3.1.1. Đặc diểm của nguồn laser.
Laser CO2 hoạt động tại 10,6m được Patel phỏt hiện năm 1964. Gốc laser CO2 ban đầu đo Patel sử dụng là CO2 thuần, tạo được cụng suất 1mW. Những hệ thống phỏt triển tiếp theo sử dụng hỗn hợp CO2 và N2, đó tạo được laser cụng suất 200mW. Ngày nay khớ sử dụng cho laser thường là CO2:N2:He theo 0,8:1:7 và đó cú thiết bị đạt được cụng suất đến 40KW.
Sơ đồ chung của hệ thống
Hệ thống laser gồm 4 bộ phận chớnh (hỡnh 3.1)`:
1. Buồng cộng hưởng Laser mà thành phần chủ yếu là 2 gương phản xạ: gương phản xạ toàn phần cú hệ số phản xạ đến 99,99% và một gương phản xạ bỏn phần cú hệ số phản xạ thấp hơn (cũn gọi là gương truyền). Cỏc gương này cú thể làm từ germanium, zinc selenide, sodium chloride hoặc potassium chloride. Giữa 2 phản xạ là mụi trường kớch hoạt.
2. Mụi trường kớch hoạt: thường sử dụng cỏc chất cú khả năng kớch hoạt được tạo tia laser, trong trường hợp laser CO2 thỡ đú là hỗn hợp khớ CO2, N2 và He.
Tia laser
Mụi trường kớch hoạt
Kớch thớch Làm mỏt Năng lượng kớch thiớch Nhiệt BUỒNG CỘNG HUỞNG Giương toàn phần R100% Giương bỏn phần R<100% Hỡnh 3.1: Nguyờn lớ hệ thống laser
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
52
3. Bộ phận kớch thớch hay bơm: là bộ phận cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tớch luỹ trờn 2 mức làm việc của laser. Tuỳ theo loại laser khỏc nhau mà cú phương phỏp khớch thớch phự hợp.
4. Hệ thống làm mỏt: Vỡ hệ thống laser làm việc với nguồn năng lượng cực lớn, nờn cần hệ thống làm mỏt để duy trỡ buồng cộng hưởng ở phạm vi làm việc.
3.1.2. Buồng cộng hƣởng
Buồng cộng hưởng quang học của Laser giữ vai trũ như một dao động tử. Đú là một hệ gồm 2 gương phản xạ đặt đối điện. Giữa chỳng là mụi trường kớch hoạt. Đú cú thể là cỏc ống phúng điện chứa khớ chất kớch hoạt . Cỏc ống này cú thể là thủy tinh hoặc thạch anh, đường kớnh từ 1mm đến vài centimet, chiều dài khoảng vài chục centimột đến vài chục một. Ở hai đầu ống thường đặt cỏc điện cực cú nhiệm vụ phỏt xạ điện tử khi được cấp điện . Catốt cú thể là catốt oxuýt hoặc catốt kim loại. Nếu là phúng điện cao tần thỡ điện cực được bao ở ngoài ống. Ống phúng điện phỏt xạ catốt được chế tạo theo cụng nghệ chế tạo điện tử chõn khụng (tức bơm tới chõn khụng cao rồi mới nạp khớ vào). Khi hoạt chất (CO2+N2+He) bị kớch thớch, chỳng được khếch đại nhờ sự phản xạ qua lại giữa hai gương phản xạ trong buồng cộng
Hỡnh 3.2: Kiểu hệ thống Laser CO2
c) Dũng ngang trục b) Dũng dọc trục a) ống phúng kớn ngoài
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
53
hưởng và khi đạt giới hạn, tạo nờn bởi sự bóo hoà của khuyếch đại, một phần laser cú thể được thoỏt ra ngoài qua gương phản xạ bỏn phần để sử dụng cho một mục đớch nào đú.
