Giáo trình Công nghệ laser - Chương 4: Cơ sở lý thuyết cắt bằng laser

Ch−¬ng 4

c¬ së Lý thuyÕt C¾t b»ng Laser

4.1 S¬ l−îc vÒ qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser

Y t−ëng vÒ sö dông nguån n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ®Ó c¾t kim lo¹i xuÊt hiÖn ngay

khi dïng tia s¸ng mÆt trêi ®Ó nhen löa hay ®èt giÊy. Tõ ®ã nghiªn cøu c¸c thiÕt bÞ

laser nh− bÞ cuèn hót bëi sù hÊp dÉn cña nã. HiÖn nay c¾t b»ng laser ®· trë thµnh

th«ng dông ë mét sè n−íc. ¥ NhËt gÇn 80 % nguån laser sö dông cho c¾t c¸c lo¹i

vËt liÖu trong c«ng nghiÖp.

Trong thùc tÕ cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p c¾t nh− : c¾t b»ng c¬ khÝ, c¾t b»ng siªu

©m, c¾t b»ng hå quang plasma, c¾t b»ng tia n−íc ¸p suÊt cao, ...

Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ng−êi ta ®· b¾t ®Çu sö dông laser ®Ó c¾t tÊt c¶ c¸c

vËt liÖu víi bÊt kú ®é cøng nµo.

4.1.1 - LÞch sö ph¸t triÓn c¸c giai ®o¹n cña c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t .

CC

Cat

1

2

3

4

N¨m

1 - N−íc

2 - laser

3 - Plasma 4 - Oxy_axªtylen

H×nh 4.1 LÞch sö ph¸t triÓn c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t [12],

A - Nh÷ng ph¸t minh ra c¬ së nguyªn lý gia c«ng;

B - Ph¸c th¶o c«ng nghÖ;

C - Khuynh h−íng c«ng nghÖ cña nh÷ng m¸y ®Çu tiªn trong c«ng nghiÖp;

D - Qu¸ tr×nh øng dông vµ ph¸t triÓn trong c«ng nghiÖp;

E - Giai ®o¹n tèi −u ho¸ qu¸ tr×nh ;

F - Giai ®o¹n chÝnh muåi cho t−¬ng lai trong c«ng nghiÖp

4.1.2 B¶ng so s¸nh c¸c ®Æc tÝnh cña c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t vµ ph¹m vi øng dông

(xem b¶ng 4-1)

39

B¶ng 4-1

§Æc tÝnh vµ

C¾t b»ng

C¾t b»ng Plasma

C¾t b»ng

tia laser

ph¹m vi øng dông

Oxy C₂H₂

VËt liÖu cho qu¸ ThÐp vµ thÐp hîp kim , hîp TÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu TÊt c¶c c¸c lo¹i vËt

tr×nh c¾t

kim cã tõ tinbhs vµ kh«ng dÉn ®iÖn

tõ tÝnh.

liÖu kim lo¹i vµ phi

kim lo¹i (KL, v¶i,

platic,...)

ChiÒu dµy c¾t

3 - 300 mm

30 - 40 mm ( cã thÓ ®¹t 0,6 - 8 mm

(cho ®ªn 2 000 mm )

5 - 600 mm

150 - 200mm)

cã thÓ ®¹t 15 mm

1 - 6 mm

ChiÒu dµy tèi −u

- 0,4 - 30 ThÐp th−ßng

- 0,4 – 15,0 ( thÐp inãc

0,4 – 20,0 HK nh«m

30 - 150 mm cho thÐp

khi c¾t kim lo¹i

ChiÒu dµy cã thÓ 3 - 5 mm vµ

<= 10 mm

c¾t (kim lo¹i)

