Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia Laser

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia Laser Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia Laser Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia Laser luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Trường đại học bách khoa hμ nội

*****

Vũ xuân trường

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất vμ chất lượng khi gia công bằng tia laser

Luận văn thạc sĩ khoa học Ngμnh: công nghệ cơ khí

Trường đại học bách khoa hμ nội

*****

Vũ xuân trường

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất vμ chất lượng khi gia công bằng tia laser

Luận văn thạc sĩ khoa học Ngμnh: công nghệ cơ khí

hướng dẫn khoa học:

Gs TS Trần Văn địch Trường đại học bách khoa Hμ Nội

Hμ nội - 2008

mục lục

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng biểu 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

Mở đầu 9

Chương 1  Tổng quan về laser 10 

1.1  Lịch sử phát triển 10 

1.2  Cơ sở vật lý laser 10 

1.3  Cấu tạo vμ nguyên lý lμm việc của máy phát laser 13 

1.3.1  Hoạt chất 14 

1.3.2  Buồng cộng hưởng 14 

1.3.3  Bộ phận kích thích 14 

1.4  Các loại nguồn phát laser 15 

1.4.1  Laser rắn 15 

1.4.2  Laser lỏng 17 

1.4.3  Laser khí 18 

1.5  Các thông số cơ bản của chùm laser 20 

1.6  Các loại máy laser dùng trong công nghiệp 21 

1.6.1  Máy phát laser rắn 22 

1.6.2  Máy phát laser khí 22 

1.7  Quá trình tương tác giữa chùm tia laser vμ vật liệu gia công 23 

1.7.1  Phương trình truyền nhiệt tổng quát 23 

1.7.2  Điều kiện biên của sự truyền nhiệt 24 

1.7.3  Phân bố nhiệt trong hệ toạ độ trụ 24 

1.7.4  Đốt nóng vật không có hiện tượng chuyển dịch pha 25 

1.7.5  Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha 26 

Chương 2  ứng dụng laser trong công nghiệp 30 

2.1  ứng dụng laser để cắt vật liệu 33 

2.1.1  Giới thiệu chung 33 

2.1.2  Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser 34 

2.1.3  Các phương pháp cắt vật liệu bằng laser 34 

2.2  ứng dụng laser để hμn vật liệu 37 

2.2.1  Giới thiệu chung 37 

2.2.2  Cơ chế hμn laser 37 

2.2.3  Hμn truyền nhiệt 41 

2.2.4  Hμn kiểu lỗ khoá 41 

2.2.5  Các thông số công nghệ của quá trình hμn bằng laser 42 

2.3  ứng dụng laser để nhiệt luyện vμ xử lý bề mặt 42 

2.3.1  Giới thiệu chung 42 

2.3.2  Các thông số công nghệ chủ yếu 43 

2.4  Các ứng dụng khác 43 

Chương 3  Cắt với tia laser CO2 - Các thông số công nghệ ảnh hưởng 45 

3.1  Mối quan hệ giữa các tham số công nghệ 45 

3.2  ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng gia công 46 

3.3  Sơ đồ khối của quá trình cắt bằng tia laser 47 

3.3.1  Đường kính điểm hội tụ 48 

3.3.2  Độ sâu hội tụ 49 

3.3.3  Vật liệu gia công 50 

3.4  Mô hình hóa quá trình gia công vật liệu bằng chùm tia Laser thông qua lí thuyết nhiệt 51 

3.5  Đối tượng nghiên cứu khi gia công bằng laser 54 

3.5.1  Đại lượng chất lượng bề mặt cắt vμ độ chính xác gia công - độ rộng mạch cắt 54 

3.5.2  ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng cắt bằng tia laser 55 

3.5.3  Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 56 

Chương 4  Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy laser LC1000 CO2-CNC 57 

4.1  Thiết bị thí nghiệm 57 

4.1.1  Gá mẫu 58 

4.1.2  Chuẩn bị mẫu 59 

4.1.3  Điều kiện tiến hμnh thí nghiệm 60 

4.2  Thiết kế thí nghiệm 61 

4.2.1  Mô hình định tính quá trình gia công cắt với tia laser 61 

4.2.2  Thiết kế các thí nghiệm 62 

4.3  Thực hiện thí nghiệm 64 

4.3.1  Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị 64 

4.3.2  Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đơn của một số thông số công nghệ đến chất lượng mạch cắt 65 

4.4  Quy hoạch thực nghiệm vμ xây dựng mô hình toán học 75 

4.4.1  Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ đến quá trình cắt bằng tia laser 75 

4.4.2  Thiết kế quy hoạch thực nghiệm 75 

4.4.3  Lựa chọn các thông số công nghệ cần nghiên cứu 76 

4.4.4  Qui hoạch thực nghiệm xác định mô hình toán học 77 

Kết luận 96

Tμi liệu tham khảo

Tóm tắt luận văn

Phụ lục

mục lục

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

Mở đầu 9

Chương 1  Tổng quan về laser 11 

1.1  Lịch sử phát triển 11 

1.2  Cơ sở vật lý laser 11 

1.3  Cấu tạo vμ nguyên lý lμm việc của máy phát laser 13 

1.3.1  Hoạt chất 14 

1.3.2  Buồng cộng hưởng 14 

1.3.3  Bộ phận kích thích 14 

1.4  Các loại nguồn phát laser 15 

1.4.1  Laser rắn 15 

1.4.2  Laser lỏng 17 

1.4.3  Laser khí 17 

1.5  Các thông số cơ bản của chùm laser 20 

1.6  Các loại máy laser dùng trong công nghiệp 21 

1.6.1  Máy phát laser rắn 22 

1.6.2  Máy phát laser khí 22 

1.7  Quá trình tương tác giữa chùm tia laser vμ vật liệu gia công 23 

1.7.1  Phương trình truyền nhiệt tổng quát 23 

1.7.2  Điều kiện biên của sự truyền nhiệt 24 

1.7.3  Phân bố nhiệt trong hệ toạ độ trụ 24 

1.7.4  Đốt nóng vật không có hiện tượng chuyển dịch pha 25 

1.7.5  Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha 26 

Chương 2  ứng dụng laser trong công nghiệp 30 

2.1  ứng dụng laser để cắt vật liệu 33 

2.1.1  Giới thiệu chung 33 

2.1.2  Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser 34 

2.1.3  Các phương pháp cắt vật liệu bằng laser 34 

2.2  ứng dụng laser để hμn vật liệu 37 

2.2.1  Giới thiệu chung 37 

2.2.2  Cơ chế hμn laser 38 

2.2.3  Hμn truyền nhiệt 41 

2.2.4  Hμn kiểu lỗ khoá 41 

2.2.5  Các thông số công nghệ của quá trình hμn bằng laser 42 

2.3  ứng dụng laser để nhiệt luyện vμ xử lý bề mặt 42 

2.3.1  Giới thiệu chung 42 

2.3.2  Các thông số công nghệ chủ yếu 43 

2.4  Các ứng dụng khác 43 

Chương 3  Cắt với tia laser CO2 - Các thông số công nghệ ảnh hưởng 45 

3.1  Mối quan hệ giữa các tham số công nghệ 45 

3.2  ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng gia công 46 

3.3  Sơ đồ khối của quá trình cắt bằng tia laser 47 

3.3.1  Đường kính điểm hội tụ 48 

3.3.2  Độ sâu hội tụ 49 

3.3.3  Vật liệu gia công 50 

3.4  Mô hình hóa quá trình gia công vật liệu bằng chùm tia Laser thông qua lí thuyết nhiệt 51 

3.5  Đối tượng nghiên cứu khi gia công bằng laser 54 

3.5.1  Đại lượng chất lượng bề mặt cắt vμ độ chính xác gia công - độ rộng mạch cắt 54 

