6. Bố cục của luận án
2.1.4.1Ảnh 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) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 thể tích loại bỏ vật liệu trên một đơn vị diện tích trong một giây tương đương với tốc độ xuyên thủng của chùm laser vào phôi và được tính theo công thức sau [2]:
𝑉𝑝 =𝐷𝑝. 𝑉𝐵
𝑑𝐵 (2.5)
𝑉𝑝 = 𝜂𝑃
𝜌𝑑𝐵2(𝐿 + 𝐶𝑝Δ𝑇) (2.6)
P – Công suất dòng laser (W)
Dp – Chiều sâu thâm nhập của dòng nhiệt (mm)
dB – Đường kính của tia laser(mm) VB – Vận tốc cắt (mm/s)
Vp – Tốc độ xuyên thủng của chùm laser (mm/s)
L – Nhiệt lượng nóng chảy và hóa hơi (J/kg)
T – Độ biến thiên nhiệt độ (oC)
- Hệ số hấp thụ của vật liệu
- Khối lượng riêng (kg/m3) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cp – Nhiệt dung riêng vật liệu (J/(kg.K)
Hình 2.12 Quá trình cắt bằng laser thăng hoa [70] 2.2.2.3 Cắt bằng laser ôxy
Cắt bằng laser ôxy là trường hợp đặc biệt của phương pháp cắt nóng chảy. Phương pháp này sử dụng khí ôxy hoặc hỗn hợp khí ôxy để làm khí hỗn hợp cắt. Trong gia công ôxy đóng vai trò là khí đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi vị trí gia công, mặt khác nó tác dụng với vật liệu nóng chảy để tạo phản ứng cháy, thường phía trên
36
bề mặt khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ bốc cháy. Đây là phương pháp cắt có năng lượng laser yêu cầu thấp nhất so với các phương pháp khác nhờ năng lượng bổ sung của khí ôxy.
Khi gia công bằng phương pháp này trên thép carbon thường thì trên bề mặt rãnh cắt chỉ tồn tại lớp ôxit. Nhưng với các loại thép không gỉ, oxit được tạo thành từ các thành phần có nhiệt độ nóng chảy cao như Cr2O3 (điểm nóng chảy khoảng 2180
oC) do đó lớp ôxit này sẽ đóng băng nhanh hơn và hình thành xỉ kim loại trên bề mặt rãnh cắt [70].
Hình 2.13 Quá trình cắt bằng laser ôxy[70]
2.3 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser
Chất lượng của quá trình cắt bằng laser chịu ảnh hưởng bởi các thông số công nghệ liên quan đến hệ thống laser, vật liệu và quy trình (hình 2.14) [70]
Các thông số hệ thống laser bao gồm bước sóng của laser, công suất đầu ra tối đa và chất lượng của tia laser.
Các thông số vật liệu bao gồm: Loại vật liệu và độ dày của phôi; Các thông số quá trình: Công suất laser, vận tốc cắt, khoảng cách hội tụ, điểm hội tụ, loại khí và áp suất của khí thổi hỗ trợ, đường kính đầu cắt, khoảng cách đầu cắt tới bề mặt của phôi. Để gia công một vật liệu cụ thể (độ dày của vật liệu gia công), sử dụng một thiết bị cắt laser cụ thể các thông số quá trình có thể điều chỉnh và thay đổi bởi người vận hành để tối ưu quá trình cắt và đạt được chất lượng cắt cũng như năng suất.
37
Hình 2.14. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cắt [70]
2.3.1 Công suất laser
Công suất laser là năng lượng của ánh sáng trên một đơn vị thời gian hoặc công suất hội tụ của chùm tia laser. Công suất laser phải được điều chỉnh cho phù hợp với loại và độ dày của chi tiết gia công. Trong khi đó cường độ của tia laser là công suất quang học trên một đơn vị diện tích, được truyền qua một bề mặt vuông góc với hướng truyền. Đơn vị của cường độ quang học (hay cường độ ánh sáng) là W/mm2 hoặc W/cm2. Ngoài ra, hệ số phản xạ của hầu hết các kim loại cao, do vậy để cắt các loại vật liệu dày đòi hỏi cần có nguồn có cường độ của laser lớn.
Có thể tạo ra tia laser có công suất cao ở cả chế độ xung (pulsed) và chế độ liên tục (CW – Continuos wave). Tuy nhiên, công suất laser không tự động phát ra tia laser có cường độ lớn mà nó phụ thuộc vào khả năng hội tụ của chùm tia trên bề mặt vật liệu. Khi sử dụng phương pháp cắt, khí hỗ trợ cho quá trình cắt khác nhau, thì công suất laser cần thiết cho quá trình cắt được tính theo các công thức dưới đây.
