Chương 8 KHOAN CẮT HÀN BẰNG TIA LASER
8.1 Cắt vật liệu bằng laser Ưu điểm: - Cắt được hầu hết các loại vật liệu - Khe cắt hẹp do khả năng tiêu tụ cao của tia laser - Nguồn ảnh huởng nhiệt nhỏ của các bức xạ laser - Các tác động cơ học lên vật liệu nhỏ nhất -- Làm sạch hoá học vùng cắt - Khả năng điều khiển chính xác cắt biên dạng phức tạp cả theo 2÷3 chiều - Có thể tự động hóa và năng suất lao động cao
. 8.1.1 Cắt vật liệu kim loại Laser dịch chuyển theo hướng vuông góc với bề mặt gia công:
-Nếu tia lasser với bán kính a, dịch chuyển với vận tốc không đổi U0 thì 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
a
U0
q
0
T0: nhiệt độ ban đầu của vật liệu
Z
chậm. Khi đó nhiệt độ tại tâm vết là cực đại và bài toán đuợc coi là nguồn nhiệt tĩnh
.
y (mm)
.
7000C
9000C
13000C
x (mm)
2,4
1,6
1,2
0,8
0,4
2
0
+Khi U0 =2cm/s với nguồn công suất 500W cắt tấm thép CT3 ta có trường nhiệt như hình 8.1
.
Khi cắt tấm mỏng có chiều dày là d
.
Nhiệt độ
.
+ Khi cắt tấm dày: người ta dùng luồng oxi thổi (phương pháp laser và khí)
. 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
.
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.
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
>>
1
0u a k
+
≈ T 2
T 0
2 a π k
ka u
0
Với vật liệu phi kim dễ dàng thỏa mãn điều kiện . ,nhiệt độ tại điểm đốt cháy nóng nhất
.-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
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.
Nhận xét:
. -Cắt laser-khí các vật liệu phi kim cho phép nhận được các mép cắt tinh sạch. Mặt khác mép cắt ở phía vào tốt hơn ở mặt sau vì có thể có xỉ nóng cắtchảy.
-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,
- 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,
Ngưỡng mật độ dòng cần thiết để bắt đầu cắt vật liệu phi kim ít phụ thuộc vào chiều dày tấm
So là năng lượng cực tiểu mất mát khi phá hủy 1g vật liệu
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
.
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
.
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.
- 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.
3
0
3
=
+
−
h
π
0 γ
D tg
3w 3 γ tg .L
D tg
0
γ
và
3
=
+
D 2 D
3 0
γ 3wtg π L
0
- D0: Đường kính ban đầu của chùm tia - w: năng lượng bức xạ của laser - γ: nửa góc chùm tia - L0: nhiệt lượng hóa hơi riêng phần của vật liệu khi T=00K Nhận xét: h, D phụ thuộc các thông số hệ quang (D0,γ),
- 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: .
.
−
γ
1 h = D 2tg
+
1
1 γ 3wtg π D L 0
0
1
Thường người ta sử dụng tỉ số:
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 tgγ = 0. Khi đó: h= w / (πDoLo); D= 2Do ; h/D = ( 2πDo2 Lo)
−
D
0
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.
=
D
2
gh
w π Q
=
h
gh
γ
w π Q tg
Q: ngưỡng mật độ năng lượng của quá trình đốt cháy Ví dụ: Q=103J/cm2; w=1j; D0=2mm; tgγ=0,2; thì
Dgh=0,4mm và hgh=2mm
Nhận xét: - Hình dáng của lỗ phụ thuộc vào vị trí của vết laser trên bề mặt. Chiều sâu lỗ phụ thuộc vào năng lượng chùm tia -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.
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.
Nhận xét:
+ 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
* 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. 10:1 25:1 50:1 Tỉ lệ h/d: Chi phí laser trên một lỗ: 4cent 5 10 Phương pháp tia lửa điện 9 30 60
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 : 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.
- 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.
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÷107W/cm2.
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
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
Do tính giòn của vật liệu phi kim, chế độ đơn xung có thể làm nứt vỡ bề mặt gia công
+ Khoan lỗ trên pherit khi chế tạo dụng cụ.
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
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.
Do hàn không cần đốt vật liệu đến điểm bay hơi nên 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.
h = [0,16 / ( ρLq )]( q2 t cháy - q2 t chảy )
Chiều sâu nóng chảy lớn nhất:
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
Do hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu là hằng số nên có thể viết:
=
h
max
K q
Hiện tượng chảy
Nhận xét:
Hàn công nghệ dùng các laser xung và liên tục. Laser CO2 công suất đến 6 kW 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.
Các mối hàn bằng laser xung được đặc trưng bởi hệ số
=
k
l D
l: Chiều dài đoạn hàn D: Đường kính dây hàn
chồng
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
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.
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
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
Laser xung YAG được dùng nhiều hơn CO2 liên tục do công suất laser CO2 liên tục đòi hỏi lớn gấp 3 lần so với YAK do hệ số phản xạ ở bước sóng 10,6µm tăng cao
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.
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.
Hình 8.11 Các dạng hàn nối , chồng , giao
Đầu hàn có hỗ trợ bột kim loại
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
Hướng nghiên cứu 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.
Hàn xuyên sâu
Thiết bị hàn vật liệu phi kim