3.5.2  ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng cắt bằng tia laser 55 

3.5.3  Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 56 

Chương 4  Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy laser LC1000 CO2-CNC 57 

4.1  Thiết bị thí nghiệm 57 

4.1.1  Gá mẫu 58 

4.1.2  Chuẩn bị mẫu 59 

4.1.3  Điều kiện tiến hμnh thí nghiệm 60 

4.2  Thiết kế thí nghiệm 61 

4.2.1  Mô hình định tính quá trình gia công cắt với tia laser 61 

4.2.2  Thiết kế các thí nghiệm 62 

4.3  Thực hiện thí nghiệm 64 

4.3.1  Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị 64 

4.3.2  Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đơn của một số thông số công nghệ đến chất lượng mạch cắt 65 

4.4  Quy hoạch thực nghiệm vμ xây dựng mô hình toán học 75 

4.4.1  Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ đến quá trình cắt bằng tia laser 75 

4.4.2  Thiết kế quy hoạch thực nghiệm 75 

4.4.3  Lựa chọn các thông số công nghệ cần nghiên cứu 76 

4.4.4  Qui hoạch thực nghiệm xác định mô hình toán học 77 

Kết luận 96

Tμi liệu tham khảo

Tóm tắt luận văn

Phụ lục

Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t

c 1 NhiÖt l−îng riªng cña vËt liÖu ë tr¹ng th¸i láng J/kgK

erfc Hμm sai sè bæ xung

k l HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i láng

k s HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i r¾n

k v HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i h¬i

l ChiÒu dμi khuÕch t¸n nhiÖt

l th ChiÒu s©u th©m nhËp nhiÖt

m v Khèi l−îng vËt liÖu ho¸ h¬i

p r áp suất phản hồi bar

t h Thời gian diễn ra giai đoạn nung nóng

t m Thời gian đạt đến nhiệt độ nóng chảy

t p Chiều dμi xung laser

u Biến giả định hoặc năng lượng bên trong

A Diện tích bề mặt hoặc hệ số hấp thụ môi trường

hoặc hệ số hấp thụ năng lượng

A v Hệ số hấp thụ năng lượng ở trạng thái hơi

T s Nhiệt độ bề mặt chi tiết

T * Nhiệt độ trung bình trong lớp chảy lỏng

U Năng lượng hoá hơi của nguyên tử hay sự vận

AHZ Vùng ảnh hưởng nhiệt của mạch cắt

DOF Phương trình biểu diễn chiều sâu hội tụ

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1: Một số loại laser thường dựng trong cụng nghiệp

Bảng 3.1: Hằng số vật liệu của một số vật liệu cơ bản

Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật của các vật liệu thí nghiệm

Bảng 4.2: Thí nghiệm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị

Bảng 4.3: Thí nghiệm ảnh hưởng đơn của thông số công nghệ

Bảng 4.4: Thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ rộng

mạch cắt

Bảng 4.5: Bố trí thí nghiệm theo phương pháp thiết kế nhân tố

Bảng 4.6: Chuẩn hóa các biến giải thích trong mô hình mới

Bảng 4.7: Các hệ số trong mô hình tuyến tính bậc nhất

Bảng 4.8: Các giá trị hồi qui

Bảng 4.9: Bảng phân tích phương sai

Bảng 4.10: Bảng bố trí thí nghiệm theo phương pháp hợp tử tại tâm

Bảng 4.11: Bảng chuẩn hóa các biếngiải thích trong mô hình mới

Hỡnh 1.1: Sơ đồ nguyờn lý mỏy phỏt laser

Hỡnh 1.2: Sơ đồ mức năng lượng của Laser Ruby

Hỡnh 1.3: Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG

Hỡnh 1.4: Sơ đồ mức năng lượng của Laser CO2

Hỡnh 1.5: Sơ đồ mức năng lượng của Laser He-Ne

Hỡnh 1.6: Profile của chựm laser hội tụ

Hỡnh 1.7: Sơ đồ nguyờn lý mỏy phỏt Laser Ruby

Hỡnh 1.8: Sơ đồ nguyờn lý mỏy phỏt Laser CO2

Hỡnh 2.1: Phõn loại tổng quỏt cỏc ứng dụng của Laser

Hỡnh 2.2: Phõn loại ứng dụng Laser theo sự chuyển biến pha

Hỡnh 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng - thời gian tương tỏc của laser với

kim loại

Hỡnh 2.4: Sơ đồ hỡnh thành dũng chảy trong vũng hàn

Hỡnh 2.5: Phõn nhúm nhiệt luyện bề mặt bằng laser

Hỡnh 2.6: Tiện kim loại cú hỗ trợ bằng tia Laser

Hình 3.1: ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt

Hình 3.2: Sơ đồ quá trình công nghệ cắt bằng tia Laser

Hình 3.3: Đường kính điểm hội tụ ảnh hưởng do hiện tượng nhiễu xạ

Hình 3.4: Các vùng cắt có thể hình thμnh trong quá trình cắt

Hình 3.5: Mối quan hệ độ nhám vμ độ trụ

Hình 4.1: Sơ đồ cấu máy laser LC1000CO2-CNC

Hình 4.2: Chuỗi quang học của máy Laser

Hình 4.3: Bộ gá phôi vμ kẹp phôi bằng khí nén

Hình 4.4: Qui cách của mẫu thí nghiệm

Hình 4.5: Mô hình định tính quá trình cắt bằng Laser

Hình 4.6: Đồ thị nghiên cứu thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị

Hình 4.7: Đồ thị nghiên cứu giới hạn của áp suất khí thổi

Hình 4.8: Đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa P vμ v

Hình 4.9: ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều dμy gia công

Hình 4.10: Mối quan hệ giữa công suất cắt P vμ độ rộng vết cắt w

Hình 4.11: Mẫu thí nghiệm khi cắt ở các mức công suất khác nhau

Hình 4.12: Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt

Hình 4.13: Thí nghiệm khi cắt ở tốc độ cắt cao

Hình 4.14: Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc v tới độ rộng w

Hình 4.15: ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia công

Hình 4.16: Mối quan hệ của áp suất khí vμ độ rộng mạch cắt

Hình 4.17: ảnh hưởng sự giao thoa của trường DGF

Hình 4.18: Cấu trúc khí động học của dòng khí cắt

Hình 4.19: ảnh hưởng của khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt

khi gia công vật liệu SU304

Hình 4.20: ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt khi gia công ở các

khoảng cách đầu phun khác nhau

Hình 4.21: ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt

Hình 4.22: Sự phân bố áp suất theo đường kính đầu cắt

Hình 4.23: Sơ đồ thiết kế hợp tử tại tâm

Mở đầu

Ngμy nay, kỹ thuật laser đã có những phát triển vượt bậc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngμnh kỹ thuật vμ công nghệ Từ những ứng dụng đơn giản trong đồ dùng gia dụng hμng ngμy đến các ứng dụng hữu ích trong công nghệ y-sinh, các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa học vật liệu v.v…, laser đã vμ đang được sử dụng để gia công vật liệu trong nghμnh chế tạo máy như một dạng năng lượng siêu nhiên, có thể gia công được hầu hết các loại vật liệu với yêu cầu kỹ thuật khắt khe mμ các phương pháp gia công thông thường khó có thể thực hiện được

Gia công bằng chùm tia có mật độ năng lượng cao lμ một ưu thế lớn của

kỹ thuật laser Gia công bằng laser có thể thay thế cho một số phương pháp cắt gọt cơ học-vốn có ngưỡng nhất định không thể vượt qua được trong các nguyên công khó Vì thế gia công bằng laser được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt lμ với các vật liệu khó gia công như hợp kim cứng, gốm (ceramic), composite v.v… Khi dùng laser để gia công lỗ, người ta có thể gia công được các lỗ nhỏ cỡ vμi μm trên các loại vật liệu, đặc biệt lμ kim loại vμ hợp kim khó gia công, vùng ảnh hưởng nhiệt được kiểm soát vμ hạn chế tối đa Laser có thể gia công được lỗ nhỏ trong chi tiết vòi phun nhiên liệu của động cơ, vòi phun bơm cao áp, vòi phun khí xoáy, các lỗ nhỏ với góc nghiêng tuỳ ý ở buồng lμm mát động cơ máy bay, các vi lỗ nâng cao hiệu ứng động lực học trên cánh máy bay, các vi lỗ trên lưới lọc dùng trong y tế v.v… Nhờ khả năng công nghệ nμy mμ gia công bằng laser đã được sử dụng như một biện pháp gia công thay thế vμ duy nhất, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy bay, công nghiệp chế tạo ôtô, chế tạo các thiết bị, linh kiện điện tử, thiết bị y tế v.v…

Nắm bắt vμ tiến tới lμm chủ công nghệ gia công bằng laser, đặc biệt lμ gia công bằng laser lμ nhiệm vụ không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mμ còn có ý nghĩa thực tiễn lμ đưa laser đến gần với thực tế sản xuất công nghiệp, ứng dụng các khả năng công nghệ ưu việt, đặc biệt lμ khả năng gia công trên các loại vật liệu vμ đối tượng công nghệ mμ các phương pháp gia công thông thường khác

khó hoặc không thể thực hiện được Việc: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các chế

độ công nghệ đến năng suất vμ chất lượng khi gia công bằng Laser” có ý nghĩa

rất quan trọng đối với nhiệm vụ nêu trên Đây cũng chính lμ nội dung của đề tμi thực hiện

Nội dung chính của đề tμi:

- Tìm hiểu các ứng dụng của Laser trong công nghiệp

- Gia công kim loại bằng Laser-các tham số công nghệ ảnh hưởng đến năng suất vμ chất lượng

- Nghiên cứu thực nghiệm cắt bằng Laser trên máy LC1000CO2-CNC,

đánh giá sự ảnh hưởng của các chế độ công nghệ đến năng suất vμ chất lượng gia công Giải bμi toán quy họạch thực nghiệm theo mô hình thực nghiệm nghiên cứu

Lĩnh vực nghiên cứu của đề tμi còn nhiều mới mẻ vμ phức tạp, kiến thức hiểu biết của bản thân còn rất nhiều hạn chế nên bản luận văn nμy chắc chắn còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong được các Thầy, Cô vμ các anh chị, các bạn

đồng nghiệp góp ý, bổ xung để bản luận văn được hoμn thiện hơn

Tôi xin chân thμnh cảm ơn GS.TS Trần Văn Địch, thầy đã dẫn dắt định

hướng vμ truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong học tập - nghiên cứu, giúp tôi hoμn thμnh bản luận văn nμy Tôi cũng xin chân thμnh cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Công nghệ chế tạo máy vμ Khoa cơ khí-Trường

ĐHBK Hμ Nội đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập - nghiên cứu tại trường Tôi xin chân thμnh cảm ơn lãnh đạo Viện Máy vμ Dụng

cụ công nghiệp, lãnh đạo Trung tâm chuyển giao công nghệ, Trung tâm công nghệ gia công đặc biệt vμ các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn

Tác giả

Vũ Xuân Trường

Ch−¬ng 1 tæng quan vÒ laser 1.1 LÞch sö ph¸t triÓn

Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích của bức xạ) Laser là ánh sáng có tính chất đặc biệt, là sóng điện từ ở vùng nhìn thấy được Lịch sử loài người phải mất một quãng thời gian dài để thấy rõ ánh sáng

có tính chất sóng-hạt Năm 1704, Newton mô tả ánh sáng là một dòng của các hạt Thực nghiệm giao thoa của Young năm 1803 và sự khám phá tính phân cực của ánh sáng chứng minh rằng ánh sáng có tính chất sóng Sau đó, lý thuyết điện từ của Maxwell đã diễn tả ánh sáng là sự dao động nhanh của trường điện từ bởi các hạt dao động tạo ra

Nền tảng ban đầu của lý thuyết laser được Einstein đưa ra khi ông cho rằng ngoài bức xạ tự phát, còn tồn tại một dạng bức xạ khác là bức xạ cưỡng bức Sau đó, năm 1928, Kopfermann và Heidenburg giới thiệu thực nghiệm đầu tiên chứng minh cho sự tiên đoán của Einstein Năm 1960, Maiman lần đầu tiên công bố laser Ruby Tiếp theo là sự phát triển của rất nhiều nghiên cứu cơ bản

về laser từ năm 1962 đến 1968 Hầu như tất cả các loại laser gồm: laser bán dẫn, laser Nd-YAG (Neodymium doped-Yttrium Aluminium Garnet), laser khí CO2, laser màu và các loại laser khí khác được phát minh trong giai đoạn này Sau năm 1968, các loại laser hiện có được thiết kế và sản xuất với độ tin cậy và tuổi thọ lớn nhất Giữa những năm 1970, có thêm nhiều loại laser tin cậy được chế tạo để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất như cắt, hàn, khoan và khắc dấu Trong suốt những năm 1980 và đầu 1990, laser được khám phá các ứng dụng liên quan đến bề mặt như: xử lý nhiệt, nhiệt luyện,…

