng chựm tia laser để nung núng chi tiết (khụng nhất thiết phải cú sự chảy lỏng và bốc hơi vật liệu) trong khi đú dụng cụ cắt cơ khớ búc vật liệu (Hỡnh 1.13). Gia cụng cú hỗ trợ bằng laser cho phộp giảm chi phớ và nõng cao chất lượng tạo hỡnh đối với cỏc loại vật liệu cú cấu trỳc như silicon nitride, zircon, cỏc loại vật liệu gốm, ceramics và cỏc loại vật liệu kim loại khú gia cụng khỏc. Với vật liệu gốm, cú sự co về thể tớch trong quỏ trỡnh tạo hỡnh mạng lưới, nờn thường tạo hỡnh ở hỡnh dạng đơn giản và cỏc phương phỏp gia cụng thường cú yờu cầu khắt khe về độ chớnh xỏc kớch thước. Mài và mài nghiền bằng kim cương hiện đang là biện phỏp gia cụng thớch hợp nhất đối với vật liệu này tuy nhiờn chi phớ gia cụng rất đắt (chiếm đến 60 - 90% giỏ thành). Khi sử dụng laser để hỗ trợ trong gia cụng, chi phớ gia cụng cú thể giảm đến 50% và chất lượng chế tạo được cải thiện. Với kim loại, chẳng hạn như i-nox, cú đặc tớnh dẻo, gai, gõy khú khăn trong cỏc nguyờn cụng cắt gọt (tiện, phay, khoan...), gõy ra lẹo dao, mũn dao, chất lượng bề mặt gia cụng khụng cao, độ chớnh xỏc kớch thước kộm,... việc sử dụng laser hỗ trợ đó khắc phục được tớnh cắt gọt, kim loại trở nờn dễ dàng gia cụng hơn. Tại vựng gia cụng, bề mặt
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
25
vật liệu được nung núng bằng chựm tia laser đến một nhiệt độ thớch hợp. Tại nhiệt độ này, kim loại được "mềm húa", cơ tớnh vựng đú giảm bởi vậy cú thể cắt gọt với một lực cắt nhỏ hơn thụng thường, giảm mũn dao và nõng cao năng suất cắt. Ưu điểm của phương phỏp gia cụng cú hỗ trợ bằng laser:
- Nõng cao tốc độ búc vật liệu.
- Khụng cú hoặc cú rất ớt sự ảnh hưởng do gia cụng phỏ hủ y trờn bề mặt, bởi vậy giảm ứng suất gia cụng trờn bề mặt chi tiết.
- Tăng độ nhẵn búng bề mặt chi tiết - Giảm tốc độ mũn của dụng cụ cắt - Linh hoạt trong gia cụng
- Cú thể gia cụng được nhiều loại vật liệu cú cơ tớnh cao, khú gia cụng.
1.6.4 Ứng dụng Laser để nhiệt luyện và xử lý bề mặt vật liệu 1.6.4.1 Giới thiệu chung 1.6.4.1 Giới thiệu chung
Sau cỏc ứng dụng chủ yếu trong cụng nghiệp như cắt, khoan và hàn, xử lý bề mặt bằng laser là nhúm ứng dụng chủ yếu thứ hai, được đặc biệt quan tõm với triển vọng ứng dụng lớn.
Vật lý cơ bản của nhiệt luyện và xử lý bề mặt bằng laser là sự hỡnh thành và duy trỡ nhiệt do tương tỏc laser - bề mặt vật liệu và tiếp đến là làm nguội do sự lan truyền nhiệt vào bờn trong vật liệu và sự phản xạ ngược ở nhiệt độ cao từ bề mặt vật liệu. Tựy thuộc vào yờu cầu của nguyờn cụng, chi tiết được chựm laser nung núng đến nhiệt độ chuyển pha yờu cầu và nhiệt độ này được duy trỡ trong thời gian xỏc định.
1.6.4.2 Cỏc thụng số cụng nghệ chủ yếu
- Cụng suất, mật độ cụng suất chựm laser - Hỡnh dỏng, kớch thước điểm hội tụ
- Gúc tới của chựm laser so với bề mặt chi tiết - Thời gian tỏc động của laser.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
26
Nhiệt luyện bằng tia laser thƣờng tập trung chủ yếu vào cỏc vấn đề sau:
Khả năng nhiệt luyện của cỏc loại laser: Những đề cập đến ứng dụng laser CO2 để nhiệt luyện đều nhận xột laser CO2 khú hấp thụ đối với thộp nờn cần cú biện