2.3.1.1 Công suất laser cần thiết khi cắt kim loại sử dụng ôxy làm khí hỗ trợ
Cân bằng năng lượng ở mặt cắt trước của rãnh cắt khi cắt laser trên kim loại sử dụng khí ôxy hỗ trợ được cho như trong phương trình 2.7. Tỷ lệ thể tích vật liệu bị hóa hơi coi như không đáng kể vì chiều dày phôi có tiết diện lớn [72].
𝐴𝑃𝐿 + 𝑃𝑅 = 𝜌𝑤𝑑𝑉(𝐶𝑝Δ𝑇 + 𝐿𝑚) + 𝑃𝑚 (2.7) Trong đó:
38 PL – Công suất laser chiếu tới bề mặt phôi (W)
PR – Công suất do phản ứng ôxy hóa tỏa nhiệt tạo ra (W)
- Khối lượng riêng (kg/m3) V – Vận tốc cắt (mm/s)
A – hệ số hấp thụ của vật liệu đối với bức xạ nhiệt của chùm laser
Lm – Nhiệt lượng nóng chảy (J/kg)
T – Độ biến thiên nhiệt độ tại rãnh cắt(oC)
Cp – Nhiệt dung riêng vật liệu (J/(kg.K) Pm – Tổn thất công suất do truyền nhiệt vào kim loại nền (W)
w – chiều rộng rãnh cắt (mm) d – chiều dày phôi (mm)
Trong phân tích trên, giả sử tất cả vật liệu nóng chảy tạo ra được ôxy hóa thành FeO và được loại bỏ ở trạng thái nóng chảy qua đáy của rãnh cắt. Powell và cộng sự [71] lập luận rằng FeO được tạo ra trong quá trình cắt laser có sự hỗ trợ của khí ôxy khi cắt thép không xảy ra trạng thái sôi của vật liệu vì nó không có pha khí nhưng sẽ xảy ra hiện tượng phân ly khi nung đến nhiệt độ cao, hiện tượng phân ly này tiêu tốn nhiều năng lượng và có thể dẫn đến sự phá hủy vật liệu của quá trình cắt.
Tổn thất công suất trong quá trình cắt khi xảy ra hiện tượng truyền nhiệt vào kim loại nền được coi là tổn thất công suất đáng kể, trong khi đó tổn thất do đối lưu và bức xạ nhiệt được coi là không đáng kể. Sự dẫn nhiệt từ vùng cắt đến bề mặt kim loại theo hướng cắt được coi là năng lượng được sử dụng để cắt và làm nóng chảy vật liệu trên suốt chiều dày của vật liệu. Do đó, tổn thất công suất dẫn nhiệt từ vùng cắt đến kim loại nền chỉ được coi là gradient nhiệt độ trên thành của rãnh cắt [72]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi rãnh cắt được hình thành trên phôi có chiều dày d, ở vận tốc cắt v và chiều dài rãnh cắt L thì tổn thất công suất do truyền nhiệt đến kim loại nền Pm được tính như sau:
𝑃𝑚 = 2(𝜌𝐶𝑝Δ𝑇𝑚𝑉𝐿𝑑) (2.8) Schulz và cộng sự [73] đã phát triển một phương pháp tính xấp xỉ tổn thất truyền nhiệt trong quá trình cắt laser kim loại và cung cấp một biểu thức cho sự thay đổi nhiệt độ trong kim loại nền, Tm như sau:
Δ𝑇𝑚 =𝑟𝑜(𝑇𝑚− 𝑇0) 𝐿 ( 𝑃𝑒 2) −0.7 (2.9)
Trong đó, Tm - Nhiệt độ nóng chảy (đường đẳng nhiệt tại vị trí biên giữa vật liệu nóng chảy và thành của rãnh cắt); T0 – Nhiệt độ phòng.
39 P𝑒 =𝑉. 𝑙
𝛼 (2.10)
Trong đó: V – vận tốc cắt; l – khoảng cách từ tâm chùm tia laser tới bề mặt của rãnh cắt; - Độ khuếch tán nhiệt.
Công suất do phản ứng ôxy hóa tỏa nhiệt tạo ra PR được ước tính từ PO2 (Công suất của dòng khí O2 hỗ trợ cắt). PO2 được cho bởi công thức sau:
P𝑂2 = (𝜋
4) 𝑤2𝑣𝑂2𝜌𝑂2𝐸𝑂𝑋/𝑚𝑂2 (2.11) Trong đó: vO2 – Vận tốc của khí O2, O2 – Khối lượng riêng của O2, EOX – Năng lượng phản ứng ôxy hoá, mO2 – Khối lượng phân tử O2
Trong quá trình cắt laser, chỉ một phần nhỏ của khí O2 được sử dụng trong phản ứng ôxy hóa, một phần bị thất thoát trên bề mặt của phôi hoặc thoát xuống mặt