1.2 C¬ së vËt lý laser

Về bản chất, laser là chùm bức xạ điện từ đơn sắc, hội tụ tập trung có bước sóng trong phạm vi từ cực tím đến hồng ngoại Laser có thể thực hiện được trong dải công suất từ rất thấp (~mW) đến rất cao (1-100kW), mật độ công suất có thể đạt đến 1012 W/cm2, với cỡ vết gia công chính xác và thời gian xung/tương tác rất ngắn (đến 10-13-10-15 giây) trên các loại chất nền qua nhiều loại môi trường Laser được phân biệt với các dạng bức xạ điện từ khác ở đặc

điểm chính là liên kết chặt chẽ (kết hợp), quang phổ thuần nhất (đơn sắc) và khả năng lan truyền theo đường thẳng (tính định hướng cao)

Cơ sở lý thuyết của laser chính là tiền đề của Einstein phát biểu vào năm

1917 để dẫn ra công thức phát xạ của Planck Theo Einstein, khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử vật chất sẽ xảy ra các hiện tượng: nguyên tử hấp thụ một lượng tử ánh sáng và xảy ra hai loại bức xạ là bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức của một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã bị kích thích Chẳng hạn, xét một nguyên tử với tâm hạt nhân được bao quanh bởi các điện tử Các điện tử này quay xung quanh hạt nhân bởi một số giới hạn các quỹ đạo có thể Mỗi một điện tử có thể thay đổi quỹ đạo của nó, kết quả của sự thay đổi mức năng lượng là phát xạ ánh sáng (photon) khi điện tử đó di chuyển về phía hạt nhân và hấp thụ ánh sáng (photon) khi điện tử di chuyển về phía ngoài ra xa hạt nhân Cùng với sự dịch chuyển đó là một giá trị của năng lượng và bước sóng

Theo thuyết lượng tử, các hạt (nguyên tử, ion và phân tử) chỉ có thể tồn tại

ở những trạng thái năng lượng gián đoạn Trong điều kiện thường, các nguyên

tử nhận trạng thái ổn định ở mức năng lượng thấp hay ở trạng thái cơ bản Ở trạng thái đó, chúng có thể hấp thụ bức xạ của một điện từ trường nếu các

lượng tử năng lượng hv của điện từ trường này vừa đúng bằng hiệu số năng

lượng giữa hai trạng thái nguyên tử Ta có thể viết:

E = E 2 -E 1 = hv = hc/λ = mc 2

Quá trình hấp thụ này có thể biểu diễn như sau:

A* + hv => A**

Với: - A* là nguyên tử ở trạng thái có mức năng lượng thấp

- A** là nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn

Ở đây: c là vận tốc ánh sáng (c=3.10 8 m/s trong môi trường tự do), λ là bước sóng (m), ν là tần số của bức xạ điện từ (Hz) và h là hằng số Planck (h=6,6.10 -34 Js)

Nguyên tử không tồn tại lâu ở trạng thái kích thíc với mức năng lượng E2,

mà dịch chuyển trở về mức năng lượng ban đầu E1 Trong quá trình này nguyên

tử sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng (photon) đúng bằng: E=hv Bức xạ đó

gọi là bức xạ tự phát Tức là:

A** => A* + hv

Photon có thể va chạm với một nguyên tử đã kích thích và dẫn đến sự thay đổi mức năng lượng của nguyên tử này Theo Einstein, nguyên tử đó có thể hấp thụ photon để dịch chuyển lên một mức năng lượng cao hơn hoặc sẽ dịch chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn Với khả năng thứ hai, nguyên tử sẽ phát xạ ra một photon thứ cấp

Có thể mô tả quá trình đó như sau:

A** + hv 1 => A* + hv 1 + hv 2

Với: - hv 1 là photon va chạm

- hv 2 là photon bức xạ kích thích, hv 2 có giá trị đúng bằng hiệu năng lượng của trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình dịch chuyển

Quá trình này được gọi là sự bức xạ kích thích

Với một hệ môi chất gồm nhiều hạt bị bức xạ cưỡng bức bởi một nguồn kích thích, nhờ có hệ gương quang học tạo ra sự phản xạ hay chuyển động qua lại trong môi chất, sự bức xạ kích thích của các hạt sẽ xảy ra liên tục và mãnh liệt Khi số hạt ở trạng thái kích thích nhiều hơn số hạt ở trạng thái cơ bản (hay nồng độ của mức trên lớn hơn nồng độ của mức dưới - đạt được phân bố đảo)

hệ sẽ phát ra một bức xạ kích thích mạnh - bức xạ đó gọi là Laser

1.3 CÊu t¹o vμ nguyªn lý lμm viÖc cña m¸y ph¸t laser

Một máy phát laser có thể được mô tả đơn giản như hình 1.1 sau đây:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser

1.3.1 Ho¹t chÊt

Là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó Tương ứng với mỗi loại vật chất mà ta có các loại laser với bước sóng khác nhau Có thể phân loại hoạt chất ra thành các nhóm khác nhau:

Có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu trúc của các gương phản xạ: buồng cộng hưởng phẳng với 2 gương phản xạ phẳng; Buồng cộng hưởng Farby-Perot với các gương tròn đặt song song; Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu với gương cầu cùng bán kính và chung tiêu điểm,v.v…

- Kích thích bằng ánh sáng (còn gọi là bơm quang học)

- Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường, năng lượng được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm

1.4 C¸c lo¹i nguån ph¸t laser

Hiện tại có rất nhiều loại laser khác nhau, bảng 1.1 chỉ ra một số loại laser thường dùng trong công nghiệp

Bảng 1.1: Một số loại laser thường dùng trong công nghiệp

Loại Laser Bước sóng (µm) Ứng dụng

Excimer (KrF) 0.249 Y học/gia công vật liệu/nhuộm màu

Ruby 0.697 Đo lường, các ứng dụng y học, gia công vật liệu vô cơ

He-Ne 0.630 Chỉ thị điểm sáng, đo lường chiều dài/vận tốc, thiết bị căn chỉnh song song

Nd-YAG 1.064 Gia công vật liệu/kỹ thuật phân tích

Nd-Glass 1.060 Đo chiều dài và vận tốc

Diode 1.060 Gia công vật liệu bán dẫn/các ứng dụng y học/hàn

CO 2 10.600 Gia công vật liệu-cắt, hàn

1.4.1 Laser r¾n

Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn, gồm một chất nền và các tâm chất được đưa vào dưới dạng tạp chất Chất nền có thể là đơn tinh thể hoặc vô định hình Thông dụng nhất là các tinh thể oxid có cấu trúc trật

tự, ví dụ như tinh thể Al2O3 với tạp chất là Cr3+; Y3Al5O12 và YAlO3 với tạp chất là ion Nd3+; tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất là ion Dy2+ (dyplozi) Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn rất lớn, thường trong khoảng từ 1017-

