3.5 Đối t − ợng nghiên cứu khi gia công bằng laser
4.3.2 Thí nghiệm khảo sát ảnh h − ởng đơn của một số thông số công nghệ
đến chất l−ợng mạch cắt.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến các chỉ tiêu của quá trình cắt nh− độ rộng mạch cắt, độ côn mạch cắt,…đ ợc thực hiện với − các thí nghiệm đ−ợc thiết kế theo bảng 4.3 tại mục 4.2.2.2. Các kết qủa đ−ợc
đo đ−ợc thể hiện ở phụ lục 1.
4.3.2.1 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt vμ công suất cắt
Quan hệ giữa tốc độ cắt vμ công suất cắt lμ mối quan hệ tuyến tính bậc nhất qua kết quả thí nghiệm đ−ợc thể hiện ở hình 4.8 (thép CT3 ở chiều dầy 2mm, 2,5mm).
Điều nμy lμ phù hợp với các công bố [1,2]. Có thể giải thích mối quan hệ nμy nh− sau:
Công suất của nguồn bức xạ laser đ−ợc coi nh− một nguồn nhiệt tập trung còn vận tốc cắt chính lμ tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt đó trên bề mặt phôi.
Mối quan hệ giữa vận tốc cắt (v) vμ toμn bộ năng l−ợng nhiệt (bao gồm công suất bức xạ vμ nhiệt l−ợng bổ xung do các phản ứng oxy hóa) có thể đ−ợc xác
định gần đúng theo biểu thức xác định hiệu suất của quá trình [1]:
P = η.w.t.v
Hình 4.8: Đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa P vμ v
y = 0.006x - 1.0321 R2= 0.9692
y = 0.0055x - 1.1607 R2= 0.9785 0
1 2 3 4 5 6
300 400 500 600 700 800 900 1000
v (m/ph)
t=2mm t=2.5mm P(W)
Trong đó:
- P : Công suất dòng.
- w : §é réng khe trung b×nh.
- t : Độ dμy của tấm vật liệu.
- v : Tốc độ cắt. (m/s) - η : Hiệu suất
Nh− vậy, đối với một vật liệu có chiều dμy t cố định, mạch cắt w có thể giữ
được cố định nếu khi tăng P thì v cũng phải tăng theo tương ứng vμ ngược lại.
Điều nμy cho thấy tác động của nguồn nhiệt lên chất lượng mạch cắt lμ tương tự với tác động của tốc độ cắt, thậm chí tốc độ cắt còn có tác dụng mạnh hơn đến
độ nhám bề mặt gia công vì hiện t−ợng tạo striation [N.Rja].
Nh− vây, trong tr−ờng hợp sử dụng hết công suất của thiết bị 1000W, ta có thể sử dụng vùng tốc độ lớn từ 2m/phút ữ4m/phút (theo kết quả khảo nghiệm biên công nghệ tại điểm 4.3.1) để có đ−ợc chất l−ợng vết cắt tốt.
4.3.2.2 ảnh h−ởng của tốc độ cắt đến chiều dμy vật liệu cắt
Thí nghiệm xem xét ảnh huởng của tốc độ cắt (v) đến chiều dμy vật liệu cắt (t). Kết quả về mối quan hệ giữa v-t đ−ợc thể hiện ở hình 4.9.
Từ thí nghiệm gia công tại P1000W vμ P750W có đ−ợc đồ thị xấp xỉ với ph−ơng trình hệ số mũ (theo ph−ơng pháp bình ph−ơng nhỏ nhất) thể rút ra kết luận đó lμ mối quan hệ v =at−b với a vμ b l hai hằng số d ơng. Điều n y tuơng μ − μ hợp với những báo cáo [1, 2] rằng tại một công suất cho trước, để dảm bảo chất l−ợng gia công thì tăng tốc độ cắt khi chiều dμy giảm vμ ng−ợc lại.
