1.7 Quá trình t − ơng tác giữa chùm tia laser v μ vật liệu gia công
2.1.3 Các ph − ơng pháp cắt vật liệu bằng laser
Với phương pháp này, trước hết chùm laser nung nóng b mặề t đến i m đ ể sôi (poilling point) và tạo ra một lỗ cơ sở. L này t o s tăỗ ạ ự ng đột ng t trong ộ
việc hấp thụ năng lượng b i các ph n x ph c, vì th sâu xu ng r t nhanh. Khi ở ả ạ ứ ế ố ấ lỗ tăng chi u sâu, h i v t li u sinh ra thoát kh i l ho c mạề ơ ậ ệ ỏ ỗ ặ ch c t và làm n ắ ổ định tường củ ỗ ạa l /m ch. Phương pháp c t này th ng ắ ườ được sử dụng c t v i ắ ớ laser xung hoặc cắt những vật liệu không có giai đ ạo n nóng chảy như gỗ, da, giấy, than và một số ậ v t liệu nhựa.
Phương pháp cắt bốc hơi cho chất lượng mạch cắt rất tốt nhưng yêu cầu cường độ laser cao và chất lượng tia tốt.
Khi cắt bốc hơi, tốc độ tia laser thâm nhập vào vật liệu có thể ước lượng từ tính toán dung tích nhiệt gộp với giả thiết luồng nhiệt là một chiều và tất cả nhiệt này được sử ụ d ng trong quá trình bốc hơi - tức sự ẫ d n nhiệt là 0. Đ ềi u này xảy ra chỉ khi tốc độ xuyên thấm bằng hoặc nhanh hơn tốc độ dẫn nhiệt.
Vậy khối lượng bóc tách vật liệu/giây trên đơn vị diện tích = tốc độ thâm nhập (V/ms):
(m/s) (2-1) Trong đó:
F0: là mật độ công suất hấp thụ được (W/s) ρ: là mật độ v t liệu rắn (kg/cmậ 3)
L: ẩn nhi t c a s nóng ch y và b c h i (J/kg) ệ ủ ự ả ố ơ Cp: công suất nhiệt của chất rắn (J/kgoC)
Tv: nhiệt độ bay hơi (oC)
T0: nhiệt độ ban đầu của vật liệu (oC)
Nếu thay các giá trị vào phương trình (2-1) ta có thể có xấp xỉ tốc độ xuyên thấm max khả ĩ d cho các lo i v t li u khác nhau. ạ ậ ệ
Đối với dòng nhi t m t chi u v i n ng lượng đầu vào không đổi, nhi t độ ệ ộ ề ớ ă ệ bề mặt tại một thời gian t sau khi bắt đầu b t xạ được cho bởi: ắ
0, 2/ / (2-2) Với: α=K/ρCp , là hệ ố s khuếch tán nhiệt
K, là hệ ố ẫ s d n nhi t ệ
Từ công thức (2-1) và (2-2) ta có thể tính được nhiệt độ đ ểm nhiệt trên bề i mặt và tốc độ thâm nhập vào vật liệu của năng lượng laser cho trước đối với một loại vật liệu cho trước.
2.1.3.2 Cắt nóng chảy – thổi khí
Trường hợp này, năng lượng chùm tia laser làm nóng chảy vật liệu và vật liệu nóng chảy được thổi khỏi vùng gia công nhờ luồng khí thổ đồng trục, do i vậy không cần thiết phải tăng năng lượng để tăng nhiệt độ của vật cắt đến đ ểm i sôi. Phương pháp này yêu cầu năng lượng không cao bằng cắt bay hơi (khoảng bằng 1/10). Nhờ được sử dụng khí tr th i nên n u cùng cường ơ ổ ế độ laser, phương pháp có tốc độ cắt cao hơn, mép cắt không bị ôxy hoá.
Khi cắ đt ã tạo được một l thỗ ủng trên vật liệu, vết cắt sẽ bắt đầu t thành ừ lỗ, với sự trợ giúp của luồng khí thổi bay vật liệu nóng chảy ra khỏi mạch cắt.
Quá trình này có thể được mô hình hoá xấp x bằỉ ng vi c cho rằệ ng t t c nh ng ấ ả ữ năng lượng được sử dụng cho nóng ch y và b c tách v t li u trước khi x y ra ả ố ậ ệ ả truyền nhiệt đáng kể.
Ta có công thức suất nhiệt gộp trên cơ sở cân b ng nhi t trên v t li u được ằ ệ ậ ệ bốc tách tương tự với phương trình (2-1) như sau:
Δ (2-3) Trong đó:
P: công suất dòng laser (W) w: độ rộng trung bình (mm) t: chiều dày cắt (mm) v: tốc độ c t (m/giây) ắ
m’: phần chất nóng chảy bốc hơi (kg) Lf: nhiệt lượng nóng chảy (J/kg) Lv: nhiệt lượng hoá hơi (J/kg.K) T: độ biến thiên nhiệt độ η: hiệu su t ấ
ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
Phương trình (2-3) có thể viết lại như sau:
Δ (vật liệu) (2-4) Nhóm [P/tv] trong (2-4) là năng lượng cắt trên đơn v di n tích, là h ng s ị ệ ằ ố đối với m t v t li u cụ ể ứộ ậ ệ th ng v i chùm laser cho trước. ớ
2.1.3.3 Cắt bốc cháy
Cắt bốc cháy là trường hợp đặc biệt của phương pháp cắt nóng chảy - b c ố h iơ . Phương pháp này sử dụng O2 hoặc hỗn hợp khí oxy để làm khí hỗ trợ cắt.
Trong gia công, O2 đóng vai trò là khí đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi vị trí gia công, mặt khác nó tác dụng với v t liậ ệu nóng chảy để tạo ph n ng cháy, ả ứ thường phía trên bề mặt khi nhi t độ đạt đến nhi t độ bốệ ệ c cháy. ây là phương Đ pháp cắt có năng lượng laser yêu cầu thấp nhất so với các phương pháp khác nhờ năng lượng b xung c a b c cháy Oổ ủ ố 2. Tuy nhiên vết cắt có thể bị oxy hoá và khả ă n ng cắt bị ạ h n chế đối với một s loố ại vậ ệu. t li