Tìm hiểu về phương pháp gia công chùm tia laser là gì?

Trong ngành gia công cơ khí hiện nay thì có thể nói công nghệ cắt laser kim loại được ứng dụng ngày càng phổ biến và phát triển một cách nhanh đến chóng mặt. Vậy thực chất phương pháp gia công chùm tia laser là gì? Cùng theo dõi bài viết dưới đây để được thietbikythuat chia sẻ tới bạn những điều thú vị về phương pháp này có thể bạn chưa biết nhé!

Gia công chùm tia laser là gì?

Laser được sử dụng như một dụng cụ dùng để phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh. Gia công chùm tia laser là một quá trình xử lý nhiệt. Và trong đó thì tia laser có nhiệm vụ là làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu.

Máy tia laser là loại máy cắt bằng tia sáng, chúng được hoạt động theo chế độ xung. Năng lượng xung của nó không quá lớn. Tuy nhiên nó lại 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. Từ đó tác động vào bề mặt chi tiết gia công. Và làm nung nóng, làm chảy và bốc hơi các loại vật liệu. Tia sáng ấy gọi là tia laze.

Gia công chùm tia laser có nguyên lý hoạt động như thế nào?

Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng sẽ được nạp vào hệ thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2kV dùng để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 được đặt ở trong bộ phận phản xạ ánh sáng 2. Khi đèn 3 phát sáng thì toàn bộ năng lượng sẽ tập trung lại tại vị trí có đặt thanh hồng ngọc 4. Và do đó những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc sẽ bị kích lên mức năng lượng cao. Nếu tụt xuống thì chúng sẽ phát ra những lượng tử.

Nhờ hệ dao động của các gương phẳng 5 và 6 nên những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần thông qua thanh hồng ngọc và kích các ion Cr+3 khác để cùng nhau phóng ra chùm tia lượng tử.

Quá trình tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công được chia thành các giai đoạn như sau:

1. Vật liệu gia công sẽ hút năng lượng của chùm tia laser. Sau đó chúng sẽ chuyển các năng lượng này thành nhiệt năng.
2. Đốt nóng vật liệu gia công tới một nhiệt độ có thể phá hỏng được các vật liệu đó.
3. Phá hỏng các vật liệu gia công và đẩy sẽ chúng ra khỏi vùng gia công. Giai đoạn này sẽ ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng sẽ luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của chùm tia laser.
4.  Sau khi chùm tia laser tác dụng xong thì vật liệu gia công sẽ nguội dần.

Phương pháp gia công chùm tia laser có cơ sở là gì?

Năm 1954, N. Pronhorop thuộc viện Hàn Lâm Khoa Học Liên Xô và P. Godon, H. J. Zeigiơ, C. H. Taun thuộc Trường Đại Học Columbia đã đạt được giải thưởng Nobel về việc lần đầu tiên trên thế giới chế tạo thành công máy phát lượng tử MASER. Sau được thay thế bằng cụm từ với tên là LASER. Có nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng bằng sự bức xạ cưỡng bức.

Laser là một dụng cụ có khả năng phát tia sáng. Chúng có thể ra phóng xạ song song cực mạnh. Về phương diện quang học thì chúng ta có thể hình dung nguồn sáng này như là một điểm sáng được đặt trong vô cực. Chúng nhỏ đến mức kích thước chỉ được ví như một điểm chấm.

Các photon trong điều kiện nào đó thì có thể kích thích được các nguyên tử của vật chất và các phân tử hay nguyên tử này sẽ bức xạ ra các photon thứ cấp giống y chang như vậy.

Các photon thứ cấp này sẽ có cùng pha với các photon ban đầu. Như vậy, nói ngắn gọn thì trong vật chất có thể xuất hiện quá trình nhận photon và hiện tượng bức xạ ra sóng điện từ với bước sóng nhất định. Đó là nguyên lí chung của các loại tia laser. Các loại tia laser tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chúng có thể ở trong các môi trường với hoạt tính khác nhau như: môi trường khí, môi trường rắn, môi trường lỏng và môi trường bán dẫn. Cùng tìm hiểu về các loại môi trường đó ở ngay dưới đây nhé!

Môi trường khí

Loại laser khí được sử dụng khá phổ biến và rộng rãi. Bởi lẽ chúng có sự kích thích phóng điện và việc điều khiển nó tương đối đơn giản. Có 3 loại laser khí là: loại nguyên tử dạng trung hoà, loại ion hoá và loại phân tử. Hiện nay loại laser CO2 là loại được dùng phổ biến nhất. Laser khí CO2 có thể được dùng ở dạng tinh khiết. Nếu chúng ta thêm vào các khí N2 hoặc H2 theo tỉ lệ nào đó thì sẽ hạn chế được một vài tổn thất do năng lượng bức xạ nhiệt. Chính vì thế nên hiệu suất của laser khí CO2 cũng có thể được tăng thêm.