Hình 4.9: ảnh h−ởng của vận tốc cắt đến chiều dμy gia công
y = 4.826x-0.54 R²= 0.928 y = 3.802x-0.58
R²= 0.910 0
1 2 3 4 5 6 7 8
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
t (mm)
v(m/ph)
P=1000w P=750w
4.3.2.3 ảnh h−ởng của công suất cắt đến độ rộng vết cắt
Công suất của nguồn laser đại diện cho mật độ năng l−ợng của chùm tia laser, lμ yếu tố quyết định đến khả năng gia công vμ chất l−ợng gia công. ảnh hưởng của công suất laser đến độ rộng mạch cắt được thể hiện ở hình 4.10 khi thực hiện thí nghiệm theo bảng 4.3.
Trong gia công bằng chùm tia laser đối với mỗi một loại vật liệu khác nhau thì tồn tại một giá trị đ−ợc gọi l hμ μng số vật liệu (hằng số n y phụ thuộc μ vμo tính chất lý hóa của vật liệu, ở mục 3.3.3 trình bμy cách tính hằng số vật liệu) theo mục 3.3.3 ta có đ−ợc mối quan hệ giữa hằng số vật liệu, tốc độ cắt vμ chiều sâu cắt theo ph−ơng trình:
tv
P = K (hằng số vật liệu). Nh− vậy, trong gia công một loại vật liệu có cùng chiều dầy để đ−ợc chất l−ợng bề mặt lμ tốt nhất thì P vμ v phải cùng biến đổi sao cho hằng số vật liệu không thay đổi. Hình 4.11 chỉ ra hai mẫu thí nghiệm khi gia công thép CT3, t=2mm; v=2,8m/p P=970W vμ P = 650W.
Hình 4.10: Mối quan hệ giữa công suất cắt P vμ độ rộng vết cắt w a) Độ rộng mạch cắt của thép CT3, t =1,5mm
b) Độ rộng mạch cắt của thép CT3, t = 2mm
150 170 190 210 230 250 270
400 500 600 700 800 900 1000
w(μm)
P(W) ThÐp CT3; V=3m/p; D=0,8mm; Z=2mm; Pkt=3bar
t=0,5mm t=0,8mm t=1mm
a
b
Quan sát mẫu ta nhận thấy khi giá trị P, v lμ hợp lý thì chất l ợng bề mặt − của chi tiết lμ nhẵn, khe hở hẹp vμ đều(mẫu a), mẫu còn lại (mẫu b) còn thấy vết cắt tòn tại bavia, mạch cắt không đều.
4.3.2.4 ảnh h−ởng của tốc độ cắt đến độ rộng vết cắt
Tiến hμnh các thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh h−ởng của vận tốc cắt lên dộ rộng vết cắt theo bảng 4.3. Hình 4.12 lμ đồ thị miêu tả ảnh hưởng của tốc độ cắt lên độ rộng mạch cắt trong miền cắt đ−ợc tại công suất P = 1000W, cho hai loại thép CT3 vμ thép INOX SU304, dμy 1.5mm. Có thể nhận thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng theo mối quan hệ w=avưb trong đó w lμ độ rộng mạch cắt, lv μ tốc độ cắt, a vμ b lμ hằng số phụ thuộc vμo các tham số công nghệ tham gia gia công khác.
