Các phương pháp gia công đặc biệt phương pháp gia công bằng chùm tia laser (laser beam machining)

⮚ Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung.⮚ Năng lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có đường kính khoảng 0,01 mm và phát ra tr

Môn học: KỸ THUẬT CHẾ TẠO 3

Các phương pháp gia công đặc biệt

Phương pháp gia công bằng chùm tia laser

(Laser Beam Machining)

Thành viên

Bước sóng của tia laser

⮚Ánh sáng tím (Violet): 380nm – 440 nm

⮚Ánh sáng chàm (Indigo): 430 – 460 nm

⮚Ánh sáng lam (Blue): 450 – 510 nm

⮚Ánh sáng lục (Green): 500 – 575 nm

⮚Ánh sáng vàng (Yellow): 570 –600 nm

⮚Ánh sáng cam (Orange): 590 –650 nm

⮚Ánh sáng đỏ (Red): 640 –760 nm

⮚ Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung.

⮚ Năng lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ

trong một chùm tia có đường kính khoảng 0,01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công, nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu

2 Nguyên lí gia công chùm tia laser

⮚ Gia công chùm tia laser là quá trình gia công 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 lí làm việc của gia công tia laser:

⮚Chùm tia laser phát ra ánh sáng đơn sắc được

tạo ra để hội tụ vào một vùng rất nhỏ của phôi

Do diện tích bề mặt ít hơn và cường độ cao của tia laser, nhiệt tạo ra rất lớn

⮚ Nhiệt đó làm cho kim loại nóng chảy và cuối

cùng kim loại nóng chảy bị hóa hơi

- Môi trường laser tinh thể ruby hình trụ với hai môi trường phản xạ

phẳng được được trong một cuộn dây đèn nháy công suất khoảng

1000W

- Đèn flash phát ra ánh sáng trắng cường độ cao kích thích các tinh thể tạo ra chùm tia laser được tạo ra để tập trung vào khu vực của phôi bằng thấu kính

Chùm tia laser được tạo ra có mật độ công suất 1000kW/cm2 Do mật độ công suất cực lớn này, nhiệt được tạo ra làm nóng chảy khu vực của

phôi

Máy phát laser

❖ Nguồn cấp (Power supply)

❖ Đèn flash (Flash lamp)

❖ Tụ điện (Capacitor)

❖ Tinh thể ruby (Ruby crystal)

❖ Gương phản chiếu (Reflecting Mirror)

❖ Ống kính (Lens)

Quá trình hình thành tia laser hồng ngọc (ruby laser)

⮚ Trạng thái ban đầu chưa bị kích thích

⮚ Đèn flash bắn ra ánh sáng vào viên hồng ngọc

⮚ Thanh ánh sáng kích thích các nguyên tử trong hồng ngọc,

một số nguyên tử này phát ra photon

⮚ Hầu hết các photon này di chuyển trong hướng song song

với trục của thanh ruby và chúng dội lại từ các tấm gương khi chúng đi qua tinh thể

⮚ Chúng kích thích sự phát xạ trong nguyên tử khác mà các

photon này đi qua gương phản chiếu một phần như một pha đơn sắc và tạo thành chùm tia laser

xạ bán phần

Phôi

Sơ đồ nguyên lí hoạt động của Laser Ruby

3 Thiết bị và dụng cụ

a) Phân loại laser

Laser rắn :

Môi trường hoạt tính là chất rắn

Ví dụ: Laser Ruby, laser Nd:YAG, laser Sapphire, laser Yb:YAG…

• Laser bán dẫn :

Laser bán dẫn được cấu trúc

từ các lớp tiếp xúc p-n

Ví dụ: Laser Gas

• Laser khí:

Môi trường hoạt tính chất khí

Ví dụ: Laser He-Ne

• Laser lỏng

Môi trường hoạt tính chất lỏng

Ví dụ Laser xung nhuộm

• Laser gamma

Laser gamma là sự kết hợp giữa

nguồn ánh sáng điện từ đơn sắc, có công suất lớn với bước sóng <107

cm

b) Cấu tạo máy laser

Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo gồm 3 phần chính :

1 Đầu phát laser

2 Bộ phận cung cấp điện và điều khiển

3 Bộ phận gá đặt chi tiết gia công

4 Các thông số và khả năng công nghệ

a) Năng lượng và thời gian xung

Quá trình gia công bằng tia laser có thể tách làm 2 pha :

◦ Ánh sáng laser bóc đi lớp bề mặt có khả năng phản chiếu lớn

◦ Sau đó vật liệu có màu tối hơn hấp thụ năng lượng của chùm tia laser

Biến thiên của năng lượng và thời gian xung có thể biểu thị bằng một tập hợp đường cong phù hợp với các đặc tính của vật liệu.

