6. Bố cục của luận án
2.1.2Cấu tạo và nguyên lý làm việc của nguồn phát laser
Nguyên lý cấu tạo chung của nguồn phát laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi (nguồn bức xạ kích thích) và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu (hình 2.1)
25
Hình 2.1. Cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser [28] 2.1.2.1 Hoạt chất
Là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Tương ứng với mỗi loại vật chất mà ta có các loại laser có các bước sóng khác nhau. Có thể phân loại hoạt chất thành các nhóm sau:
Môi chất là chất khí gồm: các khí đơn nguyên tử, các ion khí đơn nguyên tử, các khí phân tử, các hỗn hợp khí đơn nguyên tử hay hỗn hợp khí phân tử.
Môi chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm. Laser rắn điển hình là rubi có hoạt chất tinh thể là Al2O3 trộn thêm các ion Cr3+ hoặc laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 có trộn thêm Nd.
Môi chất là chất lỏng gồm laser Chelate hữu cơ đất hiếm, laser vô cơ oxyd Chloride, Neodym, Selen và thông dụng nhất là laser màu Dyer.
Môi chất là chất bán dẫn như PbS (Sunfua chì), GaAs (Arsenua galli ),... về cơ bản những môi chất này là những chất phát quang.
2.1.2.2 Buồng cộng hưởng
Vai trò của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể chuyển động qua lại nhiều lần, nhờ đó bức xạ được khuếch đại lên gấp bội. Buồng cộng hưởng gồm hai gương phản xạ trong đó một gương phản xạ toàn phần và một gương bán phản xạ để tia laser thoát ra ngoài.
Có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm cấu trúc của các gương phản xạ: Buồng cộng hưởng phẳng với hai gương phản xạ phẳng; Buồng cộng hưởng Fabry – Perot với các gương phản xạ phẳng tròn song song; Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu khi hai gương là các gương cầu có cùng bán kính cong và chung tiêu điểm.
26
2.1.2.3 Bộ phận kích thích
Bộ phận kích thích hay còn gọi là bơm kích thích có chức năng cung cấp năng lượng cho hoạt chất để tạo ra sự nghịch đảo tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của môi chất và duy trì hoạt động của laser. Có các loại bơm kích thích sau:
- Bơm kích thích bằng ánh sáng hay còn gọi là bơm quang học, đây là loại bơm kích thích phổ biến.
- Bơm kích thích bằng va chạm điện tử: Năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử môi chất nhờ quá trình va chạm.
2.1.3 Sự tương tác giữa laser với vật liệu
Ánh sáng là một dạng của năng lượng điện từ. Năng lượng điện từ mà vật chất hấp thụ được tiêu hao dưới dạng nhiệt. Khi năng lượng bức xạ chiếu vào bề mặt vật liệu cho kết quả là một phần năng lượng bức xạ được phản xạ, một phần được vật liệu hấp thụ (hình 2.2) [2]. Khi đi vào một môi trường mới nó sẽ được hấp thụ theo luật Beer Lambert I I0ez, với I0 là cường độ tia tới, - hệ số hấp thụ phụ thuộc vào môi trường, sóng bức xạ và cường độ bức xạ.
Hình 2.2 Va chạm của tia tới bề mặt vật chất [2]
Cách hấp thụ bức xạ của vật liệu có thể miêu tả như sau:
Bức xạ điện từ có thể biểu diễn như một trường véc tơ điện và một trường vectơ từ thể hiện ở hình 2.3. Khi đi qua điện tử nằm trên biên đàn hồi, nó đặt hạt này vào trạng thái dao động do chịu tác dụng của lực điện E từ trường điện. Nếu tần số của bức xạ không tương ứng với tần số tự nhiên cộng hưởng của hạt, sẽ không xuất hiện sự phát huỳnh quang hoặc hấp thụ, nhưng lại có thể khởi tạo một dao động cưỡng bức. Lực cảm bởi trường điện, E rất nhỏ, không thể làm hạt nhân của nguyên tử dao động. Đây là trường hợp bức xạ tương tác với điện tử tự do hoặc ở trên lớp biên.