Môi trường rắn

Trong các tia laser rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn. Và chúng thường là hồng ngọc nhân tạo (được Meiman chế tạo ra vào năm 1960). Ngoài hồng ngọc ra thì người ta còn sử dụng một số loại khác ví dụ như: hợp chất thuỷ tinh Nê – ô – din Nd hay Cu – ropi – Eu.

Môi trường bán dẫn

Trên lý thuyết thì mỗi cặp electron và 2 lỗ trống sẽ gặp nhau. Chúng sẽ trung hoà với nhau và sau đó phát ra ánh sáng. Do hiệu suất của mỗi laser bán dẫn có thể biến đổi được công suất bằng phương pháp biến đổi dòng điện kích thích nên được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử.

Hiện nay Laser dạng lỏng chưa được ứng dụng để gia công kim loại. Ngay cả khi ở trong phòng thí nghiệm. Còn đối với các ứng dụng của laser trạng thái rắn vào gia công kim loại thì hiện nay người ra đang còn nghiên cứu. Phần lớn laser trạng thái rắn sẽ dùng thanh rubin nhân tạo màu hồng.

Dụng cụ và thiết bị gia công

Để gia công kim loại sẽ gồm 3 bộ phận chính là:

• Đầu phát tia laser.
• Bộ phận dùng để cung cấp điện và điều khiển.
• Bộ phận giá đặt chi tiết gia công.

Để tạo laser trên vật thể rắn thì chúng ta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chất khác nhau hoặc thuỷ tinh của các nguyên tố hiếm. Ví dụ như: tinh thể hồng ngọc (rubi), thuỷ tinh neodim (Nd)… Hiện nay có nhiều cách để phân loại laser, tuy nhiên thì thông thường người ta sẽ phân loại theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính của chúng. Theo đó thì có 4 loại laser chính là:

• Laser rắn;
• Laser lỏng;
• Laser khí;
• Laser gama.

Và trong số đó thì thông dụng nhất là laser rắn (laser hồng ngọc).

Laser khí CO2 rất thích hợp được dùng trong việc gia công thuỷ tinh hấp thụ toàn phần với bước sóng là 10,6 µm. Để cắt được ống thuỷ tinh thì người ta thường gắn chúng lên giá đỡ.

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, kỹ thuật thì người ta đã cải tiến và tạo ra máy gia công chùm tia laser điều khiển bằng số. Đó là loại máy CNC. Ưu điểm của loại máy này là cho phép gia công chính xác và thuận lợi khi chúng ta gia công những hình dáng phức tạp. Máy tia laser thường được chế tạo theo dạng máy khoan, máy hàn hay máy cắt đứt.

Thông số kỹ thuật của máy CNC-1000

• Công suất lớn nhất: 1 (kW).
• Bước sóng: 10,6 (µm).
• Vận tốc cắt lớn nhất: 8 (m/phút).
• Kích thước của máy: 5,2×2,2×1,7 (m).
• Hệ thống CNC điều khiển hai tọa độ của bàn máy 8 với độ chính xác cao, dịch chuyển trong khoảng là 2 µm.

Các thông số công nghệ

Khả năng gia công lỗ bằng tia laser sẽ tùy thuộc nhiều vào khả năng hấp thụ của vật liệu được bao nhiêu. Ngoài ra còn phụ thuộc vào lượng ánh sáng và nhiệt độ cần thiết để làm bốc hơi vật liệu. Độ cứng và những tính chất kim loại học không có ý nghĩa gì. Tuy nhiên thì khả năng dẫn nhiệt của vật liệu lại có ảnh hưởng lớn đến khả năng gia công.

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

• Ánh sáng laser bóc lớp bề mặt sẽ có khả năng phản chiếu lớn.
• Sau đó vật liệu màu gần đen sẽ hấp thụ năng lượng của chùm tia laser.

Tuỳ thuộc vào tốc độ của việc cung cấp năng lượng mà quá trình nung nóng hoặc bốc hơi có thể được diễn ra hay không. Thông thường thì quá trình này được diễn ra bằng cách thay đổi thời gian xung của tia laser.

Biến thiên của năng lượng và thời gian xung có thể được biểu thị bằng một tập hợp đường cong.

