Bài này được chép lại từ dd cũ
...........................................
Nhân dịp "thôi nôi" diễn đàn, tôi xin viết bài viết này làm quà kỷ niệm
A. Mở đầu
Laser là từ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. 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 H
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.
B. Thiết bị
Hình dưới đây là nguyên lý máy khoan laser.
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý máy khoan tia laser
Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo bởi 3 phần chính sau:
- Đầu phát laser.
- Bộ phận cung cấp điện và điều khiển.
- Bộ phận gá đặt chi tiết gia công.
Trong đó đầu phát laser bao gồm các thành phần sau:
- Buồng công tác trong đó đặt chất kích thích để tạo ra tia laser.
- Hệ thống tạo trạng thái kích thích.
- Bộ cộng hưởng quang.
- Cơ cấu phóng luồng ánh sáng cộng hưởng ra khỏi bộ cộng hưởng.
- Hệ thống điều khiển sự tập trung năng lượng ánh sáng.
- Các hệ thống đặc biệt khác.
Sau đây là một số thành phần quan trọng.
1. Môi trường hoạt tính.
Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là chất lỏng, chất rắn, khí. Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là:
+ Chất khí: N2, H2, CO2
+ Chất rắn: Tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh, …)
+ Chất lỏng: các dung dịch sơn, chất hữu cơ, vô cơ.
Môi trường hoạt tính của chất khí thường được sử dụng trong laser có công suất lớn, phương pháp kích thích đơn giản.
Đối với laser rắn dạng tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật, dạng tâm, … Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài.
2. Nguồn kích thích.
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.
- 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, thường dùng hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn.
- 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.
3. Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành môi trường khuếch 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 2. Bộ cộng hưởng quang học.
4. Bộ hội tụ tia:
Bộ hội tụ 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.
5. 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.
6. Cơ cấu 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:
- Dùng hệ thống chiếu ảnh:
7. Vòi phun khi cắt:
Khi cắt, người ta cho vào một luồng khí để hỗ trợ tia laser trong quá trình gia công. Khi cắt bằng tia laser, dòng khí tạo một lực cơ học để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng căt gọt và làm lạnh bởi dòng đối lưu. Lớp nóng chảy không được bóc ra một cách hiệu quả có thể dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút.
C. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và chiều sâu lỗ tương đối sâu trên kim loại, ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery và urani, hợp kim các vật liệu phi kim loại... So sánh với khoan tia lửa điện và khoan cơ khí thông thường thì khoan tia lửa điện chỉ khoan được vật liệu dẫn điện, phương pháp khoan cơ khí truyền thống bị hạn chế bởi mòn và gãy dao. Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị côn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế.
HÌnh 4. Hình dạng lỗ khoan.
Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet. Cường độ ánh sáng đã 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 cơ khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 - 5 micromet. Chiều sâu lỗ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian và số lần phát xung.
Có thể khoan được các lỗ nhỏ có đường kính 0,125 - 1,25mm với tỉ số chiều sâu trên đường kính lên đến 100, các lỗ nhỏ đến 5 micromet với tỉ số chiều sâu trên đường kính lên đến 50. Khi khoan các lỗ có đường kính từ 75 micromet trở lên thì chiều sâu lớn nhất lên đến 15mm. Các lỗ không thông khó có thể đạt được chiều sâu chính xác.
Lỗ được khoan bằng tia laser thường bị côn và độ tròn thấp. Thường các lỗ có đường kính lớn 1,25mm ít được khoan bằng laser vì mật độ năng lượng giảm, vì thế cắt bằng tia laser được sử dụng rộng rãi hơn khoan.
Độ bóng bề mặt gia công thường đạt cấp 6 - 9. Độ cứng tế vi lớp bề mặt tương đối cao nhưng chiều sâu lớp cứng nguội tương đối nhỏ. Khi gia công thép độ cứng tế vi đạt 600N/mm2 và chiều sâu lớp cứng nguội 30 micromet.
ME (tổng hợp)
...........................................
Nhân dịp "thôi nôi" diễn đàn, tôi xin viết bài viết này làm quà kỷ niệm
A. Mở đầu
Laser là từ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. 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 H
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.
