Bài giảng Nguyên lý laser - Chương 8: Khoan cắt hàn bằng tia laser

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý laser - Chương 8: Khoan cắt hàn bằng tia laser

1. Chương 8 KHOAN CẮT HÀN BẰNG TIA LASER 8.1 Cắt vật liệu bằng laser Ưu điểm: - Cắt được nhiều loại vật liệu - Khe cắt hẹp do tiêu tụ tốt tia laser - Nguồn ảnh huởng nhiệt nhỏ của các bức xạ laser - Các tác động cơ học lên vật liệu nhỏ nhất - Khả năng thao tác chính xác - Làm sạch hoá học vùng cắt - Có thể tự động hóa và năng suất lao động cao - Khả năng cắt biên dạng phức tạp cả theo 23 chiều
2. . 8.1.1 Cắt vật liệu kim loại Cắt bằng laser dựa trên tác động nhiệt của bức xạ, nguồn nhiệt đuợc dịch chuyển theo 2 hướng vuông góc nhờ hệ quang đặc biệt cho phép tiêu tụ vết với mật độ lớn tại điểm gia công cần thiết. Nếu tia lasser với bán kính a, dịch chuyển với vận tốc không đổi U0 thì trường nhiệt độ phụ thuộc vào tỷ số thời gian bão hòa nhiệt với vật liệu bán giới hạn,. Khỉ u0a /k < 1 thì nguồn nhiệt đuợc coi là dịch chuyển chậm. Khi đó nhiệt độ tại tâm vết là cực đại và bài toán đuợc coi là nguồn nhiệt tĩnh T0: nhiệt độ ban đầu của vật liệu
3. +Khi U0 =2cm/s với nguồn công suất 500W cắt tấm thép CT3 ta có trường nhiệt như hình 8.1 . y (mm) 7000C 9000C 13000C 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 x (mm)
4. + Khi cắt tấm dày: người ta dùng luồng oxi thổi (phương pháp laser và khí) .
5. . Xảy ra các quá trình sau: - Đốt cháy kim loại có sinh nhiệt do phản ứng cháy - Làm sạch và thổi các xỉ nóng chảy khỏi vùng cắt - Làm nguội vùng cắt Điều đó cho phép: - Tăng tốc độ cắt - Tăng chiều sâu cắt - Nhận được mép cắt chất lượng tốt
6. Nhận xét: Cắt laser oxy: do sự sinh nhiệt của phản ứng oxy hoá và sự thoát nhiệt do khí nên nguồn nhiệt tương đương để gia công: P=P0 + P phản ứng =P laser.A + P phản ứng . = P laser.(1-R) + P phản ứng A: Hệ số hấp thụ R: Hệ số phản xạ phụ thuộc bước sóng, vật liệu và trạng thái bề mặt Trong đó: P phản ứng =Q.m Q: hệ số sinh nhiệt của phản ứng m=2y0duo : tốc độ phá hủy vật liệu do đốt với: 2y0: bề rộng vết cắt : tỷ trọng vật liệu d: chiều dày tấm cắt
7. Năng lượng đó sẽ tiêu hao do các nguyên nhân sau: - Dùng để đốt nóng vật liệu gia công đến dưới nhiệt độ chuyển. pha:Q1 - Làm chảy lỏng vật liệu trong vùng nó tác dụng: Q2 - Đốt cháy vật liệu: Q3 - Mất mát do dòng khí làm nguội vật liệu và truyền nhiệt ra môi trường xung quanh: Q4 Vậy quá trình cân bằng nhiệt: P = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
8. Nhận xét: - Nhìn chung hiệu suất của quá trình gia công phụ thuộc vào .nhiều yếu tố và thường được xác định bằng thực nghiệm - So với không thổi oxy, khi cắt có thổi 12 at tốc độ cắt cao hơn 40%. Ví dụ: Cắt thép Cácbon hàm lượng thấp bằng laser CO2 liên tục có thổi khí oxy phụ thuộc công suất laser và vật liệu cắt.
9. 8.1.2 Cắt vật liệu phi kim .Dùng laser cắt rất hiệu quả vật liệu phi kim nhỏ: chất dẻo, thủy tinh quang học, composit trên cơ sở bora và cacbon, gồm, caosu, gỗ, phíp. Các vật liệu này thường có độ truyền nhiệt độ nhiệt thấp (k<0,01cm2/s) nên tiêu hao ít năng lượng so với kim loại
10. ua Với vật liệu phi kim dễ dàng thỏa mãn điều kiện 0 1 ,nhiệt độ tại. điểm đốt cháy nóng nhất k 2 a ka T + 2 T0 ku0 Ngưỡng mật độ dòng cần thiết để bắt đầu cắt vật liệu phi kim ít phụ thuộc vào chiều dày tấm và ảnh hưởng tới độ cắt
11. .Để cắt kim loại và phi kim người ta dùng laser YAG và CO2 liên tục. Để nâng cao hiệu quả cắt, người ta thổi vào vùng cắt và làm lạnh cục bộ vùng gia công . Với những vật liệu như nhựa phenol foocmandehyt, khi nóng chảy nó thành chất quánh rất khó tách khỏi vùng gia công nên phải tốn nhiệt hơn để đốt cháy nó thành hơi khi cắt bằng laser khí.
12. Nhận xét: -. Cắt laser-khí các vật liệu phi kim cho phép nhận được các mép cắt tinh sạch. Mặt khác tia laser vào mép tốt hơn, còn mặt kia có thể có xỉ nóng chảy. - Khi cắt các chất hữu cơ có đặc điểm độ rộng vết cắt ở mặt sau nhỏ hơn hình dạng của tia vào -Khi cắt nhựa, gốm thủy tinh có thể dày đến 20mm. Đặc biệt có thể đến 50mm, khi đó độ rộng vết mặt sau không lớn hơn 1mm, - Khí cộng với xỉ sẽ cắt sâu vào vật liệu gia công
13. - Khi cắt laser khí các vật liệu phi kim, người ta sử dụng 2 loại khí tích cực và khí trơ. . + Loại tích cực: sinh nhiệt trong quá trình đốt cháy, sẽ làm cháy vật liệu nênlàm xấu mép cắt cả mặt trước và mặt sau. + Khí trơ: CO2, không khí, N2: làm tốt chất lượng mép cắt. - Khi công suất laser đủ lớn, người ta có thể cắt laser khí cả thủy tinh và thủy tinh thạch anh. Khi đó chất lượng mép cắt cao hơn các phương pháp khác, song mép trước và mép sau hơi bị chảy nhẹ.
14. Khi cắt laser-khí các chất phi kim, xảy ra quá trình phá hủy vật liệu: công suất hơn 107 W/cm2, lớp vật liệu bên ngoài bị đốt nóng đến .nhiệt độ phá hủy và bị dòng khí đẩy ra khỏi vùng gia công. Các lớp dưới cũng lần lượt như vậy: xảy ra sự phá hủy lần lượt từng lớp.
15. Để xác định ngưỡng cắt laser-khí chất cách điện: Hao phí năng lượng laser trên M gam chất bị phá hủy trong một đơn vị thời gian có thể xác định như: Plaser-∆P = M(c.T0-Q) Trong đó: + Plaser= (1-R)P : phần công suất của bức xạ laser P bị hấp thụ bởi vật liệu có hệ số phản xạ R + ∆P bằng mất mát công suất do tác dụng làm lạnh của dòng tia + c: Nhiệt dung riêng của vật liệu + T0: Nhiệt độ bắt đầu phá hủy mạnh vật liệu + Q: Tỷ nhiệt thoát ra từ phản ứng hóa học và sự chuyển pha trong vùng cắt.