1020/cm3, lớn hơn khoảng 100-1000 lần so với chất khí Do nồng độ hạt lớn nên

hệ số khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí, vì vậy cùng một công suất thì laser rắn có thanh hoạt chất nhỏ hơn

Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn so với chất khí, tiêu hao do tán xạ lớn, do vậy hệ số phẩm chất của laser rắn nhỏ, góc mở của tai laser do nhiễu xạ là lớn (vài chục phút, trong khi góc mở của laser khi chỉ vài chục giây)

Trong laser rắn, các hạt tương tác với nhau do vậy các mức năng lượng thường có độ rộng là lớn, vạch bức xạ tự phát và bức xạ laser thường có dải phổ rộng Với chất vô định hình, độ rộng vạch bức xạ tự phát khoảng vài chục

Ao, của chất đơn tinh thể khoảng vài Ao, với laser khí chỉ khoảng vài phần mười Ao

Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, thường dùng bơm quang học bằng cách chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất, tạo tích

luỹ chủ yếu cho mức laser trên nhờ đó tạo ra nghịch đảo nồng độ Hiệu quả của bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời không bị chất nền hấp thụ

- Hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển lên mức laser trên

1.4.1.1 Laser Ruby

Laser ruby là laser đầu tiên được chế tạo bởi Maiman vào năm 1960 Laser ruby được sử dụng rộng rãi do độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt Thành phần của Ruby là các tinh thể oxid nhôm Al2O3 (chất nền) được cấy các ion

Cr3+ (tâm hoạt chất) Thông thường hoạt chất laser ruby là tinh thể ruby màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr (1,6.1019 ion/cm3)

Phổ bức xạ của laser ruby từ 0,691÷0,697µm

Hình 1.2: Sơ đồ mức năng lượng của Laser Ruby

1.4.1.2 Laser Nd-YAG

Laser rắn Nd-YAG được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Hoạt chất là tinh thể Y3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet) có pha các tạp chất là ion Nd3+ là tâm hoạt chất

Laser Nd-YAG có ngưỡng kích thích khá thấp, độ dẫn nhiệt cao, cho phép phát xạ ở chế độ xung tần số cao và chế độ phát liên tục Hiệu suất của laser Nd-YAG khá cao, cỡ vài phần trăm

Bước sóng của laser Nd-YAG khoảng 1,06µm

Hình 1.3: Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG

1.4.2 Laser láng

Laser lỏng là loại laser sử dụng hoạt chất là chất lỏng

So với laser rắn và khí, laser lỏng có các ưu điểm sau:

- Không phải gia công hoạt chất chính xác như laser rắn

- Có thể dễ dàng tạo được công suất như ý muốn bằng cách tăng nồng

độ tâm kích hoạt và tăng khôi lượng hoạt chất

- Dễ làm lạnh hoạt chất

Tuy nhiên, do laser lỏng có hệ số dẫn nhiệt khá lớn nên hoạt chất dễ bị nóng nhanh Vì vậy không ổn định về tần số và công suất phát

Laser lỏng gồm có các loại chính sau:

- Laser chelate hữu cơ-đất hiếm

- Laser vô cơ Chloride-Neodym-Selen

- Laser màu (Dye laser), là loại laser hiện nay được sử dụng rộng rãi Các loại laser trên đều được kích thích bằng bơm quang học dạng đèn xung hoặc laser rắn dưới dạng xung

Với laser màu, hiệu suất có thể đạt tới ~25%, công suất ở chế độ xung có thể lên đến hàng chục Mega watts (MW), ở chế độ liên tục khoảng 10W

1.4.3 Laser khÝ

Laser khí là những loại laser sử dụng hoạt chất là chất khí chất khí có thể bao gồm những chất khí tồn tại ở nhiệt độ thường và cả hơi vật chất tạo thành

do sự nung nóng, ví dụ hơi kim loại Áp suất làm việc của môi trường khí thường nhỏ, vài mmHg

Laser khí có thể chia làm 3 loại:

- Laser khí nguyên tử với tâm hoạt chất là nguyên tử, ví dụ laser

He-Ne

- Laser khí ion, với tâm hoạt chất là ion, ví dụ laser Ar

- Laser khí phân tử, ví dụ như laser CO2, laser N2…

Các loại laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục, gần như liên tục hoặc xung tuỳ theo chế độ phóng điện chất khí sử dụng như: chế độ phóng điện

hồ quang (arc dischange), thường dùng cho laser ion; phóng điện phát sáng (glow dischange), thường dùng cho laser phân tử và nguyên tử

Nghịch đảo nồng độ trong laser khí được hình thành trong những trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử, thực hiện bằng phóng điện chất khí trong ống laser Dưới tác dụng của dòng điện qua chất khí, các điện tử và ion tự

do được hình thành Các điện tích này được gia tốc trong dòng điện trường có động năng lớn Ở đây, chuyển động của ion thường không đóng vai trò quan trọng, chỉ vì các điện tử tự do mới dẫn đến kích thích nguyên tử khi va chạm Với phóng điện khí áp thấp, động năng trung bình của điện tử lớn hơn nhiều so với nguyên tử và ion, các điện tử đạt được phân bố cân bằng về vận tốc trong một khoảng thời gian rất ngắn Đặc điểm của laser khí là độ hạt của chất khí nhỏ, nên nồng độ hạt kích thích nhỏ vì vậy tương tác của các hạt trong môi trường khí rất yếu, bởi vậy sẽ có những vạch bức xạ và hấp thụ hẹp Ưu điểm của laser khí là có độ đồng nhất quang học rất cao, bởi vậy gọc mở của laser khí rất nhỏ (vài chục giây)

Sự kích thích nguyên tử khí trong phóng điện được thực hiện nhờ hai quá trình cơ bản:

- Va chạm loại 1 giữa điện tử-nguyên tử đối với chất khí một thành phần

- Va chạm loại 2 hay còn gọi là truyền năng lượng cộng hưởng đối với hỗn hợp khí nhiều thành phần

Sự hồi phục của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng kích thích về trạng thái năng lượng thấp hơn và trạng thái cơ bản thông qua 4 quá trình khác nhau:

- Va chạm giữa nguyên tử kích thích và điện tử trong đó nguyên tử truyền năng lượng của mình cho điện tử (va chạm loại 2)

