Cơ Sở Vật Lý Của Quá Trình Gia Công Bằng Laser

Nguồn laser tạo ra trên bề mặt vật liệu gia công một mật độ rất cao năng lượng ánh sáng với các chế độ liên tục hoặc xung đảm bảo đủ để đốt nóng, làm chảy và bay hơi vật liệu: đó chính l

Chuơng 7

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BẰNG

LASER

7.1 Các đặc điểm quá trình gia công vật liệu bằng laser.

Các nguồn nhiệt cổ điển: Khí đốt axetilen, hồ quang điện hồ

quang plasma và dòng điện

Nguồn laser tạo ra trên bề mặt vật liệu gia công một mật độ rất cao năng lượng ánh sáng với các chế độ liên tục hoặc xung đảm bảo đủ

để đốt nóng, làm chảy và bay hơi vật liệu: đó chính là cơ sở của

công nghệ gia công bằng laser

Laser dùng trong các nguyên công: cắt, hàn, khoan lỗ, gia công

nhiệt bề mặt …, có nhiều ưu điểm so với các dạng gia công khác

Ví dụ: khoan lỗ rất nhanh các vật liệu khác nhau

Hoặc thực hiện một số dạng gia công mà truớc đây không thực hiện đuợc

Ví dụ: khoan và hàn vật liệu qua thủy tinh ở trong các môi truờng khí khác nhau hoặc chân không

Do trong quá trình gia công vật liệu, xảy ra tác dụng tuơng hỗ giữa bức xạ laser và vật liệu nên rất quan trọng là lựa chọn các thông số gia công như độ kết hợp không gian, công suất mà còn cả bước

sóng với độ hấp thụ của vật liệu để đạt đuợc hiệu quả cao nhất

Ngoài ra còn có cả sự ảnh huởng của mod đến vết của tia laser đuợc tạo bởi hệ quang

Ví dụ:

Laser rắn Rubi, thuỷ tinh Nd có công suất cao song tần số xung bị hạn chế, hiệu suất thấp, thoát nhiệt kém

Laser CO2 có hiệu suất cao ở chế độ xung hoặc liên tục song

λ=10,6µ bị kim loại phản xạ mạnh

Đối với các laser liên tục hoặc xung có tần số xung cao dùng để cắt vật liệu

Laser điều biến hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng với độ dài xung

5÷300ns có năng luợc vài chục Jun cho phép đạt đuợc mật độ công suất đến 109 w/cm2 , khi đó xảy ra bay hơi vật liệu

Các dạng và các thông số của laser đối với các nguyên công công nghệ

- Các thông số trên bảng chỉ là gần đúng vì thực tế phụ thuộc vào dạng vật liệu và tính chất ra của chùm tia trong các nguyên công

- Giá trị năng luợng riêng để đốt, nung nóng hoặc nóng chảy vật liệu

7.2 Cơ sở vật lý của quá trình gia công laser

- Việc nghiên cứu tác dụng laser - vật liệu: để xác định mật độ công suất cho từng nguyên công gia công

- Khi mật độ công suất đạt đến 106 W/cm2 thì xảy ra sự đốt nóng cục bộ vật liệu để thực hiện hàn và gia công nhiệt mà chưa xảy ra phá hủy vật liệu 108 W/cm2 để dùng cho cắt, khoan,

-Cuờng độ đốt nóng phụ thuộc vào tỉ số độ sâu xâm nhập vật liệu của bức xạ δ và chiều sâu đốt nóng là độ dẫn nhiệt của lớp ,

với

: Hệ số truyền nhiệt độ vật liệu cm2/s

t : thời gian tác dụng của bức xạ

- Với kim loại: δ << nguồn nhiệt luôn trên bề mặt

- Phi kim loại: điều này không đạt đuợc

K k

.c

= ρ

kt

kt

Biểu diễn chung của từng nhiệt của một tia laser tròn bán kính hoặc theo trục và vuông góc với mặt phẳng một phía

+ Nhiệt độ đốt nóng do tia laser phụ thuộc vào hệ số phản xạ của vật liệu

Bảng hệ số phản xạ của kim loại với các laser có bước sóng dài

trong công nghiệp khi chiếu vuông góc và nhiệt độ phòng:

λ (µm) Au Cr Ag Ni

0,4080 0,415 0,437 0,952 0,597

0,6943 0,930 0,831 0,961 0,676

1,06 0,981 0,901 0,964 0,741

10,6 0,975 0,984 0,989 0,941

Tuy nhiên độ hấp thụ bề mặt tăng đáng kể theo độ tăng nhiệt

độ vật liệu và khi có màng ví dụ ôxyt Thực nghiệm cho thấy nhiệt

độ bề mặt tăng không phải mà nhanh hơn gần đến theo hàm

Hình 7.1

mô tả quá trình gia công bằng laser

Như vậy quá trình tác dụng tương hỗ giữa laser và vật liệu

mô tả bởi quá trình nhiệt gồm:

- Hấp thụ ánh sáng truyền nhiệt cho dao động quang tinh thể

- Đốt nóng vật liệu không phá hủy

- Nung nóng chảy

- Đốt cháy vật liệu bằng bay hơi các thành phần hợp kim của nó

- Hồi phục sau khi kết thúc tác dụng

* Đốt nóng và làm nóng chảy dùng để hàn và gia công nhiệt

* Còn đốt cháy và bay hơi các phần hợp kim dùng trong cắt

và khoan

7.3 Hệ thống điều khiển gia công laser

Hình 7.3 Hệ thống điều khiển đường đi của tia laser

Hình 7.3 Hệ thống điều khiển đường đi của tia laser