16. Nếu phân bố cường độ trong chùm laser hội tụ trong hướng kính được mô tả bởi biểu thức: 2 Pa P(a)=− exp aa2 . ll Trong đó: al là bán kính chùm tia hội tụ Nguồn như vậy gọi là phân bố với ngưỡng công suất P/u trong hướng chùm tia chuyển động và phân bố theo Gauss theo hướng vuông góc. Khi đó năng lượng ngưỡng của mỗi phân bố được xác định như: 2 Py P(y)=− exp 0 a2 a l l
17. Khi đó có thể viết: . 2 y0 S=− S0 exp a l Ở đây P S = năng lượng riêng của cắt laser-khí. M So là năng lượng cực tiểu mất mát khi phá hủy 1g vật liệu
18. Nhận xét: Khi cắt phi kim không thổi khí cần nhiệt nhiều hơn. Ví dụ: khi cắt thủy tinh - Không thổi khí S0≈ 350 Kj/g - Có thổi khí S0≈ 31 Kj/g Song chất lượng cắt không thổi khí có mép cắt tốt hơn, ít bị chảy
19. 8.2 Khoan lỗ bằng laser Ưu điểm: - Không có tiếp xúc cơ giữa dụng cụ gia công và vật liệu, không .có mài mòn và cong gãy. - Đạt độ chính xác phân bố lỗ do dùng hệ quang để định vị tia laser, lỗ có hướng bất kỳ. - Đạt được tỉ số l/d lớn hơn nhiều so với phương pháp khoan khác
20. 8.2.1 Khoan lỗ kim loại bằng laser Khi khoan cũng như cắt: tính chất của vật liệu gia công cũng ảnh hưởng đến các thông số của laser cần chọn lựa để gia công. Laser dùng để khoan thường dùng laser xung ở chế độ tự do và có độ dài xung 1µs, chế độ điều biến hệ số phẩm chất, với chiều dài xung vài chục ns. Trong cả hai loại đều xảy ra quá trình nung nóng chảy và bay hơi vật liệu tương tự quá trình cắt với nguồn laser đứng yên. - Độ sâu lỗ tăng chủ yếu do sự bay hơi, còn đường kính chủ yếu là sự chảy lỏng thành và sự thoát chất lỏng do áp lực hơi.
21. - Hiện nay người ta thường sử dụng mẫu động học tạo lỗ trong vật liệu không trong suốt với chiều sâu h và đường kính D theo công thức: . 3 D 3w D 3 00 h = +3 − tg tg  .L0 tg  và 3 3wtg D=+ 23 D0 L0 - D0: Đường kính ban đầu của chùm tia - w: năng lượng bức xạ của laser - γ: nửa góc chùm tia 0 - L0: nhiệt lượng hóa hơi riêng phần của vật liệu khi T=0 K Nhận xét: h, D phụ thuộc phi tuyến vào các thông số hệ quang (D0,γ), năng lượng w của laser γ bản chất vật liệu gia công L0 Sự phụ thuộc mạnh vào γ
22. Nhận xét: h, γ, D phụ thuộc phi tuyến vào các thông số hệ quang (D0,γ), năng lượng w của laser γ bản chất vật liệu gia công L0 Sự phụ thuộc mạnh vào γ .Thường người ta sử dụng tỉ số: h 1 1 =− 1 D 2tg 3wtg 1+ DL00 để đánh giá hiệu quả sử dụng khả năng công nghệ của phương pháp này, Với lỗ hẹp và không thông, khả năng gia công cũng gặp khó khăn, tức tg = 0. Khi đó: h= w / ( DoLo); D= 2Do ; h/D = ( 2 Do2 Lo)
23. Khi tgγ ≠ 0 thì mật độ năng lượng trên vết gia công bị thay đổi từng khoảng cách từ điểm điều tiêu đến bề mặt gia công. Khi đó giới hạn đường kính gia công do mật độ năng lượng không đủ đốt nóng vật .liệu. w w − D0 D2gh = Q Q h = gh tg Q: ngưỡng mật độ năng lượng của quá trình đốt cháy 3 2 Ví dụ: Q=10 J/cm ; w=1j; D0=2mm; tgγ=0,2; thì Dgh=0,4mm và hgh=2mm
24. Nhận xét: - Hình dáng của lỗ phụ thuộc vào vị trí của vết laser trên bề mặt. -Lỗ có độ sâu nhất và trụ nhất khi tâm điều tiêu nằm trên bề mặt gia công. Khi thay đổi khoảng cách qua điểm O ta thấy sự thay đổi hình dáng của mặt cắt dọc lỗ từ côn thành paraboloit. - Chiều sâu lỗ phụ thuộc vào năng lượng chùm tia và tỷ lệ tăng tuyến tính.
25. Các nhận xét trên mới chỉ tính đến độ dẫn nhiệt của vật liệu. Khi kể đến sự mất mát nhiệt do bay hơi của vật liệu từ lỗ khoan, sự mất nhiệt này tỉ lệ với bình phương đường kính lỗ và không đáng kể với lỗ nhỏ. - Nếu công suất laser nhỏ hơn công suất mất do bay hơi thì không thể khoan được lỗ sâu mà nó chỉ tạo nên một hõm rộng có tỉ lệ h/D được xác định bởi tốc độ sôi của vật liệu. - Khi mật độ công suất laser rất cao (>107 w/cm2 ), có thể bỏ qua mất mát do dẫn nhiệt. Năng lượng laser bị hút trong lớp mỏng vật liệu và bay hơi vật liệu rất nhanh
26. Nhận xét: + Chế độ nhiều xung cho phép khoan lỗ chất lượng cao với độ chính xác đường kính tốt song chỉ ưu việt với tấm cứng. Khi lỗ sâu người ta dùng các xung đơn năng lượng cao. + Việc khoan lỗ tạo hình với màn chắn chỉ dùng với tấm mỏng <0,5mm hoặc với vật liệu phi kim. +Ứng dụng khoan laser còn dùng để cân bằng động cho vật quay bằng cách khoan bay hơi vật liệu một lượng định trước.Cắt tinh các chi tiết điện tử với việc đốt bay hơi bằng mật độ công suất cao, kích thước vết và thời gian xung nhỏ +Lỗ khoan có dạng côn khi dùng laser
27. * Nói chung khi khoan lỗ trên kim loại cần phải sử dụng các loại laser có mật độ công suất 107÷108 w/cm2 Việc khoan lỗ nhỏ hơn 0,25mm là một việc khó khăn, trong khi đó khoan bằng laser cho phép đạt đến gần chiều dài bước sóng laser với độ chính xác vị trí lỗ cao. Ví dụ: Giá thành gia công của hãng “General electric” Mỹ. Tỉ lệ h/d: 10:1 25:1 50:1 Chi phí laser trên một lỗ: 4cent 5 10 Phương pháp tia lửa điện 9 30 60
28. 8.2.2 Khoan lỗ vật liệu phi kim loại bằng laser Gia công lỗ các vật liệu phi kim là một trong những hướng hàng đầu của công nghệ laser và chiếm một vị trí và một tỉ trọng đáng kể. Các vật liệu cần khoan: kim cương, rubi, pherit, gốm, mà khoan lỗ bằng các phương pháp thường thì khó khăn hoặc không hiệu quả, Người ta dùng 2 phương pháp: - Phương pháp 1: 1 tia laser đi theo biên đường lỗ, mà thực là một quá trình cắt định hình, với laser liên tục hoặc laser xung. - Phương pháp 2: lỗ gia công lập lại hình dạng của chùm tia gia công mà nhớ hệ quang có thể có hình dạng bất kỳ. Phương pháp chiếu này có một số ưu điểm so với phương pháp trước.
29. - Việc lấy xỉ thường dùng dòng khí thổi qua vòi phun đồng trục với tia laser. Phương pháp dùng để khoan các lỗ 0,05÷0,5mm trong gốm tấm dày đến 2,5mm khi dùng CO2 liên tục. - Khi khoan lỗ trong gốm cứng phương pháp khoan laser cho phép tỉ lệ l/d cao hơn với độ chính xác vị trí lỗ cao và thời gian gia công giảm. Ví dụ: Khoan gốm đa tinh thể mật độ cao với laser rubi, năng lượng xung 1,4j với khoảng cách tiêu cự 25mm với mật độ công suất 4.106 w/cm2 với 40 xung (tần số phát 1Hz) khoan được lỗ trên tấm dày 3,2mm với đương kính lỗ vào 0,5mm và ra 0,1mm đạt hệ số h/d = 10 /1 với các vật liệu khác đạt được đên 50/1.