B. Thiết bị
Hình dưới đây là nguyên lý máy khoan laser.
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý máy khoan tia laser
Máy phát laser để gia công kim loại được cấu tạo bởi 3 phần chính sau:
- Đầu phát laser.
- Bộ phận cung cấp điện và điều khiển.
- Bộ phận gá đặt chi tiết gia công.
Trong đó đầu phát laser bao gồm các thành phần sau:
- Buồng công tác trong đó đặt chất kích thích để tạo ra tia laser.
- Hệ thống tạo trạng thái kích thích.
- Bộ cộng hưởng quang.
- Cơ cấu phóng luồng ánh sáng cộng hưởng ra khỏi bộ cộng hưởng.
- Hệ thống điều khiển sự tập trung năng lượng ánh sáng.
- Các hệ thống đặc biệt khác.
Sau đây là một số thành phần quan trọng.
1. Môi trường hoạt tính.
Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là chất lỏng, chất rắn, khí. Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là:
+ Chất khí: N2, H2, CO2
+ Chất rắn: Tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh, …)
+ Chất lỏng: các dung dịch sơn, chất hữu cơ, vô cơ.
Môi trường hoạt tính của chất khí thường được sử dụng trong laser có công suất lớn, phương pháp kích thích đơn giản.
Đối với laser rắn dạng tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật, dạng tâm, … Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài.
2. Nguồn kích thích.
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.
- 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, thường dùng hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn.
- 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.
3. Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành môi trường khuếch 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 2. Bộ cộng hưởng quang học.
4. Bộ hội tụ tia:
Bộ hội tụ 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.
5. 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.
6. Cơ cấu 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:
- Dùng hệ thống chiếu ảnh:
7. Vòi phun khi cắt:
Khi cắt, người ta cho vào một luồng khí để hỗ trợ tia laser trong quá trình gia công. Khi cắt bằng tia laser, dòng khí tạo một lực cơ học để đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng căt gọt và làm lạnh bởi dòng đối lưu. Lớp nóng chảy không được bóc ra một cách hiệu quả có thể dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút.
C. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
Laser được sử dụng để khoan lỗ nhỏ và chiều sâu lỗ tương đối sâu trên kim loại, ceramic, plastic và composite. Có thể khoan được các vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery và urani, hợp kim các vật liệu phi kim loại... So sánh với khoan tia lửa điện và khoan cơ khí thông thường thì khoan tia lửa điện chỉ khoan được vật liệu dẫn điện, phương pháp khoan cơ khí truyền thống bị hạn chế bởi mòn và gãy dao. Phương pháp khoan bằng tia laser hiệu quả đối với các lỗ nhỏ, có thể tự động hóa dễ dàng, tuy nhiên lỗ bị côn, chiều sâu và đường kính lỗ hạn chế.
HÌnh 4. Hình dạng lỗ khoan.
Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet. Cường độ ánh sáng đã 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 cơ khí, khi đó có thể gia công được các lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 - 5 micromet. Chiều sâu lỗ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thời gian và số lần phát xung.
Có thể khoan được các lỗ nhỏ có đường kính 0,125 - 1,25mm với tỉ số chiều sâu trên đường kính lên đến 100, các lỗ nhỏ đến 5 micromet với tỉ số chiều sâu trên đường kính lên đến 50. Khi khoan các lỗ có đường kính từ 75 micromet trở lên thì chiều sâu lớn nhất lên đến 15mm. Các lỗ không thông khó có thể đạt được chiều sâu chính xác.
Lỗ được khoan bằng tia laser thường bị côn và độ tròn thấp. Thường các lỗ có đường kính lớn 1,25mm ít được khoan bằng laser vì mật độ năng lượng giảm, vì thế cắt bằng tia laser được sử dụng rộng rãi hơn khoan.
Độ bóng bề mặt gia công thường đạt cấp 6 - 9. Độ cứng tế vi lớp bề mặt tương đối cao nhưng chiều sâu lớp cứng nguội tương đối nhỏ. Khi gia công thép độ cứng tế vi đạt 600N/mm2 và chiều sâu lớp cứng nguội 30 micromet.
ME (tổng hợp)