6. Bố cục của luận án
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 suất laser, loại vật liệu và chiều dày phôi, loại khí và áp suất khí thổi hỗ trợ, khoảng cách đầu cắt và vận tốc cắt. Độ lệch (độ lệch dọc theo chiều dài cắt) và độ côn (góc giữa các bề mặt cắt) rãnh cắt đại diện cho độ chính xác hình học của rãnh (hình 2.29b) [82].
51
Hình 2.28. Chiều rộng rãnh cắt trên thép thường 15mm (P = 4kW, pk oxy = 0,1 MPa, v = 1 mm/ph, tiêu cự h = 254 mm
a) tiêu cự f = -12 mm; b) tiêu cự f = -4mm [72]
Hình 2.29. Minh họa thuộc tính chất lượng cắt bằng laser [82]
Chiều rộng rãnh cắt đại diện cho lượng vật liệu được lấy ra trong quá trình cắt về cơ bản là vật liệu bị lãng phí, do đó chiều rộng rãnh cắt nhỏ luôn được mong muốn, đặc biệt là khi các chi tiết nhỏ được cắt. Chiều rộng rãnh cắt tương ứng với kích thước của tia laser được xác định bởi chất lượng chùm tia, hệ thống quang cụ. Công suất cắt, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt, áp suất khí hỗ trợ có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của rãnh cắt. Khối lượng vật liệu bị loại bỏ trong quá trình cắt như trên hình 2.30. Sự kết hợp đồng thời của các thông số công nghệ sẽ tạo ra được rãnh cắt có chiều rộng hẹp và đồng nhất.
Khi nghiên cứu cắt vật liệu bằng Laser CO2 Uslan [48] cho thấy chiều rộng rãnh cắt giảm khi giảm công suất laser và tăng vận tốc cắt, còn Steen [2] giải thích rằng về tổng thể chiều rộng rãnh cắt trên và dưới sẽ giảm khi vận tốc cắt tăng, chiều rộng rãnh cắt trên sẽ nhỏ hơn chiều rộng rãnh cắt dưới ở dải vận tốc cắt thấp (hình 2.31).
52
Hình 2.30. Khối lượng vật liệu bị loại bỏ trong quá trình cắt [2]
Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt [2]
A. Kar và cộng sự [83] đã giới thiệu phương pháp phân tích tham số gộp để xây dựng công thức tính chiều rộng của rãnh cắt. Sự cân bằng năng lượng tồn tại giữa năng lượng của laser được hấp thụ trên một đơn vị độ sâu, năng lượng truyền nhiệt đối lưu sang cacsc vùng lân cận, sự thay đổi pha…Cân bằng năng lượng này có thể được xây dựng bằng cách sử dụng luật tỷ lệ dựa trên phương pháp phân tích gộp các thông số được đơn giản hóa và được biểu diễn như sau:
𝑃 𝑑 =
𝑣𝑤𝑘 + 𝐴3√𝑣𝑤𝑘
𝐴𝑜 (2.22)
53 𝐴𝑜 = 𝐴 𝑎𝑜 𝑣à 𝐴3= 𝑙 𝑎𝑜 𝑤𝑘 + 2𝑤𝑘(𝑇𝑚− 𝑇0) 2√𝛼𝜔𝑤𝑘 (2.23) 𝑎𝑜 = 𝜌(𝐶𝑝(𝑇𝑚− 𝑇0) + 𝐿𝑚+ 𝛽𝐿𝑏) (2.24) Trong đó:
P – Công suất laser (W) Tm – Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (0C)
d – đường kính chùm tia (mm) T0 – Nhiệt độ phòng (0C)
wk – Chiều rộng rãnh cắt (mm) Lm , Lb- Nhiệt lượng nóng chảy và hóa hơi (J/kg)
l – Chiều dài của rãnh cắt (mm) - Khối lượng riêng (kg/m3)
v – vận tốc cắt (mm/ph) Cp – Nhiệt dung riêng vật liệu (J/(kg.K)
- Hệ số dẫn nhiệt - Hệ số bay hơi trên bề mặt vật liệu
- Kích thước cổ chùm (chùm eo) của tia laser (mm)
A – Hệ số hấp thụ của vật liệu nền
A0 – Tốc độ truyền năng lượng tới bề mặt vật liệu
A3 – Lượng nhiệt mất mát ở trạng thái rắn của vật liệu nền
Áp dụng phương pháp chia tỷ lệ cho quá trình cắt laser, chiều rộng rãnh cắt do kích thước chùm eo của tia laser có thể được viết như sau [83]:
𝑤𝑘 =1 𝑣 [ 2,51√𝜔𝛼𝑘(𝑇(2𝐴𝜂𝑢) 𝑚− 𝑇0)𝑃√𝑣 1 + 3,08𝑥107( 𝐴0 𝐴3√𝑓) ( 𝜌𝜌𝑔𝜎2𝛼 𝑀𝑤𝑃𝑔𝑓√𝜔) 𝑃√𝑣] (2.25) trong đó:
- đường kính phân tử (đo bằng Ao – đơn vị Angstrom); Mw– Khối lượng phân tử (g/mol) của khí hỗ trợ; Pg và g là áp suất và khối lượng riêng của khí hỗ trợ;
u – Hệ số quá nhiệt trong vùng nóng chảy.