Buồng cộng hƣởng cú thể phõn loại theo những tiờu chớ khỏc nhau, vớ dụ:
- Theo kiểu gương: Gương phẳng, gương cầu đồng tiờu
- Theo kiểu chứa hoạt chất: buồng tớch cực (active) nếu cú chứa hoạt chất, buồng thụ động nếu khụng chứa hoạt chất (pasive)
- Theo hướng di chuyển của khớ hoạt chất: Trong ứng dụng vào cỏc thiết bị, buồng cộng hưởng laser thường được phõn chia thành 3 loại theo liệt kờ dưới, phụ thuộc vào đường di chuyển của dũng hoạt chất tương ứng với nú là cỏch làm mỏt hệ thống. Đú là hệ thống:
+ Kớn khớt ngoài (sealed-off laser), hỡnh 3.2a: trong đú dũng hoạt chất phúng dọc trục hệ thống. Loại này cú ưu điểm là khụng cần nguồn cấp khớ laser hoặc hệ thống điều hành khớ. Tuy nhiờn đầu ra thường khụng lớn hơn 50W và tuổi thọ bị giới hạn do cú sự tỏch CO2 thành CO và O2.
+ Dũng laser dọc trục (hỡnh 3.2b) (axial flow laser) đỏp ứng được cụng suất laser cao hơn và tuổi thọ cao hơn. Trong kết cấu này, phúng laser được thực hiện song song với trục của khoang, và khớ hoạt chất thổi cựng chiều . Đõy là kiểu quy ước của laser CO2 cụng suất cao thường hay được thiết kế nhất . Với việc chiều dài phúng mở rộng hợp lớ, điều khiển khớ thổi và thiết kế cỏc cực, hệ thống cú thể cú thể tạo laser CW đến 4KW. Cú thể hoạt động ở chế độ xung (pulsse), thực hiện xung kộo dài trong 1ms. Đầu ra của thiết bị laser kiểu này thường lớn hơn 1KW, cú thể duy trỡ hiệu quả dao dộng mode TEM00. Trong kiểu buồng này được chia tiếp thành nhúm:
Dũng chậm (slow flow laser –SF): đặc điểm của loại buồng này là làm mỏt thụng qua cỏc khoang tường. Thường, tốc độ dũng khớ hoạt chất 20 lớt/min. dũng làm mỏt khoảng 7lit/phỳt và hệ số đạt được khoảng 50-10 0W/m
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
54
Dũng nhanh (FAF): Đối lưu làm mỏt dũng khớ (chất lưu) trực tiếp qua vựng phúng. Tốc độ khớ thổi đạt 300-500 m/s. Hệ số đạt được khoảng 500W/m, cú thể cao đến 10 lần so với dũng chõm. Kết cấu này rất gọn, được sử dụng cho nguồn laser cụng suất cao.
+ Lọai thiết bị với dũng khớ hoạt chất thổi dọc (transverse flow laser, TF- hỡnh 3.2c) Trong thiết bị này dũng khớ thổi vuụng gúc với trục dũng laser. Kết cấu này cú thể thực hiện tản nhiệt dũng (buồng cộng hưởng) nhanh. Ngay khi rỳt ra khỏi buồng cộng hưởng, khớ cú thể được làm lạnh ; cỏc chất gõy ụ nhiễm và cỏc thành phần phõn ly được cụ đặc lại và gas cú thể được dựng lại. Hệ thống laser này cú thể cho cụng suất đầu ra rất cao với một cấu hỡnh gọn, do trong hệ thống phải sử dụng nhiều thành phần điện tử để cú thể tạo được dũng chuyển dọc. Như vậy so với kiểu quy ước, loại dũng vuụng gúc cú cấu hỡnh phức tạp hơn và thường dựng cho laser CO2 cú cụng suất >2KW, cú thể sinh xung 200ns.
3.1.3. Bộ phận kớch thớch và hoạt chất
Laser CO2 ngày nay thường hoạt động trờn cơ sở hỗn hợp CO2-N2-He. Cỏc mức dịch chuyển laser nằm ở cỏc mức
dao động trong phõn tử CO2 cũn cỏc khớ khỏc giữ vai trũ đệm, truyền năng lượng kớch thớch và làm tăng cụng suất phỏt cũng như hiệu suất làm việc của laser. Cụng suất thoỏt lớn nhất của laser CO2 cú thể đạt được đến 106W ở chế độ liờn tục và hiệu suất làm việc cỡ 15% 20%.
