6. Phương pháp nghiên cứu
3.7.1Gia công vật liệu
Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng, có cường độ lớn và tập trung vào một điểm. Người ta thường dùng các laser rắn sau để gia công vật liệu: laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh. 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. Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm.
• Cơ chế bóc vật liệu
Cơ chế bóc vật liệu khi gia công bằng tia laser được trình bày ở hình bên. Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên
bề mặt chi tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu.
Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết.
Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu.
• Cắt và khắc kim loại
Hình 53: Cơ chế bóc vật liệu
Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ. Đây điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung
cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser. Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân tần, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt trên một centimet vuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia
laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. Người ta sử dụng Laser Nd:YAG. Ưu điểm của laser này là: Thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ. Cắt tốt các vật liệu có hệ số phản xạ cao, như hợp kim của đồng hay hợp kim của bạc. Nếu sử dụng sợi cáp quang thì sẽ di chuyển mũi cắt một cách dễ dàng. Nhược điểm là không thể cắt các vật liệu là hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh. Công suất nhỏ.
Các phương pháp cắt:
- Phương pháp đột biến về nhiệt.
- Cắt bằng khoan: thường dùng cắt các vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh…
- Phương pháp đốt nóng chảy và thổi. - Phương pháp bay hơi.
- Phương pháp cắt nguội
Ưu điểm cắt bằng laser: Cắt được hầu hết các loại vật liệu, cả các vật liệu có từ tính cũng như không có từ tính. Rãnh cắt sắc cạnh, có độ chính xác cao. Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ. Không biến dạng cơ học và biến dạng nhiệt ít. Tốc độ cắt nhanh. Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao năng suất. Không gây tiếng ồn, không gây ô
nhiễm môi trường làm việc bởi bụi.
Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất của nguồn laser).
Tương tự như cắt người ta còn sử dụng laser để khắc lên kim loại. Khắc bằng laser cho phép độ chính xác, tinh vi cao hơn dùng phương pháp khác.
• Khoan bằng laser
Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: - Đầu phát laser.
- Bộ phận cung cấp điện và điều khiển.
- Bộ phận gá đặt chi tiết gia công Loại laser rắn thường dùng để khoan là tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh, …)
Để khoan được cần có bộ hội tụ tia, bộ lọc, cơ cấu tập trung chùm laser, vòi phun:
- Bộ hội tụ tia: nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ.
Hình 57: Nguyên lý máy khoan laser Hình 56: Khắc kim loại
- Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng.
- Cơ cấu tập trung chùm laser: Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Các biện pháp thường dùng hiện nay là: Dùng thấu kính hội tụ, và dùng hệ thống chiếu ảnh.
- Vòi phun khi cắt: Khi cắt, người ta cho vào
một luồng khí để hỗ trợ tia laser trong quá trình gia công. Khi cắt bằng tia laser, dòng khí tạo một lực cơ học để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng cắt gọt và làm lạnh bởi dòng đối lưu. Lớp nóng chảy không được bóc ra một cách hiệu quả có thể dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và sâu trên kim loại, ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery và urani, hợp kim các vật liệu phi kim loại... Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị côn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế.
Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet. Để khoan những lỗ nhỏ phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cơ khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 - 5
Hình 59: Hình dạng lỗ khoan
micromet. Chiều sâu lỗ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian và số lần phát xung.
• Hàn kim loại
Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc nhau để kết dính với nhau. Hàn bằng tia laser được áp dụng phổ biến trong công nghệ chế tạo vi mạch. Nhờ phương pháp này có thể nối các đầu nối với tấm mạch in.
Hàn bằng tia laser còn được áp dụng trong công nghệ làm kín vỏ trong các mạch tích hợp.
Phương pháp này cũng có thể nối các kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại. Người ta thường sử dụng Laser Nd: YAG để hàn.
Mỗi loại vật liệu có khả năng hàn bằng tia laser khác nhau. Sự chuyển năng lượng laser được chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua một sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng và khi năng lượng đó không còn nữa, kim loại trở về trạng thái rắn. Quá trình hàn chảy kim loại này được dùng để tạo ra mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục. Chiều sâu ngấu khi hàn bằng tia laser khá nhỏ vì nó phụ thuôc vào tốc độ truyền nhiệt từ năng lượng trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên đối với hàn laser năng lượng cao thì chùm tia tạo một lỗ trên vật liệu và năng lượng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt được chiều sâu ngấu lớn hơn.
Những ưu điểm của phương pháp hàn laser: mối hàn không bị bẩn, độ tập trung năng lượng cao hàng chục kW vào một điểm có kích thước 0,2- 0,3 mm, miền truyền nhiệt nhỏ, sự giảm nhiệt độ nhanh. Giảm sự biến tính vật liệu
do nhiệt trong quá trình hàn. Không cần gia công sau khi hàn. Tốc độ hàn nhanh.
Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao. Sự làm lạnh nhanh dễ. Gây ra sự nứt gãy.