6. Bố cục của luận án
2.3.3Thông 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, đường kính của rãnh cắt tạo ra trong quá trình cắt thường nhỏ hơn đường kính của đầu cắt. Do đó, chỉ một phần tia khí được tạo thành bởi đầu cắt được xuyên qua rãnh cắt vì vậy cần phải sử dụng áp suất khí cao.
Wandera và cộng sự [78] khi tiến hành cắt trên thép thường sử dụng khí O2
với các đường kính đầu cắt lần lượt là 1,5 mm; 2,0 mm và 2,5 mm cho thấy chất lượng cắt tốt nhất, bề mặt rãnh cắt có các đường vân đồng đều tại đường kính 1,5 mm còn tại đường kính 2,5 mm cho chất lượng bề mặt cắt xấu nhất. Điều này được lý giải, khi đầu cắt có đường kính nhỏ sẽ cung cấp một lượng chính xác ôxy đến vùng tương tác và phản ứng ôxy hóa ở mặt trước của rãnh cắt được tập trung dẫn đến tạo ra bề mặt có các vân đồng đều, gần nhau và mịn hơn. Còn khi đường kính đầu cắt lớn sẽ cung cấp một lượng khí lớn vào vùng cắt, dẫn đến phản ứng ôxy hóa không ổn định, một rãnh cắt rộng hơn và chất lượng bề mặt xấu hơn được hình thành.
Wahab và cộng sự [79] khi đánh giá ảnh hưởng của đường kính và khoảng cách đầu cắt đến chiều cao của ba-via, độ nhám bề mặt của rãnh cắt khi cắt thép thường bằng laser diot công suất lớn đã chỉ ra để giảm thiểu sự hình thành ba-via nên sử dụng đường kính đầu cắt d = 1,5 mm cho khoảng cách đầu cắt 0,75 mm < d < 1,06 mm (hình 2.22).Tác giả giải thích rằng, thông qua các điều kiện khí động học (cấu tạo đầu cắt, áp suất khí, độ dày của phôi) khi đường kính đầu cắt lớn mang lại lượng khí thổi lớn nhưng lại làm giảm áp suất của dòng khí hỗ trợ. Đối với độ nhám bề mặt rãnh cắt, đường kính đầu cắt nhỏ cũng cho bề mặt nhẵn hơn, chất lượng tốt hơn (hình 2.23). Khoảng cách giữa đầu cắt và phôi có ảnh hưởng đến kiểu dòng chảy của khí, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cắt và chất lượng cắt. Sự thay đổi lớn về áp suất có thể xảy ra nếu khoảng cách giữa đầu cắt và phôi lớn. Nên chọn khoảng cách này nhỏ hơn đường kính đầu cắt vì khoảng cách chờ lớn dẫn đến sự hỗn loạn và thay đổi áp suất làm ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ vật liệu ra khỏi vùng cắt, làm giảm chất lượng cắt. Hình dạng và các thông số hình học của vòi cắt như trên hình 2.24 [69],[77]
45
Hình 2.22 Tương tác giữa đường kính và khoảng cách đầu cắt đến chiều cao bavia [79]
Hình 2.23 Tương tác giữa đường kính đầu cắt, vận tốc cắt và áp suất khí thổi đến độnhám bề mặt [79]
46
2.3.4 Vận tốc cắt
Cân bằng năng lượng cho quá trình cắt laser sao cho năng lượng cung cấp cho vùng cắt được chia thành hai phần, cụ thể: Năng lượng được sử dụng để tạo ra một rãnh cắt và tổn thất năng lượng từ vùng cắt. Vận tốc cắt là tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt tập trung trên bề mặt của phôi. Tại một công suất bức xạ cố định, nếu tăng dần vận tốc cắt tức là thời gian lưu lại của nguồn nhiệt trên bề mặt giảm, khả năng lan truyền của nguồn nhiệt sang các vùng lân cận giảm do đó chiều rộng rãnh cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt sẽ xảy ra hiện tượng cắt không đứt đó gọi là điểm giới hạn của vận tốc, tại vận tốc này nguồn nhiệt tập trung không đủ thời gian để nung chảy vật liệu cần cắt.
Để chất lượng cắt được tốt cần phải cân bằng với công suất cắt và tốc độ khí thổi hỗ trợ [74]. Trong các nghiên cứu đã được công bố chỉ ra rằng có nhiều thông số ảnh hưởng đến vận tốc cắt: bước sóng laser, vị trí tiêu điểm, công suất laser, loại khí và áp suất khí hỗ trợ, vật liệu và độ dày của vật liệu. C. Wandera và Cộng sự [78] tiến hành so sánh về công suất laser so với vận tốc cắt trên các loại vật liệu khác nhau giữa nguồn laser Fiber (1,06 µm) và laser CO2 (10,6 µm) đã chỉ ra rằng đối với cùng một vận tốc cắt, công suất cắt sẽ bị thay đổi khi sử dụng một nguồn laser khác và vật liệu khác nhau (hình 2.25)
Tính chất vật liệu cũng ảnh hưởng đến vận tốc cắt. Golnabi [80] đã chỉ ra rằng khi thực hiện cắt trên thép thường thì phạm vi vận tốc cắt cao hơn so với khi cắt trên thép không gỉ.