Năng lượng được tích lũy trong nguồn phát có thể tối đa trung bình là 6000W giây (joule). Ngoài ra thì đỉnh cao của công suất có thể là 5000 W.

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cắt và chất lượng vết cắt có thể là công suất bức xạ laze, chiều dày vật cắt, vận tốc cắt và cả thời gian tác dụng. Chiều dày tối đa đối với thép thông thường là 6mm. Đối với thép gỉ là 3mm và phi kim loại là 10mm.

Một số ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng và hướng phát triển

Ưu điểm của gia công chùm tia laser

• Không cần phải dùng buồng chân không.
• Không xảy ra các vấn đề về điện tích trong môi trường.
• Không có phóng xạ rơnghen.
• Công suất bức xạ cao, quá trình cắt sẽ không phụ thuộc vào cơ tính của phôi liệu. Chính vì thế ên nó có thể khoan, hàn, cắt đứt các vật liệu có độ bền cao, phi kim loại, khó gia công bằng phương pháp truyền thống.
• Thời gian nung nóng vật liệu vô cùng ngắn, vùng chịu tác động hẹp, vết cắt nhỏ và chúng ít biến dạng. Chính vì thế đảm bảo được độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công cao.
• Không dùng dụng cụ cắt và không có lực cắt.
• Cắt được những bề mặt phức tạp hay những vật liệu ở vị trí khó tiếp cận nhất.

Chính những ưu điểm vượt trội này mà hiện nay phương pháp gia công chùm tia laze đang được quan tâm và phát triển khá mạnh hiện nay. Chúng được ứng dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy. Bên cạnh đó trong các ngành khác như truyền thông, y học, đo lường… cũng có sự có mặt không nhỏ của phương pháp này. 

Nhược điểm của gia công chùm tia laser

• Hiệu suất rất thấp (dưới mức 1%).
• Với một số loại tia laser thì có hiện tượng khó hoặc hoàn toàn không có khả năng điều chỉnh công suất ra.
• Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn nhiều so với tia điện tử.
• Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc nhiều vào bước sóng ánh sáng.

Phạm vi ứng dụng

Trong công nghiệp thì laser được sử dụng phổ biến vào việc hàn, khoan, cắt… các loại vật liệu có độ nóng chảy cao và kể cả phi kim.

Gia công bằng chùm tia laze rất có hiệu quả đối với những lỗ nhỏ. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể đạt mức 4mm. Khi sử dụng chùm tia laze thì chúng ta có thể gia công được các loại vật liệu khác nhau như kim loại, thạch anh, kim cương, rubi… Và chiều sâu của lỗ gia công có thể đạt 12,7 mm. Khi gia công các vật liệu có đường kính lỗ khoảng 0,1÷0,2 mm thì độ chính xác có thể đạt mức 2-5 μm.

Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc và kiểm tra độ tinh khiết của các liaji chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.

Trong y khoa thì laser được ứng dụng phổ biến trong việc giải phẫu, điều trị các bệnh như bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu…

Ngoài ra laser còn có mặt vô cùng phổ biến trong cuộc sống của chúng ta qua các băng từ, máy in laser, máy photo laser và còn nhiều ứng dụng khác nữa…

Phương pháp phát triển

Nếu có thể tăng được năng lượng của chùm tia laser và kéo dài hơn thời gian một xung đến một mức có thể vận hành được liên tục hoàn toàn thì công nghệ tia laser có thể ứng dụng rộng rãi hơn rất nhiều lần. Phương pháp phát triển là chúng ta cần nâng cao hiệu quả kinh tế. Bên cạnh đó cũng cần có những thiết bị hoàn chỉnh và hiện đại hơn. Nhất thiết phải nâng cao được hiệu suất. Ở các thiết bị hiện nay thì người ta thường dùng tụ để tích lũy năng lượng. Tuy nhiên chúng lại khá nguy hiểm và giá thành cũng hơi đắt.

Chính vì vậy hiện nay người ta đang thử nghiệm những thiết bị tích lũy năng lượng khác. Nhất thiết phải chế tạo được loại đèn chớp với tuổi thọ cao, loại nguồn phát sáng khác. Chỉ như vậy mới có thể đưa được công nghệ tia laser ứng dụng nhiều vào trong công nghiệp. Từ đó mở ra và phát triển những phạm vi sử dụng mới.

Trên đây là toàn bộ thông tin về phương pháp gia công chùm tia laser mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng với những thông tin được chia sẻ giúp bạn nắm được nhiều thông tin bổ ích!