30. Quá trình cơ bản khi khoan và cắt laser các chất phi kim là sự đốt nóng, nóng chảy và bay hơi và mật độ năng lượng lớn hơn 106÷107 w/cm2. Cùng với việc tăng chiều sâu lỗ thì thành bị nóng chảy và pha lỏng tạo thành hơi. Động học gia công lỗ vật liệu phi kim cũng được mô tả tương tự với vật liệu kim loại. Ví dụ điển hình: Gia công lỗ ở đá đồng hồ: khoan các lỗ Ф50÷60µm khi dung sai lỗ là một vài µm, lỗ cần trụ và không có vết trên đầu vào và đầu ra của lỗ. - Gia công phương pháp cũ: 2500 phôi - Gia công khoan laser: 22000 phôi
31. Những nguyên nhân làm lỗ không thẳng: - Áp lực vật liệu bay hơi khi khoan lỗ sâu - Cường độ phân bố mật độ tia không đều trên tiết diện ngang. Để tạo lỗ trụ hơn: vừa dịch chuyển dọc chi tiết vừa thay đổi cự ly điều tiêu chùm. - Ưu việt khi: + Khoan lỗ trên kim cương và chế tạo dày nhỏ + Khoan lỗ trên pherit khi chế tạo dụng cụ. Do tính giòn của vật liệu phi kim, chế độ đơn xung có thể làm nứt vỡ bề mặt gia công
32. 8.3 Hàn bằng laser 8.3.1 Hàn vật liệu kim loại Hàn bằng laser phát triển chia làm hai giai đoạn: - Giai đoạn đầu dùng các laser rắn xung công suất - Giai đoạn sau dùng laser CO2 và các laser Nd YAG với chế độ liên tục hoặc xung công suất cho các mối hàn ngắn đến vài mm. Vì vậy lúc đầu hàn laser chỉ sử dụng trong chế tạo các phần tử vi mô như trong dụng cụ đo, thì ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy
33. Hàn laser có một loạt ưu điểm so với phương pháp hàn thông thường. Mật độ cường độ ánh sáng cao, hệ quang cho phép làm nóng chảy cục bộ tại những điểm định trước với độ chính xác cao nên cho phép: - Hàn những bộ phận khó gắn kết nhau (vì kết cấu khó hàn) - Hàn trong chân không hoặc các môi trường khí qua cửa sổ trong suốt đối với laser.
34. Do hàn không cần đốt vật liệu đến điểm bay hơi nên mật độ công suất laser nhỏ hơn khi cắt. Chỉ cần 105÷106 w/cm2 với thời gian xung 10-3÷10-4 s (thời gian xung không được quá ngắn vì sẽ không làm nóng chảy vật liệu được). Mật độ không đủ nên không đủ nóng chảy vật liệu để hàn. Mật độ quá lớn khi đốt cháy sẽ tạo thành các hố. - Quá trình hàn cũng có thể thực hiện ngay trên các thiết bị cắt laser khí để hàn có thổi khí nhẹ. Ví dụ: Laser CO2 200w có thể hàn thép dày 0,8mm với vận tốc 0,12m/phút.
35. Chiều sâu nóng chảy lớn nhất: 2 2 h = [0,16 / ( Lq )]( q t cháy - q t chảy ) ρ: tỷ trọng vật liệu L: tỷ nhiệt nóng chảy q: Mật độ công suất t cháy- : thời gian bắt đầu cháy t chảy- : thời gian bắt đầu chảy
36. Do hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu là hằng số nên có thể viết: K h = max q
37. Nhận xét: Hàn công nghệ dùng các laser xung và liên tục. Laser CO2 công suất đến 6kw liên tục dùng hàn các mối hàn đứng trong chế tạo máy, ví dụ: chế tạo ôtô. Song hàn xung thường sử dụng hơn. Bằng hệ quang có thể hàn an toàn, chính xác tại các điểm có thể quan sát thấy hoặc điều khiển điểm hàn bằng máy tính điện tử nên dùng để hàn chính xác, hàn tấm mỏng và trong công nghiệp chế tạo dụng cụ đo. Độ dài xung dùng 2÷10 ms.
38. Các mối hàn bằng laser xung được đặc trưng bởi hệ số chồng l k = D l: Chiều dài đoạn hàn D: Đường kính dây hàn Việc chọn k được xác định bởi chiều sâu tối thiểu cần thiết đốt nóng chảy, mà chiều sâu này phụ thuộc vào độ bền và hình dạng hình học của mối hàn. Khi đó vận tốc hàn là nhỏ nhất và được tính bằng: v = fD(1-k) f: tần số xung
39. Hàn laser thích hợp khi hàn 2 vật liệu khác nhau và ít tác động nhiệt vì kích thước vết hàn bé. Đặc biệt khi hàn các dây nhỏ hơn 20µm theo sơ đồ dây-dây hoặc dây-tấm. Trong thực tế khi hàn các chi tiết nhỏ phế phẩm rất nhiều nếu hàn bằng phương pháp thường, còn với laser thì phế phẩm không đáng kể với chất lượng mối hàn cao. Ngoài ra người ta còn sửa chữa các ống điện tử qua việc hàn qua thành thủy tinh Ví dụ: - Hàn sợi tấm tantan vào bạc ống molipden - Hàn các chi tiết nhỏ từ thép không gỉ bằng laser YAK và laser Rubi
40. Một trong các hướng phát triển nhanh là hàn laser trong các chi tiết máy tính điện tử, các hình dạng khác nhau của các yếu tố vi mạch. Ví dụ: - Hàn đầu mút - Hàn tâm lỗ - Hàn xung quanh lỗ
41. Laser xung YAK được dùng nhiều hơn CO2 liên tục do công suất laser CO2 liên tục đòi hỏi lớn gấp 3 lần so với YAK do sự hấp thụ bức xạ của vật liệu tăng khi giảm chiều dài bước sóng bức xạ. Sự xuất hiện laser khí động CO2 trong chế độ liên tục với công suất vài kw cho phép sử dụng tốt khi hàn. Loại 20 kw có thể dùng hàn thép không gỉ sâu đến 13mm khi tốc độ dịch chuyển tia laser trên vật liệu hàn đến 254 cm/phút. Tỷ lệ giãn chiều sâu mối hàn trên độ rộng trung bình vùng ảnh hưởng đốt nóng nhiệt là 5:1
42. Đối với các vật liệu hàn có độ phản xạ cao, người ta phủ lên nó một lớp kim loại mỏng khác hấp thụ tốt bức xạ laser. Để tăng hiệu quả của laser CO2 khi hàn người ta phủ một lớp vật liệu hấp thụ. Ví dụ: Graphit Ví dụ: Hàn tấm đồng dày 0,48mm, người ta phủ màng Niken sạch 0,04 mm làm giảm năng lượng tia laser đi 4 lần.
43. Hình 8.11 Các dạng hàn nối , chồng , giao
44. 8.3.2 Hàn vật liệu phi kim Đặc điểm hàn laser: vết hàn nhỏ nên ảnh hưởng nhiệt ít Ví dụ: - Hàn ống của laser He-Ne đảm bảo bảo vệ catot và các chi tiết quang chính xác khác. - Hàn thủy tinh thường: yêu cầu laser 50÷100w - Hàn thủy tinh thạch anh: yêu cầu laser 300w
45. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quan hệ giữa công suất laser, tốc độ hàn, đường kính vết hàn và chiều dày chi tiết hàn. Tuy nhiên hướng đánh giá chủ yếu hiện nay là năng lượng hàn riêng Ví du: - Với thủy tinh là gần 30kj/gam - Với thủy tinh thạch anh là 45kj/gam Để hàn vật liệu phi kim người ta dùng cả laser CO2 và YAG liên tục. Các laser cắt có thể dùng làm hàn rất tốt. Ví dụ: Hàn thủy tinh bằng laser tránh khuyết tật khí nhue khi hàn khí O2-H2.