Bộ phận kớch thớch là bộ phận
cung cấp năng lượng để tạo được sự nghịch đảo độ tớch luỹ trong hai mức nào đú của hoạt chất và duy trỡ sự hoạt động của Laser. Cú 2 quỏ trỡnh xảy ra: Quỏ trỡnh hấp thụ năng lượng để chuyển nguyờn tử từ mức năng lượng cơ bản bề n lờn mức
Hỡnh 3.3 : Quỏ trỡnh kớch thớch thớch phõn tử hoạt chất
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
55
năng lượng kớch thớch, và quỏ trỡnh bức xạ cưỡng bức, tức phỏt nhiệt khi quay trở về mức cơ bản (hỡnh 3.3). Đối với Laser CO2 kớch thớch được sử dụng là kớch thớch bằng va chạm điện tử, cú thể thực hiện được bằng cấp điện ỏp cho điện cực kớch phúng điện. Năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho cỏc hệ nguyờn tử hoạt chất nhờ quỏ trỡnh va chạm. Sự truyền năng lượng kớch thớch này sang dạng năng lượng bức xạ của tia laser xẩy ra phức tạp. Đối với cỏc hỗn hợp khớ như (CO2-N2-He), hoạt chất khớ được chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch chủ yếu nhờ quỏ trỡnh va chạm cộng hưởng.
Hoạt chất:
- Khớ CO2: Đõy là trung tõm phõn tử nhận được sự kớch thớch nhờ sự phúng điện của bơm điện trường. Cỏc phõn tử khớ CO2 dịch chuyển giữa cỏc mức dao động của cựng một trạng thỏi điện tử của phõn tử hoặc giữa cỏc mức dao động của hai trạng thỏi điện tử khỏc nhau. Quỏ trỡnh kớch thớch bằng va chạm điện tử của cỏc phõn tử CO2 được phõn làm 2 loại (Kớch thớch dọc và kớch thớch ngang) bước súng phỏt r a chủ yếu ở mức =10,6m.
- Khớ N2 :Phõn tử N2 cũng được kớch thớch và do sự va chạm cụng hưởng chỳng truyền năng lượng cho cỏc phõn tử CO2 để chuyển chỳng lờn trạng thỏi phõn tử tớch luỹ 0001 và0002. Quỏ trỡnh này làm tăng sự dịch chuyển giữa cỏc mức 000
1 - 0000..
- Khớ He : Vai trũ của khớ He trong Laser CO2 là làm giảm độ tớch luỹ năng lượng ở mức laser dưới hay quỏ trỡnh truyền nhiệt trong cỏc phõn tử.
3.1.4. Hệ thống làm mỏt
Cú nhiều quan điểm rằng bản chất của thiết kế laser CO2 cụng nghiệp là thiết kế theo cỏch làm mỏt hỗn hợp khớ Laser, theo cỏc phương phỏp:
- Dũng chậm (SF): làm mỏt laser qua cỏc bức tường của khoang buồng cộng hưởng. Hoạt động đặc trưng thường là: tốc độ 20lớt khớ /phỳt ; 7 lớt/phỳt dũng làm mỏt, nhiệt độ làm việc 20o
và đạt được khoảng 3040W/m. Kiểu làm mỏt này thường ứng dụng cho hệ thống dũng laser song song trục
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
56
- Dũng nhanh (FAF): là mỏt đạt được bằng cỏch đối lưu khớ qua vựng phúng laser. Thường dũng khớ thổi 300 500m/s qua buồng cộng hưởng. Kiểu làm mỏt này cũng thường ứng dụng cho hệ thống dũng laser song song trục
- Dũng ngang: Đối lưu làm mỏt thực hiện nhiều cho hệ thống dũng hoạt chất phúng ngang.
3.1.5. Mỏy laser CO2 CNC
Cỏc hệ thống Laser (trong đú cú cả laser CO2 ) cú thể hoạt động ở hai chế độ liờn tục và xung.