- Va chạm nguyên tử-nguyên tử trong hỗn hợp khí nhiều thành phần

a công, hàn

ng hoạt chvới tỷ lệ tư

uyên tử vớ

aser phân tthậm chí đ

n và xử lý bhất của laseương ứng

4: Sơ đồ m

là truyền

ch luỹ cho thế nghịch cao (hơn 6phóng điện

o hơn Ngo

er CO2 là rất nhiều lầ

ợc sử dụng

ó thể phát

ới thành ốn

tử rất thônđến 100kW

bề mặt

er CO2 thư0,8:1:1,7),

mức năng lư

năng lượnlaser CO2

đảo nồng đ

6 lần so vớ

n vì thế choài ra He cò

ượng của La

ng cộng hư Ngoài ra,

rãi, được sảbước sóng

điện

ông suất chlaser CO2

ỗn hợp khí

êm vào m

aser CO2

ưởng cho m, N2 còn cómức cao

hùm bức xđược sử d

ới quy mô cau: 1,15; 3

xạ có dụng

hoặc khác

trên, làm

dẫn được phục dịch

công 3,39;

Hình 1.5

ng sè c¬ b¶

u chuẩn ISchùm lasersuất laser vcủa chùmcủa chùm

Là khoảng cỏch mà trong phạm vi đú chựm laser hội tụ cú cựng cường

độ, được định nghĩa là khoảng cỏch mà tại đú đường kớnh điểm hội tụ thay đổi trong khoảng -5% đến +5% Phương trỡnh biểu diễn chiều sõu hội tụ (Depth of Focus – DOF) là:

Sự phõn cực và thụng số chất lượng chựm tia K=1/M 2

Hỡnh 1.6: Profile của chựm laser hội tụ

Như vậy, đường kớnh hội tụ và chiều sõu hội tụ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kớch thước tiết diện ngang và sai số hỡnh dỏng theo chiều dọc trục của vết gia cụng Cụ thể trong gia cụng bằng laser, dmin và DOF sẽ ảnh hưởng đến độ rộng mạch cắt và độ cụn của rónh cắt

1.6 Các loại máy laser dùng trong công nghiệp

Cấu tạo của máy laser trong công nghiệp để gia công vật liệu bao gồm các

bộ phận chính sau:

- Đầu phát laser

- Bộ phận cung cấp vμ điều khiển nguồn năng lượng

- Bộ phận gá đặt vμ dịch chuyển chi tiết gia công

f

D Đường kính hội tụ

DOF Chùm trước hội tụ

ch©n kh«ng B¬m

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser CO2

HÖ thèng lµm m¸t

§Ìn xung Thanh Ruby

Chïm Laser

Nguån

G−¬ng ph¶n x¹ hoµn toµn

G−¬ng ph¶n x¹ kh«ng hoµn toµn

1.7 Qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a chïm tia laser vμ vËt liÖu gia c«ng

Gia công bằng laser là một quá trình gia công bằng nhiệt hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu, trong một phạm vi nhất định, phụ thuộc nhiều vào các đặc tính quang hơn là đặc tính cơ học của vật liệu

Gia công vật liệu bằng laser là việc sử dụng chùm laser có mật độ năng lượng cao hội tụ trên bề mặt chi tiết, kết quả là vật liệu chi tiết xảy ra các giai đoạn: nung nóng, chảy lỏng, có thể bốc hơi và kết tinh lại Nhiệt độ của quá trình có liên quan đến kích thước của chi tiết gia công, ứng suất, sự thay đổi pha và cấu trúc của tinh thể sau cùng Do vậy, sự biến thiên theo thời gian của trường nhiệt độ trong quá trình tương tác laser-vật liệu gia công là yếu tố có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình gia công

Khi chùm tia laser đập vào vật liệu gia công, ở đó xảy ra các giai đoạn theo trình tự như sau:

1) Vật liệu gia công nhận năng lượng của chùm tia laser, năng lượng này chuyển thành nhiệt lượng

2) Nung nóng vật liệu gia công đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của nó

3) Tiếp tục nung nóng vật liệu và làm chuyển pha: chảy lỏng, cháy, bốc hơi và thoát ra khỏi bề mặt gia công

4) Sau đó vật liệu nguội nhanh

Quá trình (1) & (4) xảy ra trong thời gian cực ngắn, không làm ảnh hưởng đến năng suất gia công nhưng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công Tuỳ theo mục đích gia công mà quá trình tương tác trên tồn tại cả 4 giai đoạn hoặc không có giai đoạn (3) Năng suất, chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công chủ yếu phụ thuộc vào giai đoạn (2) và (3) quyết định

1.7.1 Ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt tæng qu¸t

Dựa vào định luật 1 của nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt trong không gian 3 chiều có dạng:

một đơn vị thời gian; T=T(x,y,z,t) là sự phõn phối nhiệt độ trong vật liệu phụ thuộc vào thời gian 3 chiều; t là thời gian; T o là nhiệt độ ban đầu; x,y,z là toạ độ Đềcỏc Với mỗi ứng dụng cụ thể, cú thể thừa nhận k(T) và c(T) khụng thay đổi

đột biến với nhiệt độ Bởi vậy, thừa nhận nhiệt lượng riờng và hệ số dẫn nhiệt

là hằng số trong từng khoảng thời gian cụ thể, phương trỡnh (1-4) cú thể viết:

(1-5)

1.7.2 Điều kiện biên của sự truyền nhiệt

Thực nghiệm chỉ ra rằng cú 3 dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức

xạ Sự đối lưu và bức xạ chỉ xảy ra trờn biờn giới chi tiết

Tổn thất nhiệt độ do đối lưu trờn đơn vị diện tớch bề mặt của chi tiết bởi cỏc điều kiện của dũng chảy ngoài là:

L là chiều dài đặc trưng của chi tiết, L=A/p

A là diện tớch chi tiết; p là chu vi của chi tiết

Thụng lượng nhiệt gõy ra bởi bức xạ là:

q r = εσ(T – T amb ) (1-7)

ε là độ phỏt xạ của vật liệu; σ là hằng số Stefan-Boltzmann

1.7.3 Phân bố nhiệt trong hệ toạ độ trụ

Giả thiết chựm laser cú phõn bố khụng đổi trờn một diện tớch cú bỏn kớnh

ω trờn bề mặt chi tiết, cụng suất laser P bằng với P o tại thời gian > 0, nghĩa là P

Với: r là toạ độ hướng kính, z là toạ độ hướng trục, t là thời gian, J 0 và J 1

là hàm số Bressel dạng thứ nhất, P o là công suất không đổi trong một xung laser, λ là bước sóng của chùm laser, k là độ dẫn nhiệt của vật liệu, κ là hệ số khuếch tán nhiệt, ε là độ phát xạ nhiệt của bề mặt chi tiết và quan hệ giữa hàm

sai số erf(error function) và hàm sai số bổ xung erfc(complementary error

function) được định nghĩa như sau:

∞

Ở đây, x là biến độc lập và u là biến giả định

1.7.4 §èt nãng vËt kh«ng cã hiÖn t−îng chuyÓn dÞch 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 điều kiện biên của chế độ gia công

Giả sử mật độ năng lượng của chùm tia laser phân bố đều trên vết gia 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:

k- hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu gia công

K- hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

c- nhiệt dung riêng của vật liệu gia công

ρ- khối lượng riêng của vật liệu gia công

Khi t →∞ ta có chế độ đốt nóng tĩnh tại được xác định theo phương trình:

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

Chiều sâu lớp ảnh hưởng nhiệt là: ∆ 0,68√ , khi q=5.10 4 -30.10 4 w/cm2

Tuỳ thuộc vào vật liệu gia công, đường kính D hoặc chiều rộng B và chiều sâu H của vùng chịu ảnh hưởng nhiệt, độ cứng sẽ tăng dần khi tăng mật độ

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

Dựa vào nghiệm của phương trình truyền nhiệt ở giai đoạn hai, và tính chất của vật liệu gia công, ta có thể xác định được mật độ năng lượng chùm tia

q(w/cm 2 ) sao cho nhiệt độ trên vật liệu gia công không đủ để phá hỏng nó, tức

là:

0,0,

Với T(0,0,t) là nhiệt độ tại điểm vết trên bề mặt gia công có r=0 và z=0

1.7.5 §èt nãng vËt liÖu cã sù chuyÓn dÞch nhiÒu pha

Sự bốc hơi của vật liệu chảy lỏng lan vào trong vật liệu với vận tốc v v, 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 hơi và áp suất phản hồi trên mặt chảy lỏng biến đổi theo bề mặt

Xét một phân tố đơn vị của mặt chảy lỏng, tại hai phía đối diện của phần

tử đơn vị, giá trị của áp suất p vào và p ra là khác nhau, p vào > p ra Sự chênh áp này gây ra dòng chảy của kim loại có hướng Sự tăng tốc hay giảm tốc của dòng

kim loại phụ thuộc vào dòng kim loại lỏng phụ thuộc vào giá trị của p vào và p ra, trong khi tiết diện ngang của khối phần tử hữu hạn tại dòng chảy vào và ra là khác nhau, nên số lượng của vật liệu dòng chảy lỏng đến và đi trong thể tích

tính toán nhìn chung là khác nhau Chiều dày h của lớp chảy lỏng sẽ giảm hoặc

tăng, dẫn đến sự dịch chuyển của mặt chảy lỏng đến sự dịch chuyển của mặt

chảy lỏng với vận tốc v m có hướng vuông góc với mặt chảy lỏng (cũng như

tương tự như v v ) Thành phần hoá hơi của vận tốc chảy lỏng v v luôn hướng về phía chi tiết, trong khi đó thành phần của vận tốc mặt chảy lỏng do dòng chảy

lỏng gây ra v m có thể hướng về phía chi tiết hoặc ngược lại Kết quả ta có vận

tốc của mặt chảy lỏng v d, là tổng của 2 thành phần:

Giả sử là chất lỏng không nén được trong lớp chảy lỏng, vật liệu chi tiết

có các thuộc tính lý nhiệt độc lập với nhiệt độ, nguồn nhiệt bề mặt độc lập với năng lượng laser, các phương trình về khối lượng, động lượng và năng lượng

có thể được viết dưới dạng:

Ở đây: , , , và k tương ứng là vận tốc, tỷ trọng, nhiệt lượng riêng,

nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu rắn hoặc lỏng; μ là độ nhớt của chất

lỏng và p là áp suất Điều kiện biên tại biên giới lỏng – hơi là:

là gradient nhiệt độ tại bề mặt theo nhương pháp tuyến (trục z), v v là thành

phần của vận tốc do bay hơi, R là hệ số phản xạ của bước sóng laser, I s là cường độ của chùm tia laser tại bề mặt Vì nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn một nửa

nhiệt độ tới hạn, năng lượng bốc hơi cho mỗi nguyên tử U có thể được giả định

là không đổi Thành phần của vận tốc biên do bay hơi v v có thể biểu diễn như sau:

Ở đây: L m là nhiệt ẩn chảy lỏng, v m là vận tốc mặt chảy lỏng, chỉ số s và l

chỉ trạng thái rắn (solid) và lỏng (liquid) Điều kiện biên của Stefan thừa nhận một sự chuyển trạng thái trong khoảnh khắc từ rắn sang lỏng tại nhiệt độ chảy

lỏng T m và không có sự tăng nhiệt tại mặt chảy lỏng Với quá trình khoan và hàn bằng laser, phép tính xấp xỉ là thích hợp cho sự lan truyền với vận tốc thấp 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 chiều ở dạng bảo toàn hay phương trình St.Vernant cho dòng chảy hở không nén được với trương hợp chảy lỏng và bốc hơi:

(1-17)

Ở đây: r và z tương ứng là hướng tiếp tuyến và hướng pháp tuyến với mặt chảy lỏng, h là chiều dày của lớp chảy lỏng, v r là vận tốc chảy lỏng theo phương hướng kính được tính trung bình cho chiều dày lớp chảy lỏng và μ là

độ nhớt của vật liệu chảy lỏng Số hạng thứ 2 ở vế phải của phương trình (1-17)

mô tả sự giảm tốc/tăng tốc bởi khối lượng thêm vào/mất đi do ảnh hưởng kết hợp của cả chảy lỏng và bốc hơi Số hạng thứ 3 ở vế phải mô tả ảnh hưởng của

độ nhớt

Trong phương trình (1-16) số hạng thứ 2 ở vế trái và số hạng thứ nhất của

vế phải tương ứng là các thành phần vận tốc do thoát chảy v m và bốc hơi v v Bởi

vậy, vận tốc của bề mặt chảy lỏng hay vận tốc cắt v d cho bởi:

Áp dụng giả thuyết về lớp biên mỏng chô phép lấy áp suất cắt ngang qua

lớp chảy lỏng xấp xỉ với áp suất phản hồi do bốc hơi p r tác động lên mặt chảy lỏng Do đó có thể mô tả mối quan hệ giữa áp suất phản bốc hơi tại bề mặt với

nhiệt độ bề mặt T s theo phương trình:

Ở đây A là hệ số phụ thuộc áp suất khí quyển, A = 0-0,54, B 0 là hằng số bốc hơi

Quan tâm đến sự dịch chuyển hướng kính của vật liệu chảy lỏng với vận

tốc trung bình v r (phương trình 1-16, 1-17) có hướng pháp tuyến với dịch

chuyển của mặt chảy lỏng với vận tốc v d 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 điều kiện biên có thể xác định được mô hình tức thời của sự lan truyền lớp vật liệu lỏng

Ch−¬ng 2 øng dông laser trong c«ng nghiÖp

Nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng laser trong gia công vật liệu có thể được giải thích bởi các ưu thế lớn như: độ chính xác và hiệu suất cao, khả 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 kỹ thuật gia công vật liệu bằng laser