Năng lượng tích lũy trong nguồn phát có thể tối đa là

6000W.s và đỉnh cao của công suất là 5000W Đối với laser hồng ngọc thì năng lượng bức xạ là 30J, thời gian kéo dài xung được điều chỉnh trong các mức 1, 3, 5, 7ms Tần số

xung là 12 xung/phút

Quan hệ giữa năng lượng và xung thời gian

b) Chiều dài sóng (λ)λ))

- Ánh sáng laser có độ tinh khiết cao, có nghĩa là chiều dài

sóng của nó thay đổi trong một dải hẹp so với ánh sáng thường

- Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cắt và chất lượng vết cắt

là công suất bức xạ laser, chiều dày vật cắt, vận tốc cắt và thời gian tác dụng

- Chiều dày tối đa đối với thép thường là 6mm, thép gỉ là 3mm, phi kim loại là 10mm

5 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm

⮚ Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trơ, chân không hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang

⮚ Có thể gia công tất cả các vật liệu

⮚ Không có sự tác động trực tiếp giữa dụng cụ và phôi

⮚Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh do nhiệt

⮚Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia công ít

⮚ Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp

⮚ Không có dụng cụ mòn như trong quy trình gia công

thông thường

⮚ Độ bóng bề mặt cao

Nhược điểm

⮚ Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn

⮚ Giá thành cao

⮚ Cần phải xác định chính xác điểm gia công

⮚ Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

6 Ứng dụng

⮚Trong công nghiệp, laser sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay…

⮚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 cực nhỏ

⮚Gia công các chi tiết cực nhỏ

⮚Nhiệt luyện bề mặt

⮚Tạo mẫu nhanh

⮚Phủ bề mặt

- Dùng trong công nghiệp dệt may

- Trong y khoa: giải phẫu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu

- Khoan cắt kim loại

- Ngoài ra, ứng dụng laser trong cuộc sống qua các băng từ, máy in laser , khắc laser , đo đạc và nhiều ứng dụng khác

Sự Khác biệt

giữa cắt tia laser và cắt tia plasma

Vật Liệu có thể

cắt Kim loại: Thép carbon, thép hợp kim,Inox, nhôm, hợp kim đồng

Phi Kim: Gốm, nhựa, cao su, gỗ…

Thép carbon, thép hợp kim, Inox

Độ dày tối đa 25 mm 150 mm

Độ rộng rãnh căt Hẹp Rất rộng

Độ chính xác

kích thước Rất caoDung sai ±0.15 mm Bình thườngDung sai 0.5~1 mm

Ưu điểm Khả năng gia công chính xác cao

Rất ít biến dạng nhiệt Tốc độ cắt có thể đạt được rất caoChi phí thấp Nhược điểm Chiều dày tấm càng lớn, thời gian

khoang lỗ lâu

Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn, giá thành cao

Vết cắt rộng, biến dạng lớn Tạo nhiều bụi, tạo tiếng ồn lớnTia laser (CO2 laser 4kW) Tia plasma(O2plasma 230A)

So sánh tia laser và tia UV

Giống nhau - Giúp chữa trị 1 số bệnh về thẩm mỹ ,

mắt, hoặc dùng chẩn đoán ung thư

- Nằm trong dãy quang phổ ánh sáng

- Giúp chữa trị 1 số bệnh về xương khớp

- Nằm trong dãy quang phổ ánh sáng

- Có bước sóng nhỏ từ 10nm-380nm

- Tia UVB, UVA đều gây hại cho da

- Nếu tiếp xúc với tia UV trong thời gian dài gây ra cháy nắng sau đó làm lão hóa da và gây ung thư da

- Tiếp xúc với tia UV giúp da sản sinh

ra vitamin D

Câu hỏi trắc nghiệm

Câu 2: Tia laser không có đặc điểm:

Câu 3: Tìm phát biểu sai về tia laser

A Tia laser có tính định hướng cao

B Tia laser bị tán sắc khi qua lăng kính

C Tia laser là chùm sáng kết hợp

D Tia laser có cường độ lớn

Câu 4: Màu do một laser phát ra

A Màu trắng

B Hỗn hợp hai màu đơn sắc

C Hỗn hợp nhiều màu đơn sắc

D Màu đơn sắc

Câu 5: Laser không được ứng dụng

A Chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo trên vật liệu kim loại và phi kim

B Xác định tuổi cổ vật trong ngành khảo cổ học

C Tạo mẫu nhanh

D Đo các khoảng cách trong ngành trắc địa

Câu 6: Nguyên lý hoạt động của laser dựa vào

A Hiện tượng cảm ứng điện từ

B Hiện tượng tán sắc ánh sáng

C Sự phát quang của một số chất

D Sự phát xạ cảm ứng

Câu 7 Đâu là ưu điểm của phương pháp gia công chùm tia laser:

A Độ bóng bề mặt cao

B Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

C Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn

D Tất cả đều đúng

Câu 8 Nhược điểm của phương pháp gia công chùm tia laser:

A Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn

B Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trơ, chân không hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang

C Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp

D Tất cả đều đúng

Câu 9: Chùm tia laser có khả năng cắt được các vật liệu sau đây:

A Thép Carbon, thép hợp kim, Inox, nhôm

B Hợp Kim đồng

C Gốm, nhựa, cao su, gỗ…

D Tất cả đều đúng

Câu 10 Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo gồm 3 phần chính :

A Đầu phát laser

B Bộ phận cung cấp điện và điều khiển, bộ phận gá đặt chi tiết gia công

C Đầu phát laser ,bộ phận gá đặt chi tiết gia công

D Bộ phận cung cấp điện và điều khiển,bộ phận gá đặt chi tiết gia công, đầu phát laser

[1] Phạm Ngọc Tuấn (2007), Các phương pháp gia công đặc biệt, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM

[2] Laser Beam Machining Process (Animation): Working of laser beam machining process.

[3] Ruby Laser.

Tài liệu tham khảo

Cảm ơn thầy và các bạn đã theo dõi.