Bài thuyết trình Phương pháp gia công bằng tia laser

BÀI THUYẾT TRÌNH NHÓM 3 Các thành viên: Nguyễn Văn Đoàn CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER MỤC LỤC : I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên II.Nguyên Lý Gia Công III.Thiết Bị và Dụng Cụ IV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ. V.Đặc Điểm và Dụng Cụ. I. KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN I.1.KHÁI NIỆM: Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser được sử dụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà trong tương lai gần trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong gia công kim loại. Hiện tại thì có thể sử dụng thành công trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệ hàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. 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. Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng. I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser. Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG CHÙM TIA LASER Máy gia công bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay phương pháp này thực sự có giá trị trong gia công cơ khí. Từ laser là viết tắt các chữ đầu của các từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – Sự khuyết đại ánh sáng bằng bức xạ của chất phóng xạ. Loại vật liệu có thể gia công được làm từ tia laser không phụ thuộc vào độ dài sóng. Năng lượng của chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó bay hơi đi. Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình… Gia công bằng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lý hoạt dộng của chùm tia laser được trình bày trên hình 5.1 2 5 4 1 3 Tia laser Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của chùm tia laser 1. Môi trường hoạt tính. 2.Nguồn ánh sáng kích thich. 3. Buồng cộng hưởng quang học. 4. Gương phản xạ toàn phần (độ phản xạ ánh sáng 100%) 5. Gương phản xạ bán phần trong suốt (độ phản xạ ánh sáng 50%). Trên hình 2.1 có thể thấy một không gian quang học 3. Trong không gian này ở hai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là môi trường hoạt tính 1 (hay thanh laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi đèn số 2 ở trạng thái ổn định, những proton được phóng ra và hướng vào trục quang họccủa thanh laser. Các proton này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nối kết nhau về pha cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ năng lượng để rời khỏi thanh laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá trình nhân proton. Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hình thành một chùm tia nối tiếp nhau. Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm, nếu đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên đến 80000C trong 1ms. Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình: - Hình 2.2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M: Hình 5.2 Nguyên lý gia công chùm tia laser. 2)Buồng phản xạ ánh sáng 3) Đèn phát xung 4) Thanh hồng ngọc 5) Gương phản xạ toàn phần 6) Gương phản xạ 50% 7) Thấu kính hội tụ 8) Chi tiết gia công 9) Bàn gá 10) Tế bào quang điện - Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở trong bộ phận phản xạ ánh sáng 2 ( tiết diện ngang hình elip) - Khi đèn 3 phát sáng ,toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồng ngọc 4. - Những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử. - Nhờ hệ dao động của các gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hồng ngọc và kích các ion Cr+3 khác để rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử. - Gương 5 có dộ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương 6 gần 50%. Nhờ đó, một mặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại và qua hệ thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy. - Chùm tia nhận được qua gương 6sẽ được tập trung bởi hệ quang học 7 và tác dụng lên chi tiết gia công 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả năng di chuyển tọa độ theo 3 phương X, Y, Z. - Khi tập trung tia laser vào vị trí gia công cần chọn hệ thống quang học và chế độ gia công như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của chùm tia, tiêu cự của hệ thống quang học và số xung laser. - Quá trỉnh tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công được chia ra các giai đoạn sau: + Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng. + Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phương tác dụng của chùm tia kể từ bề mặt tác dụng … + Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của chùm tia laser. + Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong Hình 2.3. Cắt bằng tia laser III. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ III.1.Các loại Laser: Có nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thông thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên môi trương hoạt tính của chúng. Có thể chia laser thành bốn loại chính như sau: laser rắn, laser bán dẫn. laser lỏng và laser khí. *Laser bán dẫn: Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali,…). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được. *Laser rắn: Trong laser rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, … *Laser khí: Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, … So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ laser trong chất khí rất cao. Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt. Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen. Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một chất nhị trùng *Laser lỏng: Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun. Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser. *Laser Gama: Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun. Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser. Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác. Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser. III.2.Cấu tạo máy laser: Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ tồn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý máy laser Hình 3.1. sơ đồ nguyên lý máy laser *Máy Laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: III.2.1.Môi Trường Hoạt Tính: Môi trường hoạt tính là bộ phận quan trọng- “ trái tim của laser “ có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Môi trường hoạt tính của laser có thể dùng các chât - Môi trường hoạt tính Khí - Môi trường hoạt tính Rắn - Môi trường hoạt tính Bán Dẫn Máy phát Tia laser Cửa sổ ống chứa khí Gương phản xạ Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý laser khí III.2.2. Nguồn kích thích: Gương Thanh hoạt tính A C B D Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức năng lượng cao. Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính một năng lượng. Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính. Hình 3.3. Các loại nguồn kích thích. Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh sáng gồm một hay nhiều đèn xenon. Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trường hoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu. Đối với thanh hoạt tính hình trụ hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn. Hình 3.4 Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P. Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa. Đối với dòng điện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí. Phôi Vòi phun Khí Vòi phun Khí Thấu kính hội tụ Tia laser Bộ cộng hưởng quang học : sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nên một phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc. Hình 3.6. vòi phun khí điển hình Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt phản chiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi. Một trong hai gương kia phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống. Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính. Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng. V2 V1 V2 V1 Môi trường hoạt tính Lăng kinhs kính Gương phẳng Hình 3.5. Bộ cộng hưởng quang học. Vậy về nguyên lý, gia công bằng tia laser rất đơn giản. Bằng cách tập trung năng lượng tại một điểm trong vùng gia công, mật độ năng lượng tại điểm đó sẽ tăng lên rất cao, và do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao. Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹ thuật mà nhiệt độ sẽ được đều chỉnh cho phù hợp. Nguôn điện Lăng kính Hệ thống làm lạnh Ñeøn oáng Gương phản xạ bán phần Laser rắn hoặc khí Tia laser đi ra Bao kín bề mặt Hình 3.7. Sơ đồ máy laser khí. III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm: + Máy phát tia laser: Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục. Tuỳ theo nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ, và chế độ hoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung. Hình 3.8. Máy tạo laser năng lượng cao HL 4006 D. + Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ. Đèn kích thích Thấu kính Chi tiết Chùm tia hội tụ trên chi tiết Bộ dao động quang học Gương phản xạ Tia laser đi ra Hình 3.9. Sô đồ máy laser rắn. + Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Một số máy phát laser. Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 3.10 giới thiệu sô đồ máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn bức xạ được cung cấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện. Mặt khác thanh hồng ngọc được đặt trong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch. Thanh hồng ngọc được đặt cố định bằng một lò xo. Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra và hướng ra ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc. 5 10 4 6 7 8 9 2 3 1 Bộ cung cấp và điều khiển điện Buồng phản xạ ánh sáng. Đèn phát xung. Thanh hồng ngọc. Gương phản xạ toàn phần. Gương phản xạ bán phần. Thấu kính hội tụ Chi tiết Bàn Gá. Tế bào quang điện Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M. Trên hình 3.11 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác. Thanh hồng ngọc 8 có Æ = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha phản xạ có đặt 1 đèn xung dùng khí trô xênon 7 dạng bút chì dài 76 (mm), được cấp 1 dòng điện xung từ phía ngoài gồm tụ điện 4 với điện dung 400 mF và cuộc cảm 3 được nối với biến thế 6 tạo xung với điện thế 14 (kV). Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụ phóng. 6 4 3 5 7 8 1 2 Hình 3.11. Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác. a. Với đèn bức xạ chuyên dùng. b. Với gương phản xạ hình elíp. Khi một vật bị kích thích bởi một nguồn năng lượng từ bên ngoài, các nguyên tố hoạt tính trong năng lượng đó được đưa lên một mức năng lượng cao hơn, nhưng ở mức năng lượng này độ bền vững rất kém nên khi ngưng kích thích thì chúng có xu hướng tụt xuống mức năng lượng thấp hơn. Lúc đó thế năng của chúng giảm đi, đồng thời mỗi nguyên tử hoạt tính phát ra 1 hoặc 2 lượng tử tuỳ theo quá trình tụt xuống là tự phát hay cươõng bức. Trên cô sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận chính: Đầu tia phát laser. Bộ phận cung cấp và điều khiển điện. Bộ phận gá đặt chi tiết gia công. Để tạo tia laser trên vật thể rắn ta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chất khác nhau hoặc thủy tinh với các tạp chất của các nguyên tố hiếm, ví dụ: tinh thể hồng ngọc (rubi), thủy tinh (Nd), … Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1 cho trong hình 3.12. 4 7 3 2 1 5 6 Máy phát quang lượng tử Màng ngăn. Oáng ngaém. Vật kính của kính hiển vi Tấm kính bảo vệ. Chi tiết gia công. Bộ nguồn Hình 3.12. Sô đồ máy phát laser kiểm MLC-1. Các phương pháp tập trung chùm laser. Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Hiện nay thường dùng các biện pháp sau: *Dùng thấu kính hội tụ. Khi dùng thấu kính cầu (hình 3.13a) thì tia laser tập trung trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu cung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạng yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình dáng phức tạp. Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 3.13b) vết tập trung sẽ có dạng dài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, … 1 2 3 3 2 1 a b Phương pháp này có ưu điểm là tập trung tồn bộ năng lượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân bố không đều, càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bó côn hoặc hẹp dần theo chiều sâu. Hình 3.13. Các biện pháp tạo mật độ năng lượng cao dùng thấu kính cầu và thấu kính hình trụ. 1. Nguồn sáng. 2. Thấu kính hội tụ. 3. Vật gia công. *Dùng hệ thống chiếu ảnh. Để khắc phục nhược điểm trên, đồng thời dễ dàng tạo ra những mặt định hình phức tạp có kích thước nhỏ có thể sử dụng phương pháp tập trung chùm tia bằng hệ thống những thấu kính và màn chắn tương tự như hệ thống chiếu ảnh (hình 3.14). Với phương pháp này có thể tạo ra vết tập trung có hình dạng bất kỳ, mật độ năng lượng phân bố đều hôn nên hạn chế được nhược điểm trên, nhưng một phần năng lượng chùm tia bị mất mát qua các màn chắn, làm giảm hiệu suất năng lượng chùm tia. F’ F’’ L1 F F1 L4 DM D Do D1 2 3 4 5 1 Hình 3.14. Tập trung chùm tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ. Kích thước gia công phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, mật độ năng lượng chùm tia, tính chất của hệ thống tập trung năng lượng, thời gian tác dụng chùm tia vào vật gia công hoặc số lượng xung, … Sau khi tập trung, mật độ năng lượng của chùm tia phân bố không đều trên vết tập trung của nó. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả thì mật độ năng lượng của chùm tia sau khi tập trung phân bố theo quy luật chuẩn (Gauss) như hình 3.15 Do F qo 2ro r r q Hình 3.15. Sự phân bố mật độ năng lượng của chùm tia tại vị trí tác dụng. Hiện nay, gia công lỗ nhỏ bằng chùm tia laser rất có hiệu quả. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể đạt đến d = 4 mm. Nhờ laser không những có thể gia công được kim loại, mà còn gia công được lỗ nhỏ d = 0.025¸0,25 mm trên những thạch anh, sứ, thủy tinh … IV.Các thông số và khả năng công nghệ. Do laser có tính định hướng và khả năng hội tụ cao nên có thể dùng để gia công các vật liệu rắn như thép không rỉ, titan và hợp kim titan, vonfram, thủy tinh, sứ … Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính từ 100 mm đến 250 mm. Cường độ ánh sáng đaõ được tập trung bằng lăng kính lớn gấp 40 lần cường độ ánh sáng mặt trời. Để khoan những lỗ nhỏ hơn phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cô khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 đến 5 mm. Quá trình gia công bằng tia laser có thể tách làm hai 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. Trong giai đoạn sau quá trình phát sáng tăng lên rất nhanh và nhiệt độ tỏa ra mọi hướng từ lỗ khoan. Từ đó có thể thấy rằng đường kính của các lỗ sẽ lớn hơn đường kính của tia laser. Sự khác biệt càng lớn nếu thời gian chiếu một xung càng dài. Tuỳ thuộc vào tốc độ cung cấp năng lượng mà quá trình đun nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi có thể dieãn ra hay không. Quá trình điều chỉnh này thông thường được diễn ra bằng cách thay đổi thời gian xung của tia laser (hình 4.1) Biến thiên của năng lượng và thời gian xung có thể biểu thò 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 6000 W.s và đỉnh cao của công suất là 5000 W. Đối với laser hồng ngọc thì năng lượng bức xạ là 30 J, thời gia keùo dài xung được điều chỉnh trong các mức 1,3,5,7 … ms. Tần số xung là 12 xung/phút. 1 2 3 Hình 4.1. Quan hệ giữa năng lượng và thời gian xung. 1. bốc hơi. 2. Nóng chảy. 3. Nung nóng Với laser CO2 người ta có thể gia công đồng thời 4 tấm vật liệu 5x5 cm với tốc độ cắt gần 10 m/phút. Năng lượng bức xạ của các máy phát laser kiểu công nghiệp không lớn lắm, thường từ 10 ¸ 100 J và hiệu suất khoảng từ 0,1 ¸ 1%. Trên hình 4.2. Trình bày mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ. 0,25 0,37 0,50 0,63 10-4 2.10-3 5.10-3 10-2 100 10 1 0,1 25.10-4 25.10-3 0,25 2,5 E (J) S (mm) d (mm) s Hình 4.2. Quan hệ giữa các yếu tố công nghệ. Quan hệ chiều dài tấm đồng có thể hàn được với thời gian tồn tại của xung laser khi đường kính vết hàn n = 0,7 mm. Quan hệ của năng lượng chùm tia với dây hàn. IV.1.Cá