Kết quả nghiên cứu nμy tương đồng với báo cáo của [9]. Có thể giải thích mối quan hệ nμy nh− sau :
Hình 4.12: Đồ thị ảnh h−ởng của vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt y = 282.6x-0.23
R²= 0.977 y = 271.0x-0.25
R²= 0.969 150
200 250 300 350
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
w (μm)
v(m/ph) P=970w; z=2mm; D=0,8mm; Pkt=3bar
ThÐp CT3 ThÐp SUS304
a) P = 970W b) P = 650W
Hình 4.11: Mẫu thí nghiệm khi cắt ở các mức công suất khác nhau
Tốc độ cắt chính lμ tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt tập trung trên bề mặt của phôi. Tại một công suất cố định của nguồn bức xạ, nếu vận tốc cao hơn, thời gian lưu lại của nguồn nhiệt trên bề mặt vật liệu, tạo lan truyền nhiệt sang cạnh đ−ờng di chuyển ít, nên sẽ tạo nên vết cắt cũng nh− vùng HAZ nhở hơn. Kích thước mạch cắt chỉ giảm trong vùng tốc độ tăng thích ứng, nơi kim loại nhận đủ năng lượng để nóng chảy. Đó lμ “đỉnh của đường Gauss”-vgh. Nếu tốt độ tăng quá cao (vc > vgh) sẽ xảy ra hiện t−ợng cắt không đứt, khi đó l−ợng kim loại nóng chảy không có đ−ờng thoát có thể có hiện t−ợng trμo ng−ợc lên bề mặt của phôi, phá hỏng vết cắt (hình 4.13).
Bằng một loạt các thí nghiệm kiểm tra (bảng 4.4) đánh giá sự ảnh hưởng của vận tốc cắt lên độ rộng mạch cắt với các vật liệu vμ chiều dầy khác nhau. Ta có thể kết luận một cách chắc chắn rằng vận tốc cắt tác động tỷ lệ nghịch với
độ rộng mạch cắt.
Bảng 4.4: Thí nghiệm kiểm tra ảnh h−ởng của vận tốc cắt đến độ rộng mạch cắt
STT Thông số công nghệ
Vật liệu thép C45 Vật liệu thép SUS304 1(mm) 1,5(mm) 2(mm) 1(mm) 1,5(mm) 2(mm)
1 P (W) 1000 1000
2 Pkt (Bar) 3,5 3,5
3 D (mm) 0,8 0,8
4 h (mm) 2,5 2,5
5 v (m/ph) 2 2,5 3 2 2,5 3
Hình 4.14 cho ta thấy sự biến thiên của độ rộng mạch cắt khi thay đổi tốc
độ cắt.
Hình 4.13: Thí nghiệm khi cắt ở tốc độ cắt cao
4.3.2.5 ảnh h−ởng của áp suất khí thổi đến độ rộng vết cắt.
Tiến hμnh các thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh h−ởng của áp suất khí thổi lên dộ rộng vết cắt theo bảng 4.3. Hình 4.15 mô tả mối sự ảnh h−ởng của áp suất
khí thổi đến chiều sâu cắt vμ độ rộng của vết cắt với khí thổi (O2) khi gia công thép CT3 vμ INOX-SUS304 chiều dμy t = 2mm. Với cả hai loạt thí nghiệm ta
đều thấy qui luật ảnh hưởng có dạng một hμm đa thức, quan sát trên đồ thị (hình 4.16) ta nhận thấy ban đầu Pkt vμ w tỉ lệ thuận sau khi tới một giá trị tới hạn khi tiếp tăng Pkt ta nhận thấy w có chiều giảm nhẹ, nh− vậy có thể kết luận rằng: Mối quan hệ nμy lμ mối quan hệ có điểm cực trị, t−ơng tự nh− báo cáo của [10]. Ban đầu khi tăng dần áp suất khí, dưới tác động của lực dòng khí phun vμo vùng gia công, một phần khí sẽ bổ xung cho phản ứng đốt cháy, phần còn lại thực hiện đ−a phoi ra khỏi vùng gia công. ở giai đoạn nμy l−ợng phoi đuợc thổi tăng khi tăng áp. Khi áp suất khí tăng đạt đến một giới hạn Pgh nμo đó, tại đó
280 290 300 310 320 330 340
1.5 2 2.5 3 3.5
1mm 1,5mm 2mm
280 290 300 310 320 330
1.5 2 2.5 3 3.5
1mm 1,5mm 2mm
Hình 4.14: Đồ thị ảnh h−ởng của vận tốc v tới độ rộng w
a) Cắt thép C45 b) Cắt INOX-SUS 304
400μm 400μm
Hình 4.15: ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia công a)MÉu thÐp CT3
b) MÉu thÐp INOX -SUS304
a b
dòng khí đã đảm bảo đủ lưu lượng khí cho phản ứng đốt cháy vμ đưa phoi ra khỏi vùng gia công nếu tiếp tục tăng áp suất khí thì sẽ chỉ gây ra sự lãng phí.