27
Hình 2.3. Các vectơ điện trường và từ trường của bức xạ điện từ [2]
Quá trình hạt photon bị các điện tử hấp thụ này được biết đến như là “hiệu ứng tia hãm nghịch đảo” (tức sự phát ra hạt photon từ các điện tử bị kích hoạt). Khi các điện tử dao động sẽ phát xạ lại ra mọi hướng hoặc bị ngăn giữ bởi các photon trong mạng tinh thể (lattice) (năng lượng liên kết trong một cấu trúc rắn hoặc lỏng). Trong trường hợp bị ngăn giữ, các photon sẽ làm cho cấu trúc dao động và dao động này sẽ được truyền qua cấu trúc bởi các quá trình khếch tán thẳng góc nhờ sự liên kết phân tử của cấu trúc. Các dao động này trong cấu trúc được tìm thấy dưới dạng nhiệt (hình 2.4). Dòng nhiệt được miêu tả bởi định luật Fourier về dẫn nhiệt - phương trình luồng nhiệt:
𝑞 = −𝑘𝑑𝑇
𝑑𝑥 (2.1)
Trong đó: q dòng nhiệt/diện tích đơn vị; K hệ số dẫn nhiệt;
T nhiệt độ;
X phương truyền.
Nếu hấp thụ năng lượng đủ, dao động trở nên mạnh, biên phân tử sẽ bị kéo căng đến mức không có khả năng giữ bền cơ tính, ta nói vật liệu đã bị nóng chảy (hình 2.4). Gia nhiệt tiếp, sự liên kết trở nên lỏng hơn do các dao động phân tử mạnh, ta nói vật liệu bốc hơi. Hơi khí vật liệu khi đó còn có thể hấp thụ bức xạ nhưng chỉ lượng nhẹ do chỉ có các điện tử nảy biên. Trừ khi, nếu khí đủ nóng, các điện tử lay động tự do, khi đó khí được gọi là plasma.
28
Hình 2.4. Ảnh hưởng của mật độ công suất laser đến sự hấp thụ của vật liệu [2]
Do mật độ năng lượng laser cao (> 104 W/cm2), tốc độ nung nóng và tự làm mát cực nhanh (103 106 0C/s) diễn ra trên bề mặt nên quá trình tương tác giữa laser – chi tiết được xem là một quá trình nhiệt - vật lí phức tạp trong đó bao gồm các vấn đề về nhiệt, chuyên đổi pha và ứng suất - biến dạng liên quan tới laser, vật liệu, nhiệt - vật lí, khí động học và một số lĩnh vực khoa học khác.
Khi chùm tia laser đập vào vật liệu gia công, ở đó sẽ xảy ra các giai đoạn theo trình tự sau:
1) Vật liệu gia công nhận năng lượng của chùm tia laser, năng lượng này chuyển thành nhiệt lượng;
2) Nung nóng vật liệu gia công đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của nó; 3) Tiếp tục nung nóng vật liệu và làm chuyển pha: chảy lỏng, chảy, bốc hơi và thoát ra khỏi bề mặt gia công;
4) Sau đó vật liệu nguội nhanh.
Quá trình (1) và (4) xảy ra trong thời gian rất ngắn, không làm ảnh hưởng đến năng suất gia công nhưng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công. Tùy theo mục đích gia công mà quá trình tương tác trên tồn tại cả 4 giai đoạn hoặc không có giai đoạn (3). Năng suất, chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công chủ yếu phụ thuộc vào giai đoạn (2) và (3).
29
2.1.4 Khả năng hấp thụ laser của vật liệu
Trong quá trình gia công vật liệu bằng laser, sự hiểu biết về cơ chế hấp thụ của vật liệu với laser cơ bản đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số và điều kiện xử lý tối ưu. Mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ với hệ số phản xạ đối với vật liệu chắn sáng được cho bởi công thức sau [2].
A = 1 - R (%) (2.2)
Trong đó: A hệ số hấp thụ (%) R hệ số phản xạ (%)
Khả năng hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào các yêú tố sau:
2.1.4.1 Ảnh hưởng của bước sóng
Ở bước sóng ngắn hơn, các năng lượng của photon có thể bị hấp thụ bởi một số lượng lớn các electron bị ràng buộc và do đó độ phản xạ giảm và độ hấp thụ của bề mặt tăng lên (hình 2..5) [2].
Hình 2.5. Hệ số phản xạ của một số kim loại phụ thuộc vào bước sóng laser[2] 2.1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi nhiệt độ của cấu trúc tăng, sẽ có sự gia tăng mật độ photon, làm cho quá trình trao đổi năng lượng electron-photon nhiều hơn. Như vậy, các điện tử có nhiều khả năng tương tác với cấu trúc vật liệu hơn là dao động và tái phát xạ. Do đó giảm độ phản xạ và tăng sự hấp thụ với sự gia tăng nhiệt độ đối với một số kim loại, như trong hình 2.6 [65].
30
Hình 2.6. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ phôi (bước sóng laser 1,06 μm)[65] 2.1.4.3 Ảnh hưởng của lớp ôxit bề mặt vật liệu
Hệ số phản xạ về bản chất là hiện tượng bề mặt và do đó các oxit bề mặt có thể có ảnh hưởng lớn. Hình 2.7 cho thấy xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các chùm tia phản xạ trên bề mặt vật liệu và chùm tia phản xạ của lớp ôxit do đó làm tăng tính hấp thụ của vật liệu.
Hình 2.7. Chùm tia laser chiếu lên bề mặt vật liệu có lớp ôxit [65] 2.1.4.4 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt
Độ nhám có ảnh hưởng lớn đến sự hấp thụ do nhiều phản xạ trong các vết rạn nứt. Cũng có thể có một số "hấp thụ kích thích" do chùm giao thoa với các chùm phản xạ đi ngang [66], do đó làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng của tia laser. Với độ nhám nhỏ hơn bước sóng chùm tia laser thì không làm ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ của vật.
31
Hình 2.8. Sự hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt phôi [66]
2.2 Gia công cắt bằng laser
Ý tưởng sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng để cắt kim loại xuất hiện ngay khi dùng tia sáng mặt trời để nhóm lửa hoặc đốt giấy. Từ việc nghiên cứu các thiết bị laser được cuốn hút bởi sức hấp dẫn của nó. Hiện nay cắt bằng laser đã trở thành thông dụng ở nhiều nước. Ở Nhật Bản gần 80% nguồn laser sử dụng cho cắt các loại vật liệu trong công nghiệp. Trong thực tế có nhiều phương pháp cắt như: Cắt bằng cơ khí, cắt bằng siêu âm, bằng hồ quang plasma, tia nước áp lực cao…Những năm gần đây người ta đã sử dụng laser để cắt tất cả các vật liệu với bất kỳ độ cứng nào[2].
2.2.1 Nguyên lý cắt bằng laser
Trong quá trình cắt laser, chùm laser hội tụ được chiếu vào bề mặt chi tiết gia công làm nóng chảy cục bộ vật liệu, bốc hơi một phần hoặc hoàn toàn vật liệu, kết hợp với áp suất của dòng khí thổi từ đầu cắt, vật liệu được loại bỏ (Hình 2.9) đồng thời, khí thổi còn có chức năng bảo vệ hệ thống quang học khỏi nhiệt và vật liệu nóng chảy bắn tung tóe [67].
Khi cắt kim loại bằng chùm tia laser kết hợp với khí ôxy thổi vào vùng gia công thì khí ôxy có 4 chức năng sau:
1) Ôxy giúp làm tăng lớp ô xít trên bề mặt kim loại và do đó giảm khả năng phản xạ tia laser của kim loại và như vậy tăng khả năng hấp thụ tia laser lên.
2) Nhiệt tỏa ra do các phản ứng cháy tỏa nhiệt cùng với bức xạ laser tiếp tục phá hủy kim loại ở trong vùng gia công.
3) Dòng khí mang đi những phế liệu phá hủy và bổ sung ôxy trực tiếp cho bề mặt khi cháy.
4) Dòng khí ngăn cản sự nóng quá mức của chi tiết máy.
32
do tác động gia nhiệt của chùm laser đi ngang qua tập trung có mật độ công suất 104
W/mm2 kết hợp với dòng khí hỗ trợ. Chùm tia laser hội tụ làm nóng chảy vật liệu trên suốt chiều dày của vật liệu kết hợp với dòng khí thổi đồng trục với tia laser thổi bay vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Quá trình cắt và thuật ngữ liên quan được minh họa như trên (hình 2.10)
Hình 2.9. Quá trình cắt bằng laser [67]
33
2.2.2 Các phương pháp cắt bằng laser
Có ba phương pháp cắt bằng laser chính: Cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt (Laser fusion cutting), cắt bằng Laser thăng hoa (Laser sublimation cutting), cắt bằng laser ôxy (Laser oxygen cutting).
2.2.2.1 Cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt (Laser fusion cutting)
Quá trình cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt, còn được gọi là quá trình cắt nóng chảy sử dụng khí trơ hỗ trợ. Quá trình cắt này phụ thuộc vào năng lượng của chùm tia laser. Năng lượng này dùng để làm nóng chảy vật liệu và đưa vật liệu ra khỏi rãnh cắt sử dụng khí trơ Ni - tơ hoặc Argon. Khí trơ có nhiệm vụ làm nguội vật liệu và ngăn chặn quá trình ôxy hóa ở rãnh cắt. Trên hình 2.11 là sơ đồ của quá trình cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt [69],[70]
Hình 2.11 Quá trình cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt [70]
Giả sử tổng năng lượng nguồn laser vật liệu hấp thụ được để làm nóng chảy thể tích rãnh cắt trước khi xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt đáng kể, khi đó công suất nhiệt gộp cân bằng nhiệt trên vật liệu được bóc tách tương tự với phương trình (2.3) như sau [2]:
𝜂𝑃 = 𝑤𝑡𝑣𝜌(𝐶𝑝Δ𝑇 + 𝐿𝑓 + 𝑚′𝐿𝑣) (2.3) P – Công suất dòng laser (W)
w – Chiều rộng trung bình rãnh cắt (mm) t – Chiều dày cắt (mm)
v – Vận tốc cắt (m/ph)
m’ – Phần vật liệu nóng chảy bốc hơi (kg)
Lf – Nhiệt lượng nóng chảy (J/kg)
Lv – Nhiệt lượng hóa hơi (J/kg)
T – Độ biến thiên nhiệt độ (oC)
- Hệ số hấp thụ của vật liệu
34
Phương pháp cắt này có thể áp dụng cho tất cả các loại kim loại, đặc biệt là các loại thép không gỉ, thép hợp kim, hợp kim nhôm, thép cường độ cao. Nó cũng được áp dụng để cắt thép nhẹ và nhôm. Áp suất khí trơ hỗ trợ có thể từ 1,0 MPa trở lên để loại bỏ kim loại lỏng có thể dính vào mặt dưới của rãnh cắt.
Ưu điểm phương pháp này là yêu cầu năng lượng thấp hơn cho việc nóng chảy vật liệu so với phương pháp hóa hơi, không bị ôxy hóa vết cắt, có thể cắt được nhiều loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cố định như: Thủy tinh, nhựa, kim loại...Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm như: Yêu cầu chính xác căn chỉnh thông số của khí hỗ trợ khi cắt; vật liệu nóng chảy có thể đọng hay tạo thành các khoảng vân ở thành cạnh hoặc mặt dưới của rãnh cắt; tiêu thụ lớn lượng khí hỗ trợ. Với nguyên lý của phương pháp này phù hợp sử dụng để gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11.
2.2.2.2 Phương pháp cắt bằng laser thăng hoa (Laser sublimation cutting)
Trong phương pháp này sử dụng năng lượng từ chùm tia laser tác động tới vật liệu, vật liệu được làm nóng vượt quá nhiệt độ nóng chảy và bốc hơi. Một dòng khí có áp suất cao được tạo ra, đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi đỉnh và đáy của rãnh cắt. Khí Ni-tơ, Argon, Heli dùng để che chắn, bảo vệ các bề mặt cắt khỏi môi trường. Ưu điểm của phương pháp này là khi độ dày vật liệu nóng chảy nhỏ làm cho cạnh cắt trơn nhẵn, vết cắt đạt chất lượng cao; hiệu ứng vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, nhiệt độ sinh ra trên bề mặt thấp; không bị ôxi hóa vết cắt do đó không cần xử lý bề mặt sau khi cắt. Trên hình 2.12 là sơ đồ của quá trình cắt bằng laser thăng hoa [70].
Ưu điểm của phương pháp này là: Do vật liệu bị bốc hơi nên độ dày lớp vật liệu nóng chảy nhỏ tạo ra rãnh cắt có bề mặt trơn nhẵn, vết cắt đạt chất lượng cao; hiệu ứng vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, nhiệt độ sinh ra trên bề mặt thấp; không bị oxi hóa vết cắt vì thế không cần xử lý sau cắt. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là cần nguồn laser có cường độ cao (lớn hơn mật độ năng lượng hóa hơi của vật liệu) nghĩa là cần nguồn laser có công suất cao với chất lượng tia tốt. Vì vậy, phương pháp này thường được ứng dụng cho các vật liệu không có nhiệt độ nóng chảy riêng biệt như: gỗ, giấy, sứ, nhựa.
Giả sử, dòng nhiệt một chiều với tổng nhiệt hóa hơi (bỏ qua tổn thất nhiệt – tức là dẫn nhiệt bằng không) thì chiều sâu thâm nhập của dòng nhiệt (chùm tia laser) trên vật liệu là [2]:
35
𝐷𝑝 = 𝜂𝑃
𝜌𝑉𝐵𝑑𝐵(𝐿 + 𝐶𝑝Δ𝑇) (2.4)
Nếu sự thâm nhập tức thời của dòng nhiệt qua chiều dày của vật liệu, khi đó