Đốt nóng vật không có hiện t − ợng chuyển dịch pha

1.7 Quá trình t − ơng tác giữa chùm tia laser v μ vật liệu gia công

1.7.4 Đốt nóng vật không có hiện t − ợng chuyển dịch pha

Sau khi tập trung bằng kính hội tụ, tia laser tác dụng lên vật liệu gia công theo một vết hình tròn có bán kính r = a (hoặc ω). Viết phương trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối giới hạn một phía và giải phương trình đó dựa trên các đ ềi u kiện biên của chế độ gia công.

Giả sử mật độ năng lượng c a chùm tia laser phân b ủ ố đều trên v t gia ế công thì sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu gia công ở vùng tác dụng là nghiệm của phương trình truyền nhiệt trên và có dạng:

󰇛, 󰇜 

 √ .  󰇡√ 󰇢  .  √√

Với: . 󰇛󰇜   √ . 󰇛󰇜

󰇛󰇜  1  󰇛󰇜

Và 󰇛󰇜 √   

 .

k- hệ ố s khuếch tán nhiệt của vật liệu gia công.

K- hệ ố ẫ s d n nhiệt của vậ ệu gia công. t li c- nhiệt dung riêng của vật liệu gia công.

ρ- khối lượng riêng c a v t li u gia công. ủ ậ ệ

Khi t →∞ ta có chế độ đốt nóng t nh tại được xác định theo phương trình: ĩ 󰇛󰇜  √  

Khi đó nhiệt độ tại tâm của v t gia công trên b m t là: ế ề ặ 󰇛0󰇜 .

Chiều dày lớp chịu ảnh hưởng nhiệt là Znp = 10a, a là bán kính vết hội tụ.

Nhiệt phân bố trên bề mặt khi chùm laser tác dụng vào là:

󰇛0, 󰇜   √√  .  √√

ở đ ây: 󰇛󰇜   󰇛󰇜

Chi gia công bằng laser xung với thời gian xung τ thì:

󰇛0, 󰇜 

Chiều sâu lớp ảnh hưởng nhiệt là: ∆  0,68√ , khi q=5.104-30.104 w/cm2. Tuỳ thuộc vào vật liệu gia công, đường kính D hoặc chiều rộng B và chi u ề sâu H của vùng chị ảu nh hưởng nhiệt, độ cứng s tăẽ ng d n khi t ng m t ầ ă ậ độ chùm tia q.

Tại vùng tác động của laser, bề mặ ật v t li u gia công hình thành 3 lớp từ ệ ngoài vào trong như sau:

- Lớp 1 là lớp vật liệu bị chảy lỏng - Lớp 2 là lớp vật liệu bị tôi th r n ở ể ắ

- Lớp 3 là lớp vật liệu bị nung nóng tới thấp hơn đường AC1

Dựa vào nghiệm của phương trình truyền nhiệ ởt giai đ ạo n hai, và tính chất của vật liệu gia công, ta có thể xác định được mật độ năng lượng chùm tia q(w/cm2) sao cho nhiệt độ trên v t li u gia công không đủ để phá hỏậ ệ ng nó, t c ứ là:

  󰇛0,0, 󰇜  

Với T(0,0,t) là nhiệt độ t i i m v t trên b m t gia công có r=0 và z=0. ạ đ ể ế ề ặ 1.7.5 Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha

Sự bốc h i c a v t li u ch y l ng lan vào trong v t li u v i v n t c ơ ủ ậ ệ ả ỏ ậ ệ ớ ậ ố vv, có hướng vuông góc với vật liệu chảy lỏng. Nhiệt độ của mặt chảy lỏng khác nhau tại từng vị trí. Bởi vậy tốc độ bốc h i và áp su t ph n h i trên m t ch y l ng ơ ấ ả ồ ặ ả ỏ bi n ế đổi theo bề mặt.

