Khoan bằng tia laser

Một phần của tài liệu Các phương pháp gia công đặc biệt (Trang 81)

4.4 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng

5.3.2.1 Khoan bằng tia laser

Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và chiều sâu lỗ tương đối sâu trên kim loại,

ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không gỉ, vonfram, tantali, bery và urani, họp kim các vật liệu phi kim loại... So sánh

với khoan tia lửa điện và khoan cơ khí thơng thường thì khoan tia lửa điện chỉ khoan

được vật liệu dẫn điện, phương pháp khoan cơ khí truyền thống bị hạn chế bởi mòn và

gãy dao. Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị cơn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế.

Có thể khoan được các lỗ nhỏ có đường kính 0,1254-1,25/77/77 với tỷ số chiều sâu trên đường kính lên đến 100, các lỗ nhỏ đến 5p/77 với tỷ số chiều sâu trên đường kính lên đến 50. Khi khoan các lỗ có đường kính từ 75p/77 trở lên thì chiều sâu lớn nhất lên

đến 15/77/77. Các lỗ khơng thơng khó có thể đạt được chiều sâu chính xác.

Lỗ được khoan bằng tia laser thường bị côn và độ trịn thấp. Thường các lỗ có đường kính lớn 1,25/77/77 ít được khoan bang laser vì mật độ năng lượng giảm, vì thế

cắt bằng tia laser được sử dụng rộng rãi hơn khoan.

Độ bóng bề mặt gia cơng thường đạt cấp 04-9. Độ cứng tế vi lóp bề mặt tương đối cao nhưng chiều sâu lóp cứng nguội tương đối nhỏ. Khi gia công thép độ cứng tế vi

đạt 600M/77/772 và chiều sâu lóp cứng nguội 30p/77.

5.3.2.2 Cat bang laser

Tia ỉaser đến T-I Ị.. , , .

Năng lượng của tia laser được hấp thụ bởi mặt phẳng của kim loại được gia công và năng lượng này sẽ được chuyển vào vùng cắt dưới dạng nhiệt, năng lượng này sẽ

gia tăng nhiệt độ tới điểm nóng chảy và bay hơi. Một dịng khí có áp suất cao được

thổi vào vùng cắt để thổi kim loại nóng chảy và hơi kim loại ra khỏi vùng nóng chảy. Di chuyển tia laser dạng liên tục hay dạng xung dọc theo một quỹ đạo ta sẽ nhận được một vết cắt. Be rộng của vết cắt, chất lượng của cạnh cắt, các phụ phẩm (như xỉ) tập

trung phụ thuộc vào sự lựa chọn tia, chất lượng tia, năng lượng phân bố và kiểu di chuyển gia công (tia di chuyển, phôi di chuyển, hay kết họp sự di chuyển của cả hai).

Một điều dễ thấy là độ sâu cắt tỷ lệ thuận với năng lượng cắt và tỷ lệ nghịch với tốc độ cắt. Như vậy năng lượng cắt gấp đôi sẽ tạo ra chiều sâu cắt gấp đôi. Do vậy bề dày cắt

lớn nhất là hàm của năng lượng cắt, tốc độ cắt và yêu cầu của chất lượng cắt. Hiện nay

bề dày 25mm được xem là bề dày lớn nhất của các loại thép họp kim mà người ta có

thể cắt được. Khoảng bề dày cắt có hiệu quả kinh tế cao nhất lên tới 12,5/77/77 các kim loại phản xạ ánh sáng laser với phần trăm gia tăng tương ứng khi bước sóng của tia tăng với mật độ năng lượng cao được tạo bởi các tia laser co2 năng lượng cao sẽ khắc phục được những ảnh hưởng của phản xạ này. Các tia laser bước sóng ngắn hơn như Nd:YAG sẽ không phải chịu những ảnh hưởng này do bước sóng ngắn nên phần lớn năng lượng của chúng bị hấp thụ.

Dịng khí nén thổi vào thường là oxy. Nhờ dịng khí này mà hệ số phản xạ của bề

mặt kim loại giảm xuống. Hơn nữa, khi bề mặt đạt đến trạng thái nhiệt độ cao, oxy

sinh ra phản ứng tỏa nhiệt, thúc đẩy quá trình cắt. Khí nén thổi phần kim loại đã bốc

hơi và ngay cả plasma ra khỏi khu vực cắt gọt, tạo điều kiện cho quá trình cắt xảy ra dễ dàng, bề mặt vết cắt sạch. Đe cho quá trình cắt gọt đạt hiệu quả cao thì dịng khí

Khi cắt bằng laser, một thông số quan trọng là bề rộng vết cắt thông thường bằng hoặc lớn hon tia laser một chút, nên việc điều khiển tia laser rất quan trọng. Be rộng

đường cắt là hàm số của các yếu tố như chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí đến khơng gian và tốc độ cắt. Be rộng vết cắt điển hình là 0,2/77/77 trong khi cắt

bằng oxy-axêtylen là 3mm.

Khi cắt với laser co2 liên tục có thể tạo ra các giá trị độ nhám trên bề mặt vết cắt từ 84-15pm đối với thép cán nguội có bề dày ỉ,6mm và từ 3Ơ4-50pm với thép lá. Với

việc dùng oxy để hỗ trợ cắt, độ nhám khi cắt thép không gỉ thường là 3Ơ4-50pm. 5.3.2.3 Hàn bằng tỉa laser

Khi hàn bằng tia laser khơng có vật liệu tiếp xúc với chi tiết hàn nên mối hàn không bị bẩn. Phương pháp hàn này hàn vật liệu trong môi trường không khí, trong khi

hàn bằng tia điện tử phải thực hiện trong môi trường chân không. Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn bằng tia laser rất nhỏ. Đây là đặc tính rất quan trọng khi hàn những chỗ gần các yếu tố nhạy về nhiệt.

Hàn bằng tia laser được áp dụng phổ biến trong công nghệ chế tạo vi mạch. Nhờ phương pháp này có thể nối các đầu nối với tấm mạch in. Hàn bằng tia laser còn được

áp dụng trong cơng nghệ làm kín vỏ trong các mạch tích họp. Phương pháp này cũng có thể nối các kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại.

Sự chuyển năng lượng laser được chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải

trải qua một sự thay đổi pha từ rắn sang lỏng và khi năng lượng đó khơng cịn nữa,

kim loại trở về trạng thái rắn. Quá trình hàn chảy kim loại này được dùng để tạo ra mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục. Có hai kiểu hàn laser: hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên

sâu.

- Hàn dẫn nhiệt: Dựa trên đặc tính khuếch tán nhiệt của kim loại để dẫn nhiệt vào

trong vùng mối hàn. Bằng cách tập trung nhiệt trong đường kính tia hội tụ và điều

cỏ cấu trúc khác với kim loại nền. Các giới hạn hàn xuyên sâu lớn nhất là vào khoảng

25/77/77 với công nghệ laser hiện nay.

Tia laser

Kiểu dẫn nhiệt Kiểu xuyên sâu

Hình 5.12 Các kiểu hàn laser

Chiều sâu ngấu khi hàn bằng tia laser khá nhỏ vì nó phụ thc vào tốc độ truyền nhiệt từ năng luợng trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên, đối với hàn laser năng luợng cao

thì chùm tia tạo một lỗ trên vật liệu và năng luợng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt đuợc chiều sâu ngấu lớn hơn.

5.4. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng5.4.1 ưu điểm 5.4.1 ưu điểm

- Không cần dùng buồng chân khơng.

- Khơng có vấn đề tích điện trong mơi truờng. - Khơng có phóng xạ Rơnghen.

- Có khả năng làm việc trong mơi truờng khơng khí, khí trơ, chân khơng, hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.

- Có thể gia cơng tất cả vật liệu.

- Khơng có sụ tác dụng lục trục tiếp giữa dụng cụ và phôi.

- Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh

- Khó điều chỉnh công suất ra.

- Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử.

- Đuờng kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào buớc sóng ánh sáng. - Có kỹ thuật cao, đầu tu lớn.

- Giá thành cao.

- Cần phải xác định chính xác điểm gia cơng.

- Sụ phá hủy về nhiệt có ảnh huởng tới phơi.

5.4.3 Phạm vi sử dụng

- Trong công nghiệp, laser đuợc sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay...

các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phi kim.

- Cắt các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo trên vật liệu kim loại và phi kim.

- Gia công các chi tiết cục nhỏ.

- Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thuớc rất nhỏ các loại vật liệu nhu: kim cuơng, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phuơng pháp khác khó gia

cơng.

- Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ.

- Cân bằng động lục cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ

chính xác cao, khơng bị lệch tâm. Đối với chi tiết có chuyển động quay, việc

cân bằng đuợc thục hiện bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết.

- Laser còn đuợc dùng để kiểm tra chất luợng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh

khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.

- Tạo các lóp cách nhiệt bằng cách cắt lóp trong kỹ nghệ hàng khơng, vi tính.

- Gia cơng các vật liệu mỏng, đặc biệt trong các mạch tích hợp (IC). Làm vi mạch điện tử.

Ngồi ra, laser cịn thâm nhập vào cuộc sống của chúng ta qua các băng từ, máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khác nữa.

Hình 5.13 là hình dáng bên ngồi của một máy gia công bằng tia laser NC năm

trục dùng để hàn, cắt những chi tiết lớn, đặc biệt là kim loại tấm.

Hình 5.13 Máy gia cơng laser NC năm trục

Chưong 6 (tham khảo) GIA CÔNG BẰNG PLASMA

6.1 Khái niệm về Plasma

Plasma là một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được tìm ra vào năm 1923. Trong trạng thái này, các khí sẽ trở nên dẫn điện do kết quả của sự ion hoá

của các nguyên tử khí. Do đó, nó được biểu thị tương ứng với trạng thái thứ tư của vật

chất. Đe đưa đến trạng thái ion hóa của các khí, cần phải có một nguồn năng lượng, thích họp nhất là nhiệt độ của hồ quang điện.

Thơng thường, sự ion hố các phần tử và nguyên tử khí xảy ra khi chúng va

chạm với các điện tử, nguyên tử hoặc photon. Trong trường họp này, năng lượng được

chuyển tới các phần tử ion hóa vượt qua giá trị ngưỡng tối thiểu và gọi là thế ion hóa. Q trình ion hóa có thể phân cấp theo mức độ va chạm các nguyên tử và điện tử

với các nguyên tử. Neu chất khí được đốt nóng tới nhiệt độ cao thì tất cả các q trình ion hóa xảy ra đồng thời trong khí. Các chất ion hố dẫn điện như vậy gọi là plasma.

Khi hồ quang cháy tự do, vùng plasma trong cột hồ quang rất bé, nhiệt độ trong bình cột hồ quang là 5.000-6.000°C tùy thuộc vào thành phần chất khí. Neu khả năng

hoạt động tự do của hồ quang bị hạn chế, nhiệt độ cột hồ quang có thể lên tới 15.000-

20.000°C. Sự thắt cột hồ quang tạo nên plasma cực mạnh và chuyển thành hồ quang

Nhiệt độ của plasma phụ thuộc vào khí đưa vào vùng trạng thái plasma. Mơi

trường khí trong plasmatron phải thực hiện các chức năng sau: - Bảo vệ khỏi tương tác hóa học và làm nguội điện cực.

- Biến đổi điện năng thành nhiệt năng.

- Tạo tia plasma ổn định với tốc độ và nhiệt độ yêu cầu. - Đảm bảo các tính chất cần thiết của sản phẩm.

- Phải đơn giản và kinh tế.

- Điều kiện thao tác an toàn.

Hiện nay người ta sử dụng các loại khí sau để tạo plasma:

- Nỉtơ: đạt được nhiệt độ 7.500°K, tính dẫn điện và dẫn nhiệt trong điều kiện nhiệt độ

cao tốt, thuận lợi cho việc duy trì hồ quang.

- Hydrơ: đạt được nhiệt độ 7.500°K, tính dẫn nhiệt tốt hơn so với một số khí khác. Khí

hydrơ tương đối rẻ nhưng trong mơi trường nhiệt độ cao nó thường có tác động phá hủy điện cực, vì vậy nó thường được sử dụng kết họp với argon.

- Argon: Đạt được nhiệt độ 15.000°K, có tính dẫn điện tốt, nhưng loại này đắt tiền,

thường được sử dụng trong trường họp cần tới vai trị trơ hóa học của nó.

- Hêlỉ: Đạt được nhiệt độ 20.000°K, có tính chất về điện tốt hơn so với argon nhưng

giá thành cao nên ít dùng.

Các khí bảo vệ dùng để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng của không khí tự do

trong q trình gia cơng và làm nguội. Tùy thuộc vào vật liệu gia công mà chọn các

khí bảo vệ khác nhau. Các khí được sử dụng là argon, heli, nitơ, cacbonic và các hỗn

họp của chúng như argon-hydrơ, argon-heli, argon-cácbonic, nitơ-hydrơ...

Ngồi sự tăng nhiệt độ dọc theo trục khi cột hồ quang bị thắt còn xuất hiện sự

dịch chuyển tự do của vết hoạt tính trên mặt chi tiết tạo nên dịng nhiệt tập trung lưu trong chi tiết. Không giống hồ quang tự do có dạng hình cơn có tiết diện trải rộng phía

a) Hồ quang trực tiếp; b) Hồ quang gián tiếp; c) Hồ quang kết hợp

Trong plasmatron hồ quang trực tiếp, chi tiết là anot và chụp trung tính, làm

nhiệm vụ ổn định và thắt cột hồ quang. Trong plasmatron hồ quang gián tiếp, chụp

tạo plasma là anot, chi tiết trung tính. Trong plasmatron hồ quang kết hợp có 2 anot riêng và 1 catot chung (điện cục). Các anot đó là chi tiết và chụp tạo plasma.

Hồ quang có thể bị thắt tới một giới hạn nhất định. Ở giá trị nhất định của cuờng độ và đuờng kính chụp tạo plasma, hồ quang kép sẽ xuất hiện. Nó lần luợt cháy giữa điện

cục và chụp tạo plasma và giữa chụp tạo plasma và chi tiết.

Sụ xuất hiện của hồ quang kép có thể giải thích nhu sau: khi dịng điện tăng và đuờng kính chụp tạo plasma giảm thì điện áp trong cột hồ quang tăng. Song lóp khí gần thành

chụp tạo plasma giảm dần và tăng tính dẫn điện của khí và tạo điều kiện cho dịng điện chính ngắt. Hồ quang kép là hiện tuợng có hại bởi nó phá hoại sụ tạo thành mối hàn và làm hỏng chụp tạo plasma. Đe ngăn ngừa sụ tạo hồ quang kép cần chọn đúng đuờng

kính khe trong chụp tạo plasma và luợng khí tiêu thụ đi qua nó.

Gia cơng bằng tia plasma là công nghệ dùng hồ quang plasma sinh ra giữa catot và anot để tiện hàn hoặc cắt kim loại.

- Sau đó dịng plasma được dịch chuyển theo đường dẫn đã được vạch sẵn để cắt vật liệu.

Sơ đồ nguyên lý của cắt bằng tia plasma được trình bày ở hình 6.3

a) b)

1- Tia plasma; 2- Vịi phun; 3- Catot; 4- Chi tiết gia công; 5- Nguồn điện

Hình 6.3 Nguyên lý cat bằng tỉa plasma

Cắt bằng hồ quang tia plasma không phụ thuộc vào phản ứng hóa học giữa khí

và vật liệu gia cơng bởi vì nhiệt độ trạng thái plasma khá cao. Sự gia cơng có thể sử dụng cho hầu hết các kim loại, kể cả những vật liệu mà không thể cắt bằng axetylen. Dịng hồ quang có đầy trong plasma nhiệt độ thấp, dưới tác động của hiệu điện thế từ nguồn điện, các hạt tích điện trong dịng hồ quang sẽ di chuyển về phía các electron

với vận tốc lớn hơn, và từ electron sẽ di chuyển về cực dương; cịn các proton sẽ di chuyển về phía cực âm. Do đó mỗi chuyển động của các hạt phóng điện tích sẽ di chuyển đến các điện cực thích họp. Đồng thời trong hồ quang xuất hiện dòng điện (hồ quang dẫn đường cho dòng điện xuất hiện) cùng q trình tạo các hạt điện tích (sự ion hóa) thì trong dịng plasma sẽ khơng ngừng diễn ra q trình các nguyên tử

kết hợp với nhau trong phân tử, đây là trường hợp để dòng hồ quang tồn tại trong

nhiệt độ cao.

Gia công hồ quang plasma phải dùng PCSP (bản cực âm) với tia hồ quang đập vào giữa bề mặt bản cực bang tungsten đặt giữa hồ quang và chi tiết gia công. Tia hồ

Hồ quang có tần số cao xun qua khí trơ cịn các khí khác bị ion hóa, cả dịng khí ion hóa và hồ quang đuợc đua đến miệng của vịi. Vịi có miệng tuơng đối nhỏ, thu

Một phần của tài liệu Các phương pháp gia công đặc biệt (Trang 81)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(96 trang)