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 điều kiện sau:

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

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

Phẫu thuật mắt,

da, răng miệng Điều trị u, bướu

Tạo hình, ghép nối, tạo mẫu nhanh, gia công cơ khí, phun phủ, xử lý

bề mặt…

Quang học Tập trung quang hoá Kiểm soát

- 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 loại ứng dụng Laser theo sự chuyển biến pha

GIA CÔNG VẬT LIỆU BẰNG

- Nóng chảy/Nóng chảy lại bề mặt

- Vô định hình bề mặt

Nói chung, ứng dụng của gia công vật liệu bằng laser có thể phân thành 2 nhóm chính: nhóm (a) gồm các ứng dụng yêu cầu mức năng lượng/công suất 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 Từ quan điểm ứng dụng đúng, gia công bằng laser được phân chia tổng quát thành 4 nhóm chính là: sự tạo hình (gia công các sản phẩm khuôn chính xác hay các sản phẩm đã gia công lần cuối), liên kết (hàn), cắt gọt (khoan cắt,…) và công nghệ bề mặt

Hình 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng - thời gian

tương tác của laser với kim loại

III.Ho¸ h¬i

II Ch¶y láng

I Nung nãng

Phạm vi của cỏc kỹ thuật gia cụng bằng laser khỏc nhau được coi là hàm của cụng suất và thời gian tỏc động, minh hoạ trong hỡnh 2.3

Tỏc quỏ trỡnh gia cụng được chia thành 3 lớp chớnh, tương ứng: chỉ cú gia nhiệt (khụng cú chảy lỏng/bốc hơi); chảy lỏng (khụng cú bốc hơi) và bốc hơi Cường độ cụng suất laser và thời gian xung hay thời gian tỏc động phải được lựa chọn cho mỗi quỏ trỡnh gia cụng sao cho vật liệu gia cụng sẽ được nung đến nhiệt độ và sự chuyển biến pha mong muốn Sự biến đổi về độ cứng, độ uốn và kiểm soỏt vựng từ tớnh dựa vào sự nung núng bề mặt mà khụng cú sự chảy lỏng

bề mặt thỡ phải yờu cầu cường độ cụng suất thấp (vựng I) Ngược lại, sự chảy lỏng bề mặt, sự trỏng, sự phủ, sự hàn và cắt cú chảy lỏng kim loại sẽ phải yờu cầu cường độ cụng suất cao (vựng II) Tương tự như vậy, sự cắt, sự khoan và cỏc cỏch gia cụng tương tự để búc tỏch vật liệu dưới dạng bốc hơi sẽ cần sự phõn phối cường độ cụng suất cao trong khoảng thời gian xung cực ngắn (vựng III) Trong tớnh toỏn cho cỏc quỏ trỡnh gia cụng bằng laser, để thuận tiện người

ta hay dựng một đại lượng vụ hướng là mật độ năng lượng (mật độ cụng suất nhõn với thời gian, J/mm2)

2.1 ứng dụng laser để cắt vật liệu

2.1.1 Giới thiệu chung

Trong cụng nghiệp, cắt vật liệu bằng tia laser là một ứng dụng chủ yếu và được sử dụng rộng rói nhất

Cắt laser dựa trờn hiệu ứng nhiệt của bức xạ laser và xảy ra khi nguồn nhiệt di chuyển liờn tục hoặc cú chu kỳ, được tạo thành vết cú mật độ cụng suất cao tạo thành bởi cỏc hệ quang đặc biệt Cơ chế cắt bằng laser cú nhiều dạng khỏc nhau: bốc bay vật liệu; nung chảy vật liệu kết hợp với khớ thổi để loại bỏ vật liệu, cỏc phản ứng hoỏ học, phõn huỷ cựng với việc tỏch cỏc hợp chất dễ bốc bay Cỏc vật liệu giũn cú thể được tỏch bằng phương phỏp tỏch nhiệt hoặc scribing (vạch vết hoặc đục lỗ dọc theo mạch cắt say đú bẻ gẫy) Tuỳ thuộc vào đặc điểm của mỏy phỏt, cú thể thực hiện chế độ cắt laser liờn tục hoặc chu kỳ Thụng thường sử dụng laser liờn tục để cắt vật liệu

Cắt vật liệu bằng laser liờn tục kết hợp với khớ thổi (khớ trơ hoặc khớ trung hoà: Ar, N2, CO2) sẽ nõng cao hiệu quả của quỏ trỡnh cắt do việc thoỏt vật liệu chảy lỏng (thoỏt chảy) dễ dàng Ngoài tỏc dụng của dũng khớ thổi là để đẩy vật

liệu ra khỏi vùng cắt, trong một số trường hợp còn tạo ra các phản ứng hoá học

ở các vị trí tương tác của bức xạ lên kim loại, ví dụ như dùng khí thổi là oxy 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, nhờ đó giảm sự phản xạ chùm tia tới tăng khả năng hấp thụ bức xạ laser

- 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 cắt laser phụ thuộc nhiều vào khả nănghấp thụ của 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 loại tại vùng gia công, vì thế năng lượng bức xạ được truyền dẫn tốt hơn vào vùng gia công, hiệu quả của quá trình cắt được nâng cao

2.1.2 C¸c th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng 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 thụ, hệ số phản xạ, hệ số 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

2.1.3 C¸c ph−¬ng ph¸p c¾t vËt liÖu b»ng laser

2.1.3.1 C¾t bèc h¬i

Với phương pháp này, trước hết chùm laser nung nóng bề mặt đến điểm sôi (poilling point) và tạo ra một lỗ cơ sở Lỗ này tạo sự tăng đột ngột trong

việc hấp thụ năng lượng bởi các phản xạ phức, vì thế sâu xuống rất nhanh Khi

lỗ tăng chiều sâu, hơi vật liệu sinh ra thoát khỏi lỗ hoặc mạch cắt và làm ổn định tường của lỗ/mạch Phương pháp cắt này thường được sử dụng cắt với laser xung hoặc cắt những vật liệu không có giai đoạn nóng chảy như gỗ, da, giấy, than và một số vật 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 dụng trong quá trình bốc hơi - tức sự dẫn nhiệt là 0 Điều 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:

F 0: là mật độ công suất hấp thụ được (W/s)

ρ: là mật độ vật liệu rắn (kg/cm3)

L: ẩn nhiệt của sự nóng chảy và bốc hơi (J/kg)

C p: công suất nhiệt của chất rắn (J/kgoC)

T v: nhiệt độ bay hơi (oC)

T 0: 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 dĩ cho các loại vật liệu khác nhau

Đối với dòng nhiệt một chiều với năng lượng đầu vào không đổi, nhiệt độ

bề mặt tại một thời gian t sau khi bắt đầu bắt xạ được cho bởi: