6. Bố cục của luận án
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)
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].
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 dưới của rãnh cắt và phần còn lại có tác dụng để làm lực đẩy thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt trong đó có khoảng 50% lượng sắt nóng chảy phản ứng với ôxy trong rãnh cắt để tạo thành FeO [72].
2.3.1.2 Công suất laser cần thiết khi cắt kim loại sử dụng khí trơ làm khí hỗ trợ
Đối với quá trình cắt nhiệt hạch – nhiệt, vật liệu trong rãnh cắt chỉ bị nóng chảy mà không bị hóa hơi, lúc này phương trình cân bằng năng lượng được cho trong phương trình 2.12. Khi cắt vật liệu dày thì sự hóa hơi của vật liệu là nhỏ nhất, dẫn đến lượng tổn thất nhiệt truyền vào kim loại nền là lớn.[72]
𝐴𝑃𝐿 = 𝜌𝑤𝑑𝑉(𝐶𝑝Δ𝑇 + 𝐿𝑚) + 𝑃𝑚 (2.12) Trong đó:
PL – Công suất laser chiếu tới bề mặt phôi (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) Với Pm được tính theo các công thức (2.8, 2.9, 2.10)
40
2.3.2 Chất lượng chùm tia laser
Chất lượng chùm tia laser được đặc trưng bởi chế độ của chùm laser, là sự phân bổ năng lượng qua tiết diện. Chế độ chùm tia tốt có sự phân bố năng lượng đồng đều, đây là đặc điểm quan trọng cho việc cắt laser vì nó có thể được hội tụ tại một vị trí nhỏ trên bề mặt vật liệu và tạo ra mật độ công suất cao. Hay nói cách khác, chất lượng chùm tia là thước đo mức độ hội tụ của chùm laser. Chất lượng chùm tia thường được biểu diễn bởi hai giá trị: M2 và BPP (Beam Parameter Product - tích thông số chùm tia bằng độ phân kỳ của chùm tia nhân với bán kính của chùm tại điểm thắt của nó).
Chất lượng chùm tia thể hiện qua giá trị hệ số truyền M2 ở mức 1/e2 gần đạt tới giới hạn nhiễu xạ của chùm Gauss (của profile độ rộng cổ chùm và phân bố không gian trường xa). Hệ số M2 được xác định theo công thức sau:
𝑀2 =𝜋𝑊0𝜃
4𝜆 (2.13)
Trong đó, W0– độ rộng cổ chùm (mm), - bước sóng laser (µm), - góc phân kỳ (o
, độ)[74]
Khi chất lượng chùm tia được đánh giá bằng giá trị BPP. Giá trị BPP được xác định theo công thức sau:
𝐵𝑃𝑃 = 𝑊0𝜃 = 𝜋 𝜆𝑀
2 (𝑚𝑚. 𝑚𝑟𝑎𝑑) (2.14)
Hình 2.15. Khoảng hội tụ của chùm tia [74]
Giá trị M2 trong công thức (2.14) cho thấy BPP của chùm tia laser thực lớn hơn BPP của chùm tia Gauss lý tưởng là bao nhiêu (với chùm tia Gauss lý tưởng M2
41
Hình 2.16 Ảnh hưởng của giá trị M2 đến đường kính chùm tia laser
Từ công thức (2.13), giá trị độ rộng cổ chùm tia laser được tính theo như công thức sau: { 𝑊𝑡ℎự𝑐 𝑡ế = 𝑀24𝜆𝑓 𝜋𝐷 𝑊 𝑙ý 𝑡ưở𝑛𝑔 = 4𝜆𝑓 𝜋𝐷 (2.15)
O'Neill đã chứng minh ý nghĩa thực tế của giá trị BPP (hình 2.17) [75]. Giá trị BPP của chùm tia laser thấp thì khoảng cách hội tụ lớn. Chất lượng chùm tia càng cao (kích thước tiêu điểm nhỏ), giá trị BPP thấp. Hugle [76] đưa ra, để đánh giá chất lượng của chùm laser có cung bước sóng thì sử dụng giá trị M2, còn đối với chùm tia laser có các bước sóng khác nhau thì sử dụng giá trị BPP.
