4.4 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng
5.3.1.1 Năng lượng và thời gian xung
Q trình gia cơng bằng tia laser có thể tách làm hai pha:
- Ánh sáng laser bóc đi lóp bề mặt có khả năng phản chiếu lớn.
- Sau đó vật liệu có màu tối hơn hấp thụ năng lượng của chùm tia laser.
Trong giai đoạn sau quá trình phát sáng tăng lên rất nhanh và nhiệt độ tỏa ra mọi hướng từ lỗ khoan. Từ đó có thể thấy rằng đường kính của các lỗ sẽ lớn hơn
đường kính của tia laser. Sự khác biệt càng
lớn nếu thời gian chiếu một xung càng dài. Tuỳ thuộc vào tốc độ cung cấp năng lượng mà quá trình đun nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi có thể diễn ra hay khơng. Q trình điều chỉnh này, thơng thường được diễn ra bằng cách thay đổi thời gian xung của tia laser (H.5.10).
1- Bốc hơi; 2- Nóng chảy; 3- Nung nóng
Hình 5.10 Quan hệ giữa năng lượng và
dài sóng cũng ảnh hưởng đến độ phân giải và độ hội tụ tối đa. Chiều dài sóng càng
ngắn thì độ phân giải càng cao và đặc tính hội tụ càng tốt
5.3.2 . Khả năng công nghệ
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 mịn 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 côn, 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 cơn 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 công 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 cơng 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 khơng 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 q 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 thơng 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 không 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 mơi trường khơng 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 cịn 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
- Khơng 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 cơng 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 u 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 ngun 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.
Thông thường, sự ion hố các phần tử và ngun 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. Quá trình ion hóa có thể phân cấp theo mức độ va chạm các nguyên tử và điện tử
với các ngun 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 tồn.
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
hydrô tương đối rẻ nhưng trong môi 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 trò 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 khơng khí tự do
trong q trình gia công và làm nguội. Tùy thuộc vào vật liệu gia cơng 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. Khơng 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 công 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- Vòi phun; 3- Catot; 4- Chi tiết gia cơng; 5- Nguồn điện
Hình 6.3 Ngun 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