Xét một phân tố đơn vị của m t ch y l ng, t i hai phía đối di n c a ph n ặ ả ỏ ạ ệ ủ ầ t ử đơn vị, giá trị của áp suất pvào và pra là khác nhau, pvào > pra. Sự chênh áp này gây ra dòng chảy của kim loại có hướng. Sự tăng t c hay gi m t c c a dòng ố ả ố ủ kim loại phụ thuộc vào dòng kim loại lỏng phụ thuộc vào giá trị ủ c a pvào và pra, trong khi tiết diện ngang của khối phần tử hữu h n t i dòng ch y vào và ra là ạ ạ ả khác nhau, nên số lượng của v t li u dòng ch y l ng ậ ệ ả ỏ đến và i trong th tích đ ể tính toán nhìn chung là khác nhau. Chiều dày h củ ớa l p ch y l ng s gi m ho c ả ỏ ẽ ả ặ

tăng, dẫn đến sự dịch chuy n c a m t ch y l ng ể ủ ặ ả ỏ đến s dịự ch chuy n c a m t ể ủ ặ chảy lỏng với vận tốc vm có hướng vuông góc với mặt chảy lỏng (cũng như tương tự như vv). Thành phần hoá hơi của vận tốc chảy lỏng vv luôn hướng về phía chi tiết, trong khi đó thành phần của vậ ốc mặt chả ỏng do dòng chảy n t y l lỏng gây ra vm có thể hướng về phía chi ti t ho c ngược l i. K t qu ta có v n ế ặ ạ ế ả ậ tốc của mặt chảy lỏng vd, là tổng của 2 thành phần:

vd = vm+vv (1-9)

Giả sử là ch t l ng không nén được trong l p ch y l ng, v t li u chi ti t ấ ỏ ớ ả ỏ ậ ệ ế có các thuộc tính lý nhiệt độc lập với nhiệt độ, nguồn nhiệt bề mặt độc l p v i ậ ớ năng lượng laser, các phương trình về khối lượng, động lượng và năng lượng có thể được viết d i dướ ạng:

div v = 0 (1-10)

 󰇡 󰇢    ∆ (1-11)



    (1-12) Ở đ ây: , , ,  và k tương ứng là vận t c, t tr ng, nhi t lượng riêng, ố ỷ ọ ệ nhiệt độ và hệ số dẫn nhi t c a v t li u r n ho c l ng; ệ ủ ậ ệ ắ ặ ỏ μ là độ nh t c a ch t ớ ủ ấ lỏng và p là áp suất. Đ ềi u ki n biên t i biên gi i l ng – h i là: ệ ạ ớ ỏ ơ

󰇻

   󰇛1  󰇜 (1-13)



󰇻

là gradient nhiệt độ tạ ềi b mặt theo nhương pháp tuy n (tr c z vế ụ ), v là thành phần của vận tốc do bay hơi, R là hệ số ph n x của bước sóng laser, ả ạ Is là cường độ của chùm tia laser t i b mặạ ề t. Vì nhi t ệ độ bề mặt nh hơỏ n m t n a ộ ử nhiệt độ tới hạn, năng lượng bốc hơi cho mỗi nguyên tử U có th được giả định ể là không đổi. Thành phần của vậ ốc biên do bay hơi vn t v có thể bi u diể ễn như sau:

   󰇛

󰇜 (1-14)

Ở đ ây, V0 là hệ số xác định b c c a cường độ vậ ốậ ủ n t c âm thanh, U là n ng ă lượng bốc hơi của mỗi nguyên tử, T0 là nhiệt độ b m t. ề ặ

Đ ềi u ki n biên c a Stefan được áp d ng cho biên giớ ắ ỏệ ủ ụ i r n l ng (m t ch y ặ ả lỏng z = zm):

  

󰇻

 

󰇻

 (1-15)

Ở đ ây: Lm là nhiệ ẩt n chảy lỏng, vm là vận tốc mặt chảy lỏng, chỉ số s và l chỉ trạng thái rắn (solid) và lỏng (liquid). Đ ềi u kiện biên của Stefan th a nh n ừ ậ một sự chuyển trạng thái trong khoảnh khắc từ rắn sang l ng t i nhi t độỏ ạ ệ ch y ả lỏng Tm và không có sự tăng nhi t t i m t ch y l ng. V i quá trình khoan và ệ ạ ặ ả ỏ ớ hàn bằng laser, phép tính xấp xỉ là thích hợp cho s lan truy n vớ ậ ốự ề i v n t c th p ấ của mặt chảy lỏng, khi đó động lực học chảy lỏng có thể bỏ qua.

Thừa nhận lớp chảy lỏng là một lớp bao mỏng, nó cho phép xây dựng mô hình dòng chảy lỏng bằng cách dùng các phương trình 1 chiề ởu dạng b o toàn ả hay phương trình St.Vernant cho dòng chảy hở không nén được với trương h p ợ chảy lỏng và bốc hơi:

󰇛󰇜

 󰇛󰇜     (1-16)

󰇛󰇜

  󰇣󰇛 󰇜󰇤 󰇡󰇢  󰇛  󰇜 (1-17) Ở đ ây: r và tương ứz ng là hướng ti p tuy n và hướng pháp tuy n v i m t ế ế ế ớ ặ chảy lỏng, h là chiều dày của lớp chảy lỏng, vr là vận tốc chảy lỏng theo phương hướng kính được tính trung bình cho chiều dày lớp chảy lỏng và μ là độ nhớ ủt c a v t li u ch y lỏậ ệ ả ng. S h ng th 2 v ph i c a phương trình (1-17) ố ạ ứ ở ế ả ủ mô tả sự gi m t c/t ng t c b i kh i lượng thêm vào/m t i do nh hưởng k t ả ố ă ố ở ố ấ đ ả ế hợp của cả chảy lỏng và bốc hơi. Số hạng th 3 v ph i mô t nh hưởng c a ứ ở ế ả ả ả ủ độ nhớt.

Trong phương trình (1-16) số hạng th 2 v trái và số hạứ ở ế ng th nh t c a ứ ấ ủ vế phải tương ứng là các thành phần vận tốc do thoát chảy vm và bốc hơi vv. Bởi vậy, vận tốc của bề mặt chảy lỏng hay vận tốc cắt vd cho bởi:

   󰇛󰇜     (1-18) Áp dụng gi thuyết về lớả p biên m ng chô phép l y áp su t c t ngang qua ỏ ấ ấ ắ lớp chảy lỏng x p x vớấ ỉ i áp su t ph n h i do b c h i pấ ả ồ ố ơ r tác động lên mặt chảy lỏng. Do đó có thể mô tả mối quan h gi a áp su t ph n b c h i t i b mặ ớệ ữ ấ ả ố ơ ạ ề t v i nhiệt độ bề mặt Ts theo phương trình:

  / 󰇛

󰇜 (1-19)

Ở đ ây A là h sốệ ph thu c áp su t khí quy n, A = 0-0,54, Bụ ộ ấ ể 0 là hằng số bốc hơi.

Quan tâm đến sự dịch chuy n hướng kính c a v t li u chể ủ ậ ệ ảy lỏng với vận tốc trung bình vr (phương trình 1-16, 1-17) có hướng pháp tuyến với dịch

chuyển của mặt chảy lỏng với vận tốc vd cho bởi phương trình 1-14, 1-17, 1-18, ta có thể viết phương trình truyền nhiệt cho các pha rắn và lỏng dưới dạng sau:



     

󰇡 󰇢 (1-20)



  

 󰇡 󰇢 (1-21) Qua các phương trình 1-17, 1-18, 1-20, 1-21 và các đ ềi u kiện biên có thể xác định được mô hình tức thời của sự lan truyền lớp vật liệu lỏng.

Ch−ơng 2 ứng dụng laser trong công nghiệp

Nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng laser trong gia công v t li u có ậ ệ thể được giải thích bởi các ưu thế lớn nh : độ chính xác và hi u su t cao, kh ư ệ ấ ả năng linh hoạt cao, thích ứng cho tự động hoá, gia công không tiếp xúc, không cần gia công hoàn thiện, giảm giá thàng gia công, cải thiện chất lượng, tận dụng vật liệu tối đa và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ nhất. Hình 2.1 thể hiện sự phân loại tổng quát về các k thuật gia công vật liệu bằng laser. ỹ

Hình 2.1: Phân loại tổng quát các ứng dụng của Laser

Laser được lựa chọn như là biện pháp gia công thích hợp nhất trong các đ ềi u ki n sau: ệ

- Khi yêu cầu tập trung năng lượng cao (ánh sáng, nhiệt).

CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER

CÁC ỨNG DỤNG VỚI CÔNG SUẤT THẤP

CÁC ỨNG DỤNG VỚI CÔNG SUẤT CAO

CN thông tin

Thông tin Sợi quang Viễn thông Tính toán và lưu trữ số liệu

Các loại máy in, máy quét, lưu trữ dữ liệu

Đèn laser trình diễn Thiết bị nghe nhìn (audio, video…) Đo vận

tốc Chiều dài Kiểm tra Giao thoa kế…

Dẫn m c ụ tiêu Hợp nh t ấ nguyên tử Giám sát…

Phẫu thuật mắt, da, răng miệng Điều trị u, bướu

Tạo hình, g hép nối, tạo mẫu nhanh, gia công cơ khí, phun p hủ, xử lý bề mặt…

Quang học Tập trung quang hoá Kiểm soát ô nhiễm

Đo lường Sao chụp Giải trí Quân sự Hoá học Y học Nguồn nhiệt

- Khi không được phép tồn tại lực tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết gia công.

- Khi yêu cầu gia công kích thước hình học nhỏ.

- Khi các biện pháp gia công cơ thông thường không thực hiện được hoặc thực hiện khó khăn, hiệu quả thấp.

- Khi vật liệu là khó gia công.

Hình 2.2: Phân loạ ứi ng dụng Laser theo sự chuyển biến pha GIA CÔNG VẬT LIỆU BẰNG

BẰNG LASER

GIA CÔNG KHÔNG CÓ SỰ THAY ĐỔI PHA

GIA CÔNG CÓ SỰ THAY ĐỔI PHA VÀ TRẠNG THÁI

- Hợp kim hoá/Phủ bề mặt.

- Nóng chảy/Nóng chảy lại bề mặt.

- Vô định hình bề mặt.

- Tăng cứng/Sốc bề mặt

CN bề ặ m t

- Cắt.

- Khoan.

- Khắc dấu.

- Làm sạch Gia công

- Uốn/Kéo thẳng.

- Gia công.

- Biến màu/Làm lắng.

- Tạo mẫu nhanh.

Biến dạng

- Hàn.

- Trang trí - Hàn/Thiêu kết.

- Sửa chữa/Ph c ụ hồi

Ghép nối - Tăng cứng bề ặ m t.

- Uốn hay biến dạng.

- Nhiệt luyện chất bán dẫn.

- Sốc hay rèn bề ặ m t Rắn - Rắn

- Gia công (cắt, khoan..) - Phủ.

- Quang phổ laser.

- Làm sạch có sự trợ giúp của laser

Rắn – Hoá hơi

- Ghép nối (hàn, đốt nóng).

- Hợp kim hoá/Phủ ề ặ b m t.

- Tạo m u nhanh. ẫ - Phục hồi.

Rắn - Lỏng

Nói chung, ứng dụng của gia công vật liệu bằng laser có thể phân thành 2 nhóm chính: nhóm (a) gồm các ứng d ng yêu c u m c n ng lượng/công su t ụ ầ ứ ă ấ thấp và không gây ra sự biến đổi pha hay trạng thái; nhóm (b) gồm các ứng dụng yêu cầu mức năng lượng cao để gây ra sự biến đổi về pha.

Nhóm đầu tiên bao gồm: tôi, khắc vật liệu bán dẫn, lưu hoá polymer, vạch dấu/đánh dấu chất nền của mạch tích hợp,v.v…

Nhóm thứ hai bao gồm: cắt, hàn, nung chảy, xử lý nhiệt,v.v…

Hiệu suất và công suất trung bình của laser là không quan trọng đối với nhóm gia công không gây ra chuyển biến pha. Laser thích ứng cho nhóm ứng dụng bao gồm (mà không giới hạn) laser excimer (KrF, ArF), laser ion (Ar+, Kr+), laser hơi kim loại (đồng, vàng, Catmi, Selen), laser rắn (Nd-YAG, Nd- thuỷ tinh), laser bán dẫn (Gali Nhôm Asen,v.v…), và laser phân tử (CO2, CO…). Đối với nhóm thứ hai, công suất/hiệu suất laser và thời gian tác động là yếu tố mang tính quyết định đến quá trình biến đổi đơn hay đa pha trong thời gian cực ngắn. bởi yêu cầu năng lượng cao, đối với nhóm gia công này, laser CO2 và laser Nd-YAG thường được dùng trong thực tiễn.

Tự phân loại dựa vào sự chuyển biến pha hay không có biến đổi pha là rất trừu tượng và khó hình dung đối với người sử dụng. T quan i m ng d ng ừ đ ể ứ ụ đúng, gia công b ng laser được phân chia tổng quát thành 4 nhóm chính là: sự ằ tạo hình (gia công các sản phẩm khuôn chính xác hay các sản phẩm đã gia công lần cuối), liên kết (hàn), cắ ọt g t (khoan c t,…) và công ngh b m t. ắ ệ ề ặ

Hình 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng - th i gian ờ tương tác của laser với kim loại

III.Hoá hơi II. Chảy lỏng

I. Nung nãng

Phạm vi của các kỹ thuật gia công bằng laser khác nhau được coi là hàm của công suất và thời gian tác động, minh hoạ trong hình 2.3.

Tác quá trình gia công được chia thành 3 lớp chính, tương ứng: chỉ có gia nhiệt (không có ch y lỏng/bốc hơi); chảy lỏng (không có bốc hơi) và bốc hơi. ả Cường độ công suất laser và thời gian xung hay th i gian tác động ph i được ờ ả lựa chọn cho mỗi quá trình gia công sao cho vật liệu gia công sẽ được nung đến nhiệt độ và sự chuyển biến pha mong mu n. S bi n đổi v độ c ng, độ u n và ố ự ế ề ứ ố kiểm soát vùng từ tính dựa vào sự nung nóng bề mặt mà không có s ch y l ng ự ả ỏ bề mặt thì ph i yêu c u cường độả ầ công su t th p (vùng I). Ngược l i, s ch y ấ ấ ạ ự ả lỏng bề mặt, s tráng, s ph , s hàn và cắự ự ủ ự t có ch y l ng kim lo i s ph i yêu ả ỏ ạ ẽ ả cầu cường độ công suất cao (vùng II). Tương tự như vậy, s cắự t, s khoan và ự các cách gia công tương tự để bóc tách vật liệu dưới dạng bốc hơi sẽ cần s ự phân phối cường độ công suất cao trong khoảng thời gian xung cực ngắn (vùng III). Trong tính toán cho các quá trình gia công bằng laser, để thu n tiậ ện người ta hay dùng một đại lượng vô hướng là mật độ năng lượng (m t độậ công suất nhân với thời gian, J/mm2).

2.1 ứng dụng laser để cắt vật liệu 2.1.1 Giới thiệu chung

Trong công nghiệp, cắt vật liệu bằng tia laser là m t ộ ứng dụng chủ ế y u và được sử ụ d ng rộng rãi nh t. ấ

Cắt laser dựa trên hiệu ứng nhiệt của bức xạ laser và xảy ra khi nguồn nhiệt di chuyển liên tục hoặc có chu kỳ, được tạo thành vết có mật độ công suất cao tạo thành bởi các h quang ệ đặc biệt. Cơ chế cắt bằng laser có nhi u d ng ề ạ khác nhau: bốc bay vật liệu; nung chảy vật liệu kế ợp với khí thổi t h để ạ ỏ lo i b vật liệu, các phản ứng hoá học, phân huỷ cùng với việc tách các hợp chất dễ bốc bay. Các vật liệu giòn có thể được tách bằng phương pháp tách nhiệt hoặc scribing (vạch vết hoặc đục lỗ ọ d c theo mạch cắt say đó bẻ ẫ g y). Tuỳ thuộc vào đặc đ ểi m c a máy phát, có th th c hi n ch cắủ ể ự ệ ếđộ t laser liên t c ho c chu k . ụ ặ ỳ Thông thường sử ụ d ng laser liên tục để c t v t liắ ậ ệu.

Cắt vật liệu bằng laser liên tục kết hợp với khí thổi (khí trơ hoặc khí trung hoà: Ar, N2, CO2) sẽ nâng cao hiệu quả của quá trình c t do vi c thoát v t li u ắ ệ ậ ệ chảy lỏng (thoát chảy) dễ dàng. Ngoài tác dụng của dòng khí thổi là để đẩy vật

liệu ra khỏi vùng cắt, trong một số trường h p còn t o ra các ph n ng hoá h c ợ ạ ả ứ ọ ở các v trí tương tác c a b c x lên kim lo i, ví d nh dùng khí thổi là oxy ị ủ ứ ạ ạ ụ ư hoặc khí nén. Khí thổi có thể đồng trục hoặc vuông góc với chùm tia.

Khi cắt kim loại bằng laser kết hợp khí thổi, dòng oxy có chức năng sau:

- Làm tăng chiều dày lớp oxid bề mặt, nh ó gi m s ph n x chùm tia ờ đ ả ự ả ạ tớ ăi t ng kh n ng h p th b c x laser. ả ă ấ ụ ứ ạ

- Nhiệt sinh ra do các phản ứng cháy kết hợp với bức xạ laser thúc đẩy thêm quá trình phá huỷ kim loại.

- Dòng khí thổi liên tục mang vật liệu ra khỏi vùng gia công và cung cấp oxy cho quá trình cháy kế tiếp.

Hiệu quả của quá trình c t laser ph thu c nhiều vào khả ăắ ụ ộ n ngh p thụ của ấ vật liệu. Khi nung nóng kim loại trong môi trường oxy hoá, hệ số hấp thụ năng lượng tuyến tính do sự hình thành lớp oxid trên bề mặt kim lo i t i vùng gia ạ ạ công, vì thế năng lượng b c x ứ ạ được truy n d n t t h n vào vùng gia công, ề ẫ ố ơ hiệu quả của quá trình cắt được nâng cao.

2.1.2 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser

Với cắt kim loại bằng laser, người ta dùng phương pháp cắt bằng laser kết hợp với khí thổi. các thông số công nghệ chủ yếu là:

- Công suất của chùm laser (kW).

- Mật độ công suất của chùm laser (W/cm2).

- Tốc độ cắt (m/ph).

- Tính chất của vật liệu cần cắt (hệ số hấp th , h sốụ ệ ph n x , h số ả ạ ệ truyền nhiệt).

- Áp suất và thành phần khí thổi.

Ngoài ra:

- Khoảng cách từ vòi thổi khí đến bề mặt kim loại.

- Các thông số của hệ thống quang học.