Mặt khác, tại điểm Pth áp lực khí đã đạt đ−ợc ng−ỡng nhảy về độ nén nên nếu tiếp tục tăng áp sẽ lμm giảm tốc độ vμ năng l−ợng động học của dòng khí, hiện t−ợng nμy sẽ giảm l−ợng phoi đ−ợc đẩy ra.
Một trong những ảnh hưởng nữa của áp suất khí đến độ rộng mạch cắt l μ tạo nên hiện tượng hội tụ sớm vμ tán xạ dòng Laser bởi trường mật độ khí DGF (Density gradient field) lμm thay đổi vị trí thực của điểm hội tụ (hình 4.17):
- Hiện t−ợng hội tụ sớm: Hiện t ợng n y l m dịch chuyển mặt phẳng hội tụ − μ μ lên trên bề mặt phôi, lμm thay đổi đường kính hội tụ (Dr) tại bề mặt phôi,
ảnh hưởng đến độ rộng khe cắt vμ tốc độ lμm nóng chảy bề mặt phôi (hình 4.17a,c).
Hình 4.17: ảnh h−ởng sự giao thoa của tr−ờng DGF Hình 4.16: Mối quan hệ của áp suất khí vμ độ rộng mạch cắt
a) Độ nhám vμ độ rộng mạch cắt khi cắt thép CT3 b) Độ nhám vμ độ rộng mạch cắt khi cắt thép SUS-3
y = -0.095x2+ 6.761x + 184.9 R²= 0.964
y = -2.047x2+ 15.73x + 185.7 R²= 0.968
180 185 190 195 200 205 210 215 220
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
w(μm)
Pkt(bar) P=970W; D=0,8mm; Z=2mm; v=3m/p
ThÐp CT3 ThÐp SUS304
a
b
- Hiện t−ợng tán xạ dòng laser: Hiện t ợng n y cũng l m tăng đ ờng kính − μ μ − dòng hội tụ trên bề mặt phôi (Ds), ảnh hưởng đến độ rộng khe cắt (hình 4.17b).
4.3.2.6 ảnh h−ởng của khoảng cách đầu cắt đến độ rộng vết cắt
Khoảng cách đầu cắt đuợc định nghĩa lμ khoảng cách từ đỉnh của đầu cắt
đến bề mặt của chi tiết gia công. ảnh hưởng của khoảng cách đầu cắt đến độ rộng vết cắt thực chất lμ ảnh h−ởng của vị trí điểm hội tụ tia laser (khi gia công,
điểm tập trung năng l−ợng chính lμ
điểm hội tụ của tia laser, vị trí nμy
đ−ợc tính toán sao cho điểm hội tụ lí thuyết nằm trên bề mặt gia công, đó lμ lí do mμ trong suốt quá trong quá
trình gia công đầu cắt cần phải đ−ợc giữ cách bề mặt phôi một khoảng cách cố định). Ngoμi ra khoảng cách
đầu cắt còn ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc khí động học của dòng khí cắt (hình 4.18) vμ gián tiếp vμo dịch chuyển vị trí hội tụ của chùm laser.