Hình 2.17 Ảnh hưởng của BBP đến biên dạng chùm tia [75]
2.3.3 Thông số đầu cắt
Đầu cắt cung cấp cả chùm tia laser và khí hỗ trợ đến vùng cắt. Đầu cắt bao gồm hai hệ thống chính: Hệ thống phân phối quang và khí hỗ trợ. Khi chùm tia tới
42
đầu cắt, nó đi qua một thấu kính cong được phóng to và tập trung vào một điểm duy nhất. Chính trong đầu cắt này, tia laser được biến thành một chùm mỏng, hội tụ, có thể cắt hoặc khắc. Các chùm tia laser hội tụ đi qua một vòi trước khi chạm vào phôi, với khí nén như ni-tơ hoặc ôxy cũng chảy qua vòi này (hình 2.18).
Hình 2.18 Đầu cắt Laser RAYTOOLS BT240S được sử dụng trong nghiên cứu này 2.3.3.1 Độ dài tiêu cự của quang cụ hội tụ
1. Miệng đầu cắt 2. Tia laser
a. Hội tụ tại tâm b và c không ở tâm
43
Khả năng hội tụ của chùm laser được minh họa như trên hình 2.19. Trong đó 2.z là độ sâu của tiêu điểm (chiều dài Rayleigh) và phương trình cho thấy các thông số xác định kích thước điểm hội tụ [77]
𝑑𝑓 =4𝜆 𝜋 . 𝑓 𝐷. 1 𝐾 = 4𝜆 𝜋 . 𝑓 𝐷. 𝑀 2 (2.16)
Trong đó: df - Kích thước điểm hội tụ; f - Độ dài tiêu cự;
D - Đường kính chùm tia laser (trước kính hội tụ); - Bước sóng;
K – Chất lượng chùm tia laser có giá trị gần bằng 1 (M2 = 1/K).
Hệ thống quang học có tiêu cự 5" (inch) và 7,5" thường được sử dụng để cắt. Quang cụ có tiêu cự 5" chỉ phù hợp với vật liệu mỏng. Đối với vật liệu dày hơn, sử dụng quang cụ có tiêu cự 7,5"
Thấu kính hội tụ phải được đặt sao cho chùm tia hội tụ được đặt ở tâm của lỗ đầu cắt (hình 2.20).
2.3.3.2 Vị trí tiêu cự
Định vị chính xác tiêu điểm là một yêu cầu quan trọng để có kết quả cắt tốt.Vị trí tiêu cự phải dược kiểm soát để đảm bảo hiệu suất cắt tối ưu. Sự khác biệt về chiều dày vật liệu cũng có yêu cầu thay đổi tiêu điểm và hình dạng chùm laser (hình 2.21). Khi cắt bằng ôxy, vận tốc cắt lớn nhất đạt được khi mặt phẳng tiêu điểm của chùm tia được đặt ở bề mặt vật liệu đối với chi tiết có chiều dày mỏng hoặc khoảng 1/3 chiều dày tấm dưới bề mặt vật liệu đối với tấm dày. Tuy nhiên, vị trí tối ưu là gần bề mặt dưới của chi tiết khi sử dụng khí trơ vì chiều rộng rãnh cắt sẽ tạo ra vùng lớn hơn để cho dòng khí hỗ trợ có thể xuyên qua và đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt, trong trường hợp này đường kính đầu cắt được lựa chọn lớn [69]
44
2.3.3.3 Đường kính đầu cắt và khoảng cách đầu cắt đến bề mặt phôi
Đầu cắt cung cấp khí cắt đến bề mặt cắt đảm bảo rằng dòng khí được đồng trục với chùm laser và ổn định áp suất trên bề mặt phôi nhằm giảm thiểu hỗn loạn của kim loại nóng chảy trong vùng cắt. Thiết kế đầu cắt, đặc biệt là thiết kế miệng đầu cắt quyết định hình dạng của tia khí cắt và chất lượng của vết cắt. Đường kính của đầu cắt được chọn theo vật liệu và độ dày của phôi. Do kích thước nhỏ của tia laser,