Tèc ®é cm/ph

600 - 2000 mm

100cm/ph S= 3mm

20 cm/ph S = 300

2000 cm/ph

Gièng Plasma nhøng

tèc ®é t¨ng h¬n khi

chiÒu dµy t¨ng

Møc ®é biÕn d¹ng Lín

Võa

Ýt

§é chÝnh x¸c

1 - 2 mm

1 mm

0,1 - 0,2 mm

ChiÒu réng r·nh 2 - 6 mm

c¾t

1 - ( 2 - 6 mm)C¸c mÐp R·nh c¾t rÊt m¶nh c¬

c¾t kh¸ song song phÇn m−êi mm

ChÊt l−îng mÐp c¾t Kh¸ tèt

C¸c mÐp c¾t kh¸ song RÊt tèt

song

Møc ®é « nhiÓm

CO₂rÊt nguy hiÓm

vµ c¸c lo¹i khÝ th¶i kh¸c

- Hå quang hµn

-Cã thÓ cã h¬i kim

- KhÝ th¶i, oxit, N₂,

lo¹i - H¬i Cl khi c¾t

platic

C«ng suÊt cÇn thiÕt Phô thuéc lo¹i khÝ

30 - 100 KW

1,5 - 2,0 KW

NhiÖt ®é

3170 ^oC O2+C₂H₂

15000-20000 ^oC

MËt ®é nhiÖt rÊt cao

2840 O₂+C₃H₈

40

4.2 - Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser

Laser

Laser liªn tôc

Laser xung

Laser ®¬n xung

Laser ®a xung

§ét læ nhá

Khoan

C¾t

§ét læ

Theo quû ®¹o

bÊt kú víi biªn

®é lín

Theo quû ®¹o

bÊt kú víi biªn

®é nhá

Cè ®Þnh

Di ®éng

VËt c¾t / Chïm tia

H×nh 4..2 S¬ ®å ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser [13]

41

4.3 S¬ ®å nguyªn lý c¾t b»ng chïm tia laser

1

2

3

1- M¸y ph¸t laser

2- Chïm tia laser

3- G−¬ng ph¼ng nghiªng

4- ThÊu kÝnh héi tô

4

d

h

a/

3

2

1

4

H×nh 4 .3 S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn hh−íng chïm tia laser khi c¾t

d - ®−êng kÝnh chïm tia;

42

H×nh 4.4 S¬ ®å qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser CNC [13] P 72

1 - Nguån laser;

3 - N−íc lµm m¸t

5 - G−¬ng dÉn h−íng;

7 - KhÝ c¾t

2 - ThiÕt bÞ b¾n chïm tia laser;

4 - May ®o nhiÖt l−îng;

6 - ThÊu kÝnh héi tô

8 - §Çu c¾t;

9 - VËt c¾t;

10- Bµn ®iÒu khiÓn (X,Y); 11- M« t¬

12- M¸y ®iÒu khiÓn CNC

H×nh 4.5 H×nh d¸ng bªn ngoµi cña 1 m¸y c¾t b»ng laser

43

§Çu c¾t

H×nh 4.6 H×nh d¸ng bªn ngoµi cña 1 m¸y c¾t b»ng laser CNC cña h¶ng

HACO

44

H×nh 4.7 C¸c s¶n phÈm c¾t trªn m¸y c¾t b»ng laser CNC cña h¶ng HACO

4.4 §Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser

C¾t b»ng laser cã nhiÒu −u ®iÓm ®èi víi vËt liÖu cã chiÒu dµy nhá. ë NhËt gÇn

80% c¸c phÇn viÖc cña laser lµ c¾t. Cã thÓ c¾t vËt liÖu phi kim lo¹i vµ vËt liÖu kim lo¹i.

¦u ®iÓm cña c¾t b»ng laser :

1. Chïm tia laser cã nguån nhiÖt tËp trung víi mËt ®é nhiÖt cao. V× thÕ nã cã

thÓ c¾t tÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu vµ hîp kim cña nã.