Hình 2.26 chỉ ra mức độ ảnh hưởng của vật liệu, độ dày của phôi đến vận tốc cắt trên thép không gỉ và nhôm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
47
Hình 2.26 Vận tốc cắt tối đa (sử dụng khí N2, với áp suất khí: Nhôm = 1,4MPa; Thép không gỉ = 1,9 MPa) [72]
Vận tốc cắt còn ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt vết cắt. Trong quá trình cắt thép thường, độ nhám ở đầu và cuối mép cắt giảm xuống ở vận tốc cắt là 5500 mm/ph, được gọi là trạng thái không có vân bề mặt. Tuy nhiên, khi vận tốc cắt tăng lên thì độ nhám bề mặt đáy của mép cắt lại tăng lên [72]. Ghany và cộng sự [81] khi thực hiện cắt thép có tráng kẽm bằng laser Nd:YAG sử dụng các loại khí hỗ trợ khác nhau (ôxy, Ni-tơ và khí nén) đã chỉ ra vận tốc cắt tăng lên làm cho chiều rộng rãnh cắt giảm xuống.
2.3.5 Áp suất và loại khí hỗ trợ
Tính chất vật liệu và các yêu cầu của kết quả cắt xác định khí cắt được sử dụng. Độ dày vật liệu của chi tiết gia công phải phù hợp với áp suất khí. Khí hỗ trợ có một số chức năng chính trong quá trình cắt laser như: Khí trơ (N2) có nhiệm vụ đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi vùng cắt, không để các kim loại nóng chảy đông đặc lại ở mặt dưới của rãnh cắt (xỉ), trong khi đó khí ôxy lại có tác dụng tham gia phản ứng tỏa nhiệt với vật liệu. Khí cũng có tác dụng ngăn chặn sự hình thành plasma khi cắt vật liệu dày với cường độ chùm tia cao và bảo vệ hệ thống quan cụ khỏi tia phóng xạ, mép cắt được làm mát bằng dòng khí do đó cũng hạn chế được ảnh hưởng nhiệt tới vật liệu (HAZ)[69].
Việc lựa chọn khí có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất và chất lượng của quá trình cắt laser. Các loại khí thường được sử dụng là ôxy, ni-tơ, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Mặc dù, khí ni-tơ không hoàn toàn là khí trơ, nhưng nó là loại khí được sử dụng phổ biến nhất để cắt vì giá thành tương đối rẻ. Trong khi đó, khí trơ như Heli, Argon lại được dùng để cắt vật liệu titan vì chúng ngăn chặn được sự hình thành ôxit hoặc nitrit titan giòn.
Khí Ni-tơ là khí được sử dụng nhiều trong quá trình cắt vật liệu thép không gỉ, thép hợp kim, hợp kim nhôm và niken, mà đòi hỏi áp suất khí phải lớn để loại bỏ vật
48
liệu ra khỏi vùng cắt, áp suất khí lớn cung cấp thêm một lực cơ học để thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Khi cắt thép không gỉ bằng khí Ni-tơ sẽ tạo ra một cạnh cắt sáng không có oxit, nhưng tốc độ xử lý của quá trình cắt sẽ thấp hơn so với quá trình cắt có sự hỗ trợ của khí ôxy. Áp suất khí Ni-tơ nằm trong khoảng từ 1,0 2,0 MPa và yêu cầu áp suất tăng khi độ dày vật liệu tăng, độ tinh khiết của khí Ni-tơ phải trên 99,8 % [2],[69],[70].
Đối với khí ôxy thường được sử dụng để cắt thép thường. Việc sử dụng khí ôxy gây phản ứng tỏa nhiệt, góp phần tạo ra năng lượng cắt dẫn đến vận tốc cắt cao và khả năng cắt vật liệu dày đến 12 mm. Tuy nhiên, quá trình cắt bằng ôxy sẽ làm các cạnh cắt bị ôxy hóa vì vậy cần kiểm soát các thông số quá trình để giảm thiểu sự bám dính của vật liệu nóng chảy lên bề mặt rãnh cắt. Áp suất khí thường nằm trong khoảng 0,05 0,5 MPa. Áp suất khí ôxy giảm khi độ dày tấm vật liệu tăng để tránh hiệu ứng đốt cháy và đường kính đầu cắt được tăng lên [2],[69],[70].
2.3.6 Đặc tính nhiệt
Hiệu quả của việc cắt laser phụ thuộc vào khả năng hấp thụ năng lượng tới vật liệu, các đặc tính nhiệt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng cắt của tia laser và chất lượng của quá trình cắt. Khả năng phản xạ cao của một số kim loại với ánh sáng laser có thể dẫn đến những khó khăn khi bắt đầu và duy trì quá trình cắt. Trong quá trình cắt kim loại nhiệt được truyền nhanh chóng từ mặt rãnh cắt tới vùng lân cận, do đó cần phải có mức công suất cao hoặc vận tốc cắt thấp để duy trì năng lượng tại vùng cắt. Tuy nhiên, việc giảm vận tốc cắt gây ra sự không ổn định có thể dẫn đến các vùng nóng chảy bất thường, chất lượng cắt kém. Vì vậy đối với vật liệu có giá trị nhiệt dung riêng cao và có nhiệt độ nóng chảy lớn cần năng lượng lớn để thực hiện cắt [77]
a) Phương trình truyền nhiệt tổng quát [2]
Dựa vào định luật 1 của nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt trong không gian 3 chiều có dạng: 𝜌 𝜕 𝜕𝑡 ∫ 𝑐(𝑇)𝑑𝑇 𝑇 𝑇0 = 𝜕 ∂x[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂x] + 𝜕 ∂y[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂y] + 𝜕 ∂z[𝑘(𝑇) 𝜕𝑇 ∂z] + Q(x, y, z) (2.17)
ở đây: khối lượng riêng của vật liệu chi tiết;
c(T) nhiệt lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu;
k(T) hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ;
Q(x,y,z) sự tiêu thụ nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích vật rắn trong một đơn vị thời gian;
49
T = T(x,y,z,t) sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu phụ thuộc vào thời gian trong không gian 3 chiều;
T thời gian;
To nhiệt độ ban đầu;
x, y, z tọa độ Đề - các. Với mỗi ứng dụng cụ thể có thể thừa nhận k(T) và c(T) không thay đổi đột biến với nhiệt độ. Bởi vậy, thừa nhận nhiệt độ riêng và hệ số dẫn nhiệt là hằng số trong từng khoảng thời gian cụ thể, phương trình (2.17) có thể viết như sau:
𝜌𝑐𝜕𝑦 𝜕𝑥 = k∇
2𝑇 + 𝑄 (2.18)
b) Điều kiện biên của sự truyền nhiệt [2]
Thực nghiệm chỉ ra rằng có 3 dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Sự đối lưu và bức xạ chỉ xảy ra trên biên giới chi tiết.
Tổn thất nhiệt độ do đối lưu trên đơn vị diện tích bề mặt của chi tiết bởi các điều kiện dòng chảy ngoài là:
𝑞𝑐 = ℎ𝑐(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.19)
ở đây: qc thông lượng nhiệt đối lưu; hc hệ số truyền nhiệt đối lưu; T nhiệt độ chi tiết; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tamb nhiệt độ môi trường. ℎ𝑐 = 𝑁𝑢𝐾𝑘𝑘
𝐿 (2.20)
trong đó: Kkk - hệ số dẫn nhiệt của chi tiết xung quanh chi tiết Nu = 0,27𝑅𝑎0.25
Ra - hệ số Rayleigh, 𝑅𝑎 = 𝑔𝛽
𝑘𝛾𝐿3(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) L - Chiều dài đặc trưng của chi tiết, L = A/P A - diện tích của chi tiết, P: chu vi chi tiết Thông lượng nhiệt gây ra bởi bức xạ là:
𝑞𝑟 = 𝜀𝜎(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.21)
ở đây: độ phát xạ của vật liệu;
50
2.4 Đặc điểm chất lượng khi gia công bằng laser
Các đặc điểm chất lượng cắt của quá trình gia công bằng laser bao gồm các đặc điểm về hình dạng của rãnh cắt (chiều rộng rãnh cắt, độ lệch/độ côn rãnh cắt), đặc điểm về bề mặt cắt (độ nhám bề mặt, hình thái bề mặt, độ sóng (vân) bề mặt), đặc điểm về tính chất nhiệt, cấu trúc bề mặt (vùng ảnh hưởng nhiệt, độ kết tinh của vật liệu) và đặc tính cơ học của bề mặt sau quá trình cắt laser [82]. Trong giới hạn đề tài, luận án tiến hành nghiên cứu đặc điểm chất lượng của quá trình gia công laser: chiều rộng rãnh cắt và độ nhám bề mặt rãnh cắt cho trên các hình 2.9 & 2.10.
2.4.1 Chiều rộng rãnh cắt
Rãnh cắt được hình thành do tác động gia nhiệt của chùm laser đi ngang qua tập trung có mật độ công suất 104W/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 (hình 2.27 & 2.28). Chiều rộng rãnh cắt là khoảng cách giữa hai bề mặt cắt được ngăn cách nhau bởi một đường cắt laser. Có hai loại chiều rộng thu được trong quá trình gia công này, một là chiều rộng rãnh cắt mặt trên của phôi, loại kia là chiều rộng rãnh cắt phía dưới của phôi (nơi thoát vật liệu bị nóng chảy và bay hơi) (hình 2.29a).
Chiều rộng của rãnh cắt phía trên có xu hướng rộng hơn rãnh cắt ở phía dưới của phôi [69]. Chiều rộng rãnh cắt phụ thuộc vào đường kính của chùm tia laser, công