Hình 4.19: ảnh h−ởng của khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt khi gia công vật liệu SU304
Kết quả về ảnh hưởng của khoảng đầu phun đến độ rộng mạch cắt được thể hiện ở hình 4.19. Tại Z=2mm, chiều rộng mạch cắt lμ nhỏ nhất. Theo tính
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
w (mm)
Z (mm) t = 1,2mm t = 2mm
toán lí thuyết, với Z=2,5mm vị trí của tiêu cự nằm trên bề mặt gia công còn Z=2mm, vị trí tiêu cự nằm d−ới bề mặt gia công. Do hiệu ứng DGF vị trí tiêu cự bị dịch chuyển nên có thể cho rằng trong tr−ờng hợp Z = 2mm vị trí tiêu cự thực lμ trên bề mặt.
Việc chọn lựa khoảng cách tối −u từ những lí do: Nếu khoảng cách đầu cắt lμ quá nhỏ, trong quá trình cắt phản lực của dòng khí cắt có áp có thể tác động ng−ợc lên thấu kính gây h− hỏng, hoặc có thể có thê gây ra hiện t−ợng kẹt vμ va chạm giữa đầu cắt vμ các xỉ thép. Nếu khoảng cách lμ quá xa sẽ gây ra tổn thất áp. Trong các nghiên cứu đã đ−ợc công bố [11], [12] các tác giả kết luận khoảng cách đầu cắt đ−ợc sử dụng hiệu quả trong khoảng (0,89ữ3mm) vμ thí nghiệm trên khoảng cách đầu phun bằng 2mm lμ tối −u.
4.3.2.7 ảnh h−ởng của đ−ờng kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt
ảnh hưởng của đ ờng kính đầu cắt lên vận tốc v độ rộng vết cắt (hình ư μ 4.21) Trong khoảng đ−ờng kính vμ áp suất cho thấy đ−ờng kính của đầu cắt tỷ lệ thuận với độ rộng của vết cắt.
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
w (mm)
d (mm) P = 10bar P=8bar
Hình 4.21: ảnh h−ởng của đ−ờng kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt a) h=1mm b) h=2mm c) h=3mm
Hình 4.20: ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt khi gia công ở các khoảng cách đầu phun khác nhau
a b c
Hình 4.22: Sự phân bố áp suất theo đ−ờng kính
đầu cắt Có thể nhận xét lμ đối 3 loại đường kính đầu phun thí nghiệm (φ0,8; φ1,2 v μ φ2mm) thì chất l−ợng các vết cắt với φ0,8 lμ đẹp nhất vμ có độ rộng mạch cũng nh− độ côn nhỏ nhất khi gia công với tất cả các mức áp trong khi các vết cắt với đầu φ 2 xấu, đa số có ba via mặt dưới, đặc biệt lμ đối với trường hợp gia công với áp khí thổi thấp (áp =1bar). Điều nμy có thể giải thích rằng, theo nguyên lý về khí động học [1] , luồng khí cắt có áp đi qua đầu cắt có qui luật phân bố dạng Gauss (hình 4.22). Hình dạng phân bố nμy phụ thuộc v o đ ờng μ − kính D của đầu cắt vμ áp suất khí cấp. Luồng khí áp thổi có tác dụng bảo vệ thấu kính, hổ trợ phản ứng đốt cháy vμ thổi kim loại ra khỏi vùng gia công.
Việc lựa chọn đ−ờng kính đầu cắt sẽ phụ thuộc vμo vật liệu gia công, áp suất khí thổi, chiều dầy phôi. Với
mỗi giá trị áp suất, vật liệu, chiều dầy xác định ta cần lựa chọn một đ−ờng kính thích hợp.
Trong tr−ờng hợp thí nghiệm theo bảng 4.3 với đầu cắt φ 2mm tại khoảng cách đầu phun Z=2,5mm đã có sự tụt áp. Sự tụt
áp nμy ảnh hưởng không đáng kể khi gia công với áp 4 bar, nh−ng đặc biệt rõ rệt khi gia
công với áp thấp 1 bar, khi ấy áp suất đã không còn đủ để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng gia công, để lại nhiều bavia đọng tại mặt dưới của rãnh gia công.