2. R·nh c¾t hÑp; s¾c c¹nh; ®é chÝnh x¸c cao;

3. Cã thÓ c¾t theo ®−êng th¼ng hay ®−êng cong bÊt kú;

4. MÐp c¾t s¹ch ®Ñp, kh«ng cÇn c¸c b−íc gia c«ng phô thªm;

5. Qu¸ tr×nh c¾t x¶y ra nhanh chèng;

6. §©y lµ qu¸ tr×nh c¾t kh«ng tiÕp xóc; nã cã thÓ c¾t theo c¸c h−íng

nhau.

kh¸c

7. Cã thÓ c¾t vËt liÖu cã tõ tÝnh vµ kh«ng tõ tÝnh.

8. Khi c¾t, kh«ng cã c¸c t¸c dông c¬ häc nªn tån t¹i rÊt Ýt ¶nh h−ëng cña biÕn

d¹ng trong qu¸ tr×nh c¾t vµ sau khi c¾t. Vïng ¶nh h−ëng nhiÖt nhá, biÕn

d¹ng nhiÖt Ýt;

9. Cã n¨ng suÊt cao; cã thÓ t¨ng n¨ng suÊt khi sö dông c¸c m¸y cã ®iÒu khiÓn

b»ng ch−¬ng tr×nh NC, CNC.

10.Cã thÓ c¬ khÝ ho¸ vµ tù ®éng ho¸ ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh c¾t; C¾t vËt liÖu phi

kim lo¹i chiÕm tû lÖ kho¶ng 70 % (vÝ dô : nh− c¾t vËt liÖu ceramÝc, kÝnh, vËt

liÖu comp«zit ®Æc biÖt lµ v¶i vµ c¸c lo¹i giÊy) ; phÇn cßn l¹i kho¶ng 30% lµ

c¾t kim lo¹i. Thêi gian gia c«ng b»ng chïm tia laser khi tù ®éng ho¸ cã thÓ

gi¶m tõ 8 giê xuèng cßn 4 phót.

11.Kh«ng g©y ån; ®iÒu kiÖn lao ®éng tèt. Ngoµi ra ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña c«ng

nh©n ®−îc c¶i thiÖn rÊt nhiÒu do l−îng bôi Ýt h¬n so víi c¸c ph−¬ng ph¸p

gia c«ng c¬ khÝ.

45

12.ChiÒu dµy c¾t h¹n chÕ trong kho¶ng 10 - 20 mm (phô thuéc vµo c«ng suÊt

cña nguån laser).

4.5 §Æc tÝnh cña thiÕt bÞ c¾t b»ng laser

• §Æc tÝnh thuéc thiÕt bÞ bao gåm : lo¹i m¸y ph¸t, kÝch th−íc cña m¸y, lo¹i

nguån, d¹ng xung hay liªn tôc, ®é dµi b−íc sãng, ph©n cùc, d¹ng chïm tia,

vÞ trÝ ®Çu c¾t,.

• §Æc tÝnh vÒ dÞch chuyÓn : Tèc ®é dÞch chuyÓn. ®iÒu khiÓn vÞ trÝ tiªu ®iÓm

cña chïm tia;

• §Æc tÝnh cña khÝ c¾t: thµnh phÇn khÝ hæ trî, c¾t cã khÝ nung hay kh«ng,..;

• §Æc tÝnh vËt liÖu : TÝnh truyÒn dÉn nhiÖt, ®Æc tÝnh quang häc (hÊp thô bøc

x¹, kh¶ n¨ng ph¶n x¹...)

4.6 c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser.

§Ó tiÕn hµnh c¾t cã thÓ tiÕn hµnh theo 6 ph−¬ng ph¸p c¾t sau ®©y [7]:

1 - Ph−¬ng ph¸p ®ét biÕn vÒ nhiÖt (N¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng (NLT§) - 1 lÇn)

2 - C¾t b»ng “khoan”

( NLT§ lµ 1 lÇn)

3 - Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y, ®èt ch¸y vµ thæi ;(NLT§ gÊp 10 lÇn)

4 - Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y vµ thæi;

5 - Ph−¬ng ph¸p bay h¬i;

( NLT§ gÊp 20 lÇn)

( NLT§ gÊp 40 lÇn)

6 - "C¾t nguéi " Dïng laser n¨ng l−îng siªu cao ®Ó c¾t.

(NLT§ gÊp 100 lÇn )

4.6.1 Ph−¬ng ph¸p ®ét biÕn vÒ nhiÖt

§©y lµ ph−¬ng ph¸p lîi dông sù tËp trung nhiÖt ®ét ngét t¹i mét ®iÓm rÊt nhá

trªn bÒ mÆt vËt c¾t vµ liªn tôc ph¸t triÎn víi tèc ®é cao (cë m/s), g©y neensuwj gÉy ®ét

biÕn vµ t¹o nªn r·nh c¾t. Ph−¬ng ph¸p nµy th−êng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn.

H×nh 4-8

46

4.6.2 Ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng “khoan”

C¬ së cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ dïng tia laser khoan c¸c læ s©u hoÆc kh«ng s©u,

sau ®ã bÎ gÉy b»ng c¬ häc. Ph−¬ng ph¸p nµy th−êng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn.

H×nh 4-9 S¬ ®å nguyªn lý ph−¬ng ph¸p khoan c¾t b»ng laser

4.6.3 Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y, ®èt ch¸y vµ thæi

Lµm cho vËt liÖu nãng ch¶y, ch¸y sau ®ã thæi c¸c s¶n phÈm ch¸y ®i ,t¹o nªn

r·nh c¾t. Trong qu¸ tr×nh nãng ch¶y ®ång thêi x¶y ra ph¶n øng ch¸y cung cÊp nhiÖt bæ

sung nªn n¨ng l−¬ng t−¬ng ®−¬ng t¨ng lªn rÊt nhiÒu (10 lÇn) so víi khoan c¾t

4.6.4 Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y vµ thæi

Nung nãng ch¶y vïng bÞ c¾t vµ dïng khÝ ¸p suÊt cao thæi chung ra khái vïng

c¾t vµ t¹o nªn r·nh c¾t.

4.6.5 Ph−¬ng ph¸p bay h¬i.

Sö dông nguån nhiÖt cao, tËp trung lµm cho vËt liÖu bay h¬i t¹o nªn r·nh c¾t

H×nh 4 - 10 C¾t b»ng ph−¬ng ph¸p bay h¬i

4.6.6 Ph−¬ng ph¸p “ c¾t nguéi “.

Dïng laser cã d·i tÇn sè vïng cùc tÝm cã n¨ng l−îng siªu cao ®Ó c¾t. Ph−¬ng

ph¸p nµy dïng ®Ó c¾t vËt liÖu platic, vi phÈu thuËt. ChÊt l−îng mÐp c¾t rÊt cao.

hν - n¨ng l−îng cao

47

H×nh 4-11 C¾t b»ng n¨ng l−îng tËp trung cao

4.7 C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra khi c¾t vËt liÖu

4.7.1 Sù ph©n bè vµ truyÒn nhiÖt khi gia c«ng c¾t

NhiÖm vô nghiªn cøu chÝnh khi kim lo¹i chÞu t¸c dông cña nguån bøc x¹ : *

Nghiªn cøu kh«ng gian vµ thêi gian c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn nhiÖt.

* Bµi to¸n truyÒn dÉn nhiÖt.

* C¸c bµi to¸n vÒ ®iÒu kiÖn biªn;

§Æc tr−ng cho sù bøc x¹ cña laser lµ ®é ®¬n s¾c vµ ®−îc ®Æc tr−ng bëi tû sè:

∆λ ∆ω

µ =

=

λ

ω

o

∆λ - ChiÒu réng v¹ch quang phæ;

ω - TÇn sè trung b×nh ;

λ - B−íc sãng;

µ - Møc ®é ®¬n s¾c;

B¸n kÝnh vÖt nung trªn bÒ mÆt kim lo¹i gia c«ng ®−îc tÝnh :

r_f= θ.F

θ - gãc ph©n kú ( gãc loe) D - ®−êng kÝnh chïm tia bøc x¹;

F - Tiªu cù cña thÊu kÝnh.

nÕu D/F = 0,3

θ

= θ _0,5

.

r_f

= θ.F

= 1,22

r_f= θ.F

=

0,3 (µm).

Vµ c«ng suÊt bøc x¹ lµ 10⁶(W) th× mËt ®é nhiÖt ë t©m vÖt nung lµ 10¹³W/cm².

Ghi chó :

Thêi gian mét xung kho¶ng

MËt ®é nguån nhiÖt

10^-9gi©y

10⁸- 10⁹w/cm².

Sù ph©n bè mËt ®é c−êng ®é nhiÖt trªn mÆt ph¼ng tiªu cù cña thÊu kÝnh lµ :

2.I .B

2

1 r

q(r) = q [

]

o

2

B

r

I₁(u) - hµm B.exelia víi B = (π.D)/ λF, C−êng ®é bøc x¹ nhiÖt ë t©m (r = 0 ) sÏ lµ :

48

2

(π.D)

q =

.P

P_o- lµ c«ng suÊt bøc x¹

o

2

4.(λ.F)

N¨ng l−îng bøc x¹ trong chÊt r¾n vµ chÊt láng ë chÕ ®é tæng hîp tù do <= 10³Jun .

N¨ng l−îng bøc x¹ cña laser xung cã thÓ ®¹t tõ vµi tr¨m KW (ë chÕ ®é tËp hîp tù do )

cho ®Õn hµng triÖu kw t¹i c¸c “pic” trung b×nh vµ n¨ng l−îng c¸c “pic” riªng rÎ.

Sù truyÒn nhiÖt cho vËt liÖu gia c«ng.

Nguån nhiÖt bøc x¹ t¸c dông lªn bÒ mÆt gia c«ng, mét phÇn bÞ ph¶n x¹, mét

phÇn ®i s©u vµo trong vËt liÖu vµ bÞ chóng hÊp thô. Trong kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh

sÏ x¶y ra qu¸ tr×nh ph©n bè nhiÖt .

Quy luËt ph©n bè trong thÓ tÝch kim lo¹i ®ã thùc tÕ cã thÓ biÓu diÓn b»ng ®Þnh

luËt BUGER [8]:

α

q_v(z) = q_vo( 1-R)e ^{- z}.

q_v(z) - MËt ®é c«ng suÊt khèi cña bøc x¹ ë kho¶ng c¸ch z

q_vo- MËt ®é c«ng suÊt khèi cña bøc x¹ trªn bÒ mÆt;

(1- R) - Kh¶ n¨ng hÊp thô; R - hÖ sè ph¶n x¹ chïm tia;

W/cm³.

α

- HÖ sè hÊp thô ¸nh s¸ng (1/cm);

Qu¸ tr×nh hÊp thô ¸nh s¸ng vµ truyÒn nhiÖt bøc x¹ trong c¸c vËt liÖu kh¸c nhau

( kim lo¹i , b¸n d©n, chÊt c¸ch ®iÖn) sÏ kh¸c nhau.

Qu¸ tr×nh hÊp thô c¸c kvan( photon) ¸nh s¸ng x¶y ra khi hÊp thô hay ph¸t

photon hay do sù va ch¹m gi÷a chóng.

HÊp thô ¸nh s¸ng sÏ lµm t¨ng n¨ng l−îng c¸c ®iÖn tö. Mét phÇn n¨ng l−îng

cña electron sÏ truyÒn cho m¹ng . Tuy thÕ n¨ng l−îng nµy kh«ng ®¸ng kÓ v× c¸c

m¹ng Ýt h¬n rÊt nhiÒu so víi sè l−îng lín c¸c ion vµ ®iÖn tö.

Qu¸ tr×nh hÊp thô nhiÖt cña kim lo¹i tõ vïng vÖt nung ®Õn vïng kim lo¹i bªn

trong x¶y ra do truyÒn nhiÖt bëi ®iÖn tö, photon, vµ bøc x¹.

Trong vïng gia c«ng, nhiÖt ®é lªn ®Õn vµi ngh×n ®é - ®ã lµ truyÒn dÉn nhiÖt

®iÖn tö.

49

TruyÒn nhiÖt - phonton x¶y ra ë vïng nhiÖt ®é thÊp; vai trß cña nã rÊt nhá so

víi truyÒn nhiÖt ®iÖn tö