Sự kết hợp của hệ thống laser với một mỏy cơ sở sẽ tạo nờn hệ thống gia cụng vớ dụ cắt laser, hàn laser, khoan laser vv….Sau đõy là những xem xột cho trường hợp cắt laser CO2
3.1.5.1 Nguyờn lớ thiết kế cấu hỡnh mỏy cơ sở:
Những ứng dụng đa dạng của cụng nghệ laser trong gia cụng kim loại tấm trờn quan điểm tự động hoỏ đó hỡnh thành một số nguyờn lớ hệ thống và thiết bị. Cỏc hệ thống laser 2D được sử dụng chủ yếu cho cỏc tấm phẳng và 3D cho cỏc thành phần hỡnh học 3 chiều và đú là cơ sở để hỡnh thành cơ sở thiết kế thiết bị laser. Hỡnh 3.4
thể hiện cấu hỡnh một một số kiểu thiết bị đang cú trờn thị trường của cỏc Hóng sản xuất nổi tiếng trờn thế giới . Cần lưu ý rằng đối với nhiệt luyện bằng tia laser, thực hiện nhiệt luyện 3D tương đối khú do độ cứng vững của đường dẫn tia và điều chỉnh khoảng cỏch. Đú là lớ do mà hầu như cỏc mỏy laser hiện hành là 2D. Cỏc mỏy
Kiểu 1 Kiểu 2 Kiểu 3 Kiểu 4 Kiểu 5
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
57
3D được thực hiện bởi cỏc hóng lớn. Trong điều kiện đú, đầu nhiệt luyện phải thực hiện cỏc trục điều khiển cũn lại, với những đặc điểm thể hiện như sau:
Kiểu 1: Mỏy Laser 2D với hệ thống quang học (cựng đầu nhiệt luyện) thực hiện cỏc chuyển động gia cụng , bàn mỏy phẳng.
Đầu nhiệt luyện di động Hệ thống quang học 3D
Kiểu 2: Mỏy Laser 2D với hệ thống quang học tĩnh. Bàn mỏy thực hiện dịch chuyển theo 2 phương.
Đầu nhiệt luyện tĩnh
Hệ thống quang học 3 chiều
Kiểu 3: Mỏy Laser 3D gia cụng với dầm chỡa. Đầu nhiệt luyện di động
Hệ thống quang 5 trục.
Kiểu 4: Mỏy Laser 3D gia cụng với trục quay trờn thõn đầu nhiệt luyện. Phụi cú thể cựng di động theo 1 chiều.
Đầu nhiệt luyện di động
Hệ thống gương quang: 5 trục
Kiểu 5: Mỏy Laser 3D gia cụng với cổng di động.
Hệ quang học di động. Phụi cú thể cựng di động theo 1 chiều. Đầu nhiệt luyện di động
Hệ thống gương quang: 4 trục
Như vậy, trong mỏy laser CNC, ngoài 3 trục chớnh X,Y,Z, khả năng gia cụng thờm cỏc trục khỏc của thiết bị phụ thuộc vào kết cấu của đầu nhiệt luyện laser. Trờn thị trường cũn cú mỏy laser 5 trục ( hinh 3.4 kiểu 5)Nguyờn lớ thiết bị với hệ thống đầu nhiệt luyện cố định cú ưu điểm là đường đi laser khụng di động sẽ đảm bảo đặc tớnh của tia ổn định, tuy nhiờn phụi chuyển động lại cú những bất lợi nhất định. Giải phỏp phụi chuyển động (bàn chuyển động ) chỉ thực tế cho những chi tiết đến một trọng lượng nào đú vỡ thiết bị khụng thể định vị một trọn lượng bất kỳ nhanh và chớnh xỏc. Giải phỏp hệ thống đầu nhiệt luyện di động (bay) cú lợi thế là
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
58
cú thể nhiệt luyện chi tiết nặng (to) bự lại chất lượng tia cú thể bị ảnh hưởng vỡ sự di chuyển đầu tạo nờn sự rung động nhất định. Một giải phỏp trung gian, đầu nhiệt và bàn mỏy chia nhau thực hiện chuyển động 3D. Đối với gia cụng tấm phẳng, hệ thống thiết bị 2 chiều đó cú thể đỏp ứng khả năng nhiệt luyện rất tốt vỡ khả năng điều khiển hỡnh học trong khụng gian 2D của CNC. Những thiết bị nhiệt luyện laser 2D thường cú khả năng gia cụng chi tiết lớn. Trờn thị trường đó cú loại cú thể gia cụng chi tiết đến 6000 x2000mm
Hệ thống 3D được sử dụng để gia cụng chi tiết 3 chiều. Cũng như ở hệ thống 2D, đầu laser được định vị vuụng gúc với bề mặt phụi. Trường hợp phụi tĩnh, đầu nhiệt luyện cú thể thực hiện đến 5 trục .
Hỡnh 3.5: Hỡnh ảnh cắt laser 3D
3.1.5.2 Hệ thống mỏy laser
Những nhà sản xuất mỏy gia cụng với tia Laser nổi tiếng và lõu đời nhất trờn thế giới là tập đoàn ROFIN (CHLB Đức) và TRUMPF vv… . Tất cả thế hệ thiết bị của cỏc nhà sản xuất này đều bao gồm cỏc thành phần:
- Mỏy cơ sở
- Hệ thống Laser
- Hệ thống gương dẫn hướng và thấu kớnh hội tụ+ đầu nhiệt luyện
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
59
Cấp độ tiờn tiến được thể hiện ở cụng suất mỏy cao, cấu hỡnh mỏy gọn đẹp, năng lực mỏy lớn, và khả năng điều khiển đa năng.
Mỏy cơ sở cần thoả món khả năng chạy trục. Một trong những đặc điểm của
mỏy laser là bàn. Bàn thuộc mỏy cơ sở. Bàn của mỏy laser cú những đặc điểm như hỡnh 3.6. Chi tiết được đặt trờn bàn trong quỏ trỡnh gia cụng. Loại bàn hay dựng là một khung kim loại trong đú cỏc bàn đinh dựng đứng tạo thành tổ ong đảm bảo giữ được chi tiết kớch thước nhỏ. Việc
đỡ chi tiết theo tiếp điểm giỳp cho bề mặt bàn trỏnh bị hư hại khi tia laser quýet (xỏc xuất gặp tiếp điểm ớt hơn). Để cú thể tận dụng hết năng lực của bàn, cỏc kết cấu bàn cú thể được bổ sung vớ dụ hệ thống khớ nộn để nõng đỡ dịch chuyển phụi. Một hệ thống gia cụng cú thể được trang bị 2 bàn , như thế trong khi một bàn đang tham gia chuyển động thỡ bàn cũn lại được chất tải, chuẩn bị cho bước gia cụng tiếp theo.
Hệ thống laser được chọn theo một trong cỏc cấu hỡnh được miờu tả.
Hỡnh 3.6: Bàn mỏy laser
Thấu kớnh kờm-Selenit
Miệng đầu
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
60
Hệ thống gƣơng dẫn và thấu kớnh hội tụ+đầu nhiệt luyện: Mục tiờu chớnh của hệ gương dẫn là đưa được tia laser về chụm tại điểm cần năng lượng. Phụ thuộc vào cấu hỡnh của mỏy cơ sở mà số lượng và chủng loại gương được chọn.
Đầu nhiệt luyệncú hỡnh dỏng kết cấu như thể hiện ở hỡnh 3.7. Đầu nhiệt luyện là thành phần trung tõm của hệ thống laser được đặt tại vị trớ nỳt cuối của hệ thống để xuất tia laser tới điểm cần tập trung năng lượng. Kết cấu của đầu nhiệt luyện tuỳ theo cấp độ mà cú thể là đơn giản hơn, vớ dụ một đầu nhiệt luyện cố định hoặc phức tạp hơn vớ dụ như đầu nhiệt luyện thực hiện chuyển động 3 trục. Tuy nhiờn tối thiểu đầu nhiệt luyện phải cú thành phần thấu kớnh (kẽm –selenit, sodium chloride hoặc potassium chloride …..) với khoảng tiờu cự được cho theo tờn thấu kớnh vớ dụ thấu kớnh 2,5”, 3,75”, 5”… được lắp bờn trong đầu. Đường kớnh đầu nhiệt luyện cú ảnh hưởng nhất định đến chất lượng nhiệt luyện.
Hệ thống điều khiển:
Một mỏy laser phải thực hiện được: