Công suất chùm tia điện tử truyền đi là:
Wch = LUg, w
trong đó ỉ là cuờng độ dịng điện của chùm tia điện tử, A.
Vậy động năng của một điện tử trong điện truờng là:
w - mV2
wd = = cu
trong đó: M - khối luợng của một điện tử, m = 9, Ix 10 29 g
V - vận tốc chuyển động của điện tử
e - điện tích của một điện tử, e = l,6x 10 19 c u - hiệu điện thế của môi truờng điện tử đi qua, V.
Trong sụ va đập của chùm tia điện tử vào bề mặt chi tiết gia cơng, nếu coi nhu tồn bộ động năng đó chuyển thành nhiệt năng, năng suất của năng luợng sẽ là:
Wf=I.Ug, w
trong đó: I - cuờng độ dòng điện của tia điện tử, (A): I = n.e/t.
n- số điện tử trong chùm tia điện tử; t - thời gian.
Nhung trong thục tế 0,14-0,3% động năng sẽ biến thành tia Rơnghen. Do đó cơng suất để biến thành tia Rơnghen là:
WR = a.Z.I. u2 , kw
trong đó: a - hằng số tỷ lệ
z - số thứ tụ của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêlêép.
Khi điện tử va đập vào bề mặt chi tiết gia cơng sẽ tạo ra một áp suấtpỏ.
Po =3,43x10 4.—pL
trong đó sn là diện tích tiết diện ngang của chùm tia điện tử trên mặt phang chi tiết
gia công đo bằng cm2.
ơ = 2,16 X10-17 • —mm p
trong đó: Ug- điện thế gia tốc chạy qua electron, V
p - trọng lượng riêng của vật liệu gia cơng, glcm\
Hình 4.8 Sự chuyển động của electron dưới lớp bề mặt
Năng lượng của electron:
E = 4MÁU2 - uĩde.Up
2 8
trong đó: Me = 9,109* 10 31£g (tính chất của electron)
uo - tốc độ ban đầu u - tốc độ sau cùng.
4.3.4 Mật độ năng lượng chùm tia
Mật độ năng lượng nhiệt cần thiết của chùm tia gia công để thực hiên các ngun cơng khác nhau có thể tính theo công thức:
TJT 3,74 X Ầ X T h
wm=---- 7, 1
dcxlg ỳ-
_O_
trong đó: Wm - mật độ năng lượng tạo nên sự chảy lỏng trong vùng có đường kính ds
Tch - nhiệt độ nóng chảy của kim loại, °C
Khoảng cách tác dụng của tia điện tử được xác định theo cơng thức:
5 = 2,1x10~\Ug/d, pm
trong đó: 5 - khoảng cách tác dụng của tia điện tử lên vật liệu gia công, pm
Ug - điện áp làm gia tốc điện tử, V d -tỷ trọng, kg/dm3.
Trong quá trình tia điện tử xâm nhập vào vật liệu, sự sản sinh nhiệt không đồng đều trên toàn bộ khoảng cách tác dụng mà khoảng cách sâu hơn sẽ sinh nhiệt nhiều hơn.
Mơ hình dưới đây (H.4.9) dùng để phân tích sự cân bằng năng lượng, yếu tố quyết định hiệu suất gia cơng.
Hình 4.9 Sơ đồ cân bằng năng lượng trên diêm gia công
Gọi:
Qỵ: năng lượng làm cho bề mặt chi tiết gia cơng nóng lên đến nhiệt độ nóng chảy Qi. nhiệt lượng làm nóng chảy vật liệu
Qg. nhiệt lượng làm bốc hơi vật liệu
ộ4: nhiệt tổn hao do bức xạ
Qp. nhiệt tổn hao do truyền dẫn ra môi trường.
Như vậy, nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi vật liệu là: Qỵ + Q2 + Qì. Lượng
Từ phương trình cân bằng nhiệt có thể nói, nếu bảo đảm trong thời gian ngắn nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bốc hơi thì có thể nâng cao hiệu suất của q trình
gia cơng.
4.3.6 Độ chính xác gia cơng
Hướng và cường độ của tia điện tử có thể điều khiển được, vì vậy có thể đảm bảo gia cơng chính xác.
Có thể phay những rãnh rộng lƠ4-20pm, cách nhau lƠ4-20pm, có cạnh góc thẳng và hồn tồn song song với nhau. Có thể kiểm tra độ chính xác bằng kính hiển vi.
Độ sâu phay có thể điều khiển được bằng cách điều chỉnh năng lượng và cường
độ của tia điện tử.
Có thể khoan lỗ với độ chính xác cao. Ví dụ, khoan một lỗ trên một tấm dày
1,25/77/77 đường kính lên đến 125p/77 với độ cơn 2-4° Nhưng cần lưu ý, khi khoan lỗ sâu
(L!d = 24-20) thì ở đoạn giữa bị thắt lại. Độ ơ van ở lỗ có đường kính 104-30pm, từ
1/1000 của pm đến 1/100 của pm. Độ ô van này khơng đáng kể so với đường kính của
lỗ. Đường kính lỗ lớn hơn đường kính của tia điện tử. Lỗ hơi bị bo tròn một chút tại điểm vào của chùm tia, đầu kia thì sắc cạnh và khơng có bavia. Be mặt gia cơng được
trơn bóng khi khoan cũng như phay. Thời gian gia công vô cùng ngắn, vì vậy bề dày của lóp bề mặt bị biến dạng do tác dụng của nhiệt cũng rất nhỏ. Trong vật liệu cũng không phát sinh ứng suất dư nào lớn có tác dụng xấu đến lóp bề mặt gia cơng.
Dung sai điển hình là khoảng 10% đường kính của lỗ hoặc rãnh. Độ bóng bề mặt cao hơn và bề rộng khe hở gia công nhỏ hơn so với các phương pháp cắt bằng nhiệt khác.
- Việc cung cấp năng lượng liên tục chỉ kéo dài trong thời gian ngắn.
- Phối họp khoảng cách tác dụng của tia điện tử với điện áp làm gia tốc điện tử. - Bảo đảm điều khiển và dẫn tia điện tử theo yêu cầu gia công.
4.4.1 Ưu điểm
- Có thể gia cơng bất kỳ vật liệu nào. - Mật độ cơng suất lớn.
- Gia cơng chính xác do khả năng tự hãm của điện tử trong một lóp mỏng vật liệu.
- Có thể điều chỉnh tức thời cường độ dịng điện và vị trí của tia điện tử. - Bảo đảm sạch bề mặt hóa học nhờ gia công trong buồng chân không.
- Không ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu vì vùng ảnh hưởng nhiệt cực kỳ bé, ở
điểm cách nơi gia cơng khoảng 0,0254-0,ữ5mm vẫn giữ ở nhiệt độ phịng.
- Năng suất cao. Có thể khoan được 2.000 lỗ/1 giây trên tấm kim loại mỏng. - Có thể tạo được những lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết ở nhiều góc độ khác
nhau.
4.4.2 Nhược điểm
- Chỉ có thể gia cơng trong buồng chân khơng, kích thước chi tiết gia công hạn chế.
- Giá thành tương đối cao.
- Có thể gây nguy hiểm do tia phóng xạ Rơnghen.
4.4.3 Phạm vi ứng dụng
Bằng tia điện tử, nói chung người ta có thể gia cơng các vật liệu có cấu trúc như
thép, vonfram, platin, tantal, môlipden, silic, germani, grafit, kim cương, aluminium, oxit nhôm, sứ, thủy tinh, thạch anh, do đó phạm vi sử dụng rất rộng rãi và đa dạng trong lĩnh vực cơ khí chính xác, hàng khơng và trong những lĩnh vực khác.
giữa đường kính và bề sâu là 1:10 4- 1:20. Có thể gia cơng các lỗ đường kính đến
0,05mm với tỷ số chiều sâu trên đường kính lỗ lớn lên đến 200:1.
Các mối hàn sâu và hẹp có thể được hàn trong một hành trình đon như hàn giáp
mối một mối hàn thép cacbon rộng 3mm, sâu 150/77/77 với tốc độ hàn ỉ20mm/ph. Vì năng lượng tập trung tại một vùng hẹp nên chi tiết không bị co rút, méo. Hàn trong chân không nên mối hàn đạt độ tinh khiết cao nhất, khơng rỗ khí, mối hàn khơng bị
oxy hóa.
Những kim loại rất khác nhau có thể được hàn lại với nhau hoặc với những hợp
kim khác, vỉ dụ đồng với nhôm hoặc đơn giản là thép với thép. Khơng có vấn đề gì khi nối những tấm lá kim loại mỏng với mặt bích, hộp điện tử nhạy với nhiệt hay những kim loại hoạt tính như Ti, Zr, Ta, và cũng khơng có vấn đề gì với nhơm đúc áp lực
hoặc họp kim magiê.
Ngồi kim loại, PPGC tia điện tử cịn có thể gia cơng có hiệu quả trên những vật liệu dẫn điện kém, kính, gốm... Trong q trình gia cơng, sự giãn nở nhiệt rất lớn,
do đó để tránh rạn nứt nên nung nóng chi tiết trước khi gia cơng.
Câu hỏi ơn tập:
1) Trình bày ngun lý gia cơng bằng tia điện tử.
2) Hãy trình bày các thiết bị cơ bản trong gia công bằng tia điện tử. 3) Nêu các thông số công nghệ khi gia cơng bằng tia điện tử.
4) Trình bày các ứng dụng của gia cơng bằng tia điện tử.
Chưong 5
GIA CƠNG BẰNG TIA LASER
Mục tiêu:
Sau khi học xong chưong này học sinh có khả năng:
- Trình bày được ngun lý gia cơng kim loại bang laser.
- Trình bày được các thông số làm việc khi gia công bang bang laser. - Xác định được ứng dụng của quá trình gia công bằng bằng tia laser
5.1. Nguyên lý gia cơng
Gia cơng bằng chùm tia laser là q trình gia cơng nhiệt, trong đó năng lượng của
chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó
nóng chảy và bốc hơi đi. Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình...
Nguyên lý làm việc của máy phát laser dùng thanh hồng ngọc làm chất kích thích sự phát xạ photon cưỡng bức được trình bày trong hình 5.108.
2
1- Thanh hồng ngọc (mơi trường hoạt tính); 2- Nguồn ánh sáng kích thích
3- Buồng cộng hưởng; 4- Gương phản xạ toàn phần; 5- Gương phản xạ bán phần
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser
Hồng ngọc tổng họp được chế tạo từ oxit nhơm nóng chảy cộng thêm từ
trang thái bền giả cho đến khi chúng bị cưỡng bức trở về trạng thái cơ sở ban đầu nhờ tác động của photon.
Chiều dài sóng photon bức xạ khi nguyên tử chuyển từ trạng thái bền giả sang trạng thái cơ sở đúng bằng chiều dài của sóng ánh sáng, nhờ đó sự chuyển trạng thái
này có thể thực hiện được nhờ đèn phát xung. Trong chùm Kích thích
tia laser, chỉ cần một nguyên tử chuyển trạng thái từ bền
giả sang trạng thái cơ sở và phát xạ photon cũng đủ kích •—y, thích để cho các ngun tử bền giả khác chuyển trạng thái. 3 Bền giả
Tồn bộ q trình phát laser diễn ra trong hai giai " đoạn như được mơ tả trong hình 5.2 Ba đường ngang trong / "
, w , 1Ẵ ' Cơsở / Photon
hình biêu diên ba mức năng lượng của vật chât, các mũi tên -------- --------------
biểu diễn khả năng chuyển đổi của chúng. Hình 5.2
Neu tác động lên các ngun tử kích thích một năng lượng ánh sáng lượng tử có
tần số bằng tần số chuyển trạng thái, thì ngun tử đó lập tức chuyển trạng thái và phát ra ánh sáng. Như vậy, trạng thái bền giả của nguyên tử là yếu tố quyết định đối với việc phát laser. Quá trình kích thích ngun tử crơm trong hồng ngọc được thực hiện nhờ ống phóng ánh sáng. Đồng thời cũng nhờ sự chóp sáng của ống phóng nối với nguồn cung cấp làm cho nguyên tử kích thích trở về trạng thái dừng cơ sở và phát ra photon, sự trở về này có tính lan truyền vì vậy trong thanh hồng ngọc xuất hiện luồng
ánh sáng photon có cùng tan so. Neu luồng ánh sáng này được phát xạ nhiều lần qua
các gương phản xạ đặt ở hai đầu thanh hồng ngọc thì sẽ nhận được tia laser. Đó là luồng ánh sáng đơn sắc có cùng tần số, cùng chiều và cùng pha.
photon tác động lên, các nguyên tử kích thích chuyển trạng thái sang mức năng luợng thấp hơn và phát ra năng luợng duới dạng dao động điện từ (photon) trong dải phổ
thấy đuợc. Một phần năng luợng phát ra từ nguyên tử bị tản ra xung quanh qua thành
của tia hồng ngọc (H.5.110b), phần khác định huớng duới dạng các photon song song
với trục dọc của thanh hồng ngọc (H.5.110,d). Dọc theo đuờng chuyển động chúng gây ra phản ứng dây chuyền và tạo ra các photon mỗi khi tác động với các nguyên tử kích thích trong thanh hồng ngọc. Luồng ánh sáng năng luợng sinh ra đuợc phản xạ
nhiều lần nhờ các guơng phản xạ đặt ở hai đầu thanh hồng ngọc và phát triển nhanh chóng trở thành luồng ánh sáng công suất cao thốt ra ngồi ở vị trí guơng phản xạ có độ dày nhỏ hơn. Neu trên đuờng đi của luồng ánh sáng, ta đặt một số thấu kính thì
tồn bộ năng luợng này có thể đuợc tập trung trên một diện tích nhỏ. Neu đặt vật cần
gia cơng tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên đến 8.000°C trong ỉms.
Bán kính nhỏ nhất của diện tích tập trung ánh sáng theo lý thuyết thì đúng bằng chiều
dài sóng Ả với điều kiện đuờng kính của ống kính này phải là:
D = 2,26.F, (F là tiêu cụ)
5.2 Thiết bị và dụng cụ
5.2.1 Phân loại máy phát laser
Có the chia laser thành ba loại chính sau: laser ran, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng.
5.2.1.1 Laser ran
Trong laser rắn thì mơi truờng hoạt tính là chất rắn. Khối luợng cơ bản của chất
rắn khơng tham gia trục tiếp vào q trình tạo ra sụ phát xạ cuỡng bức. Sụ phát xạ này
là do sụ có mặt của một luợng nhỏ các ngun tử tích cục có trong chất đó, chiếm tỷ lệ từ 0,014-10%. Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, vonfram đất kiềm, molipden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-
Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 54-7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau như trong thông tin liên lạc, vơ tuyến truyền hình, trong cơng nghiệp, y tế,
qn sự...
5.2.1.2 Laser bán dẫn:
Mơi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại p (gecmani,
silic, axenit gali,...). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào
khác, về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên,
trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán
dẫn cũng cịn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được
cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser ran
(hiệu suat 5+7°/o), laser bán dẫn tru việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại
laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác
được.
Ngoài ra, laser bán dẫn cịn có đặc điểm là dễ điều khiển, có thể biến đổi công suất bức xạ theo một quy luật cho trước một cách dễ dàng. Khi dòng điện đi qua một mơi trường hoạt tính bán dẫn bị biến thiên, thì cơng suất ra cũng sẽ biến thiên đúng như vậy. Đặc tính này làm cho laser bán dẫn có một tầm quan trọng đặc biệt, nhất là trong lĩnh vực truyền thơng tin và
vơ tuyến truyền hình.
1- Điện cực; 2- Be mặt tiếp xúc; 3- Bn dẫn loại p
4- Tiếp giáp n-p; 5- Bán dẫn loại n; 6- Lóp
3
Hình 5.5 Laser khí
cỏ lớp tiếp giáp p-n 4 với độ dày khoảng o,lmm. Lóp phát xạ 6 dày từ 14-2mm do sự
thẩm thấu của các điện tử và các lỗ trống qua tiếp giáp p-n bên trong tinh thể gây ra.
5.2.1.3 Laser khí
Ưu diêm của loại laser khí ỉà công suất lớn, tỉnh đơn sắc và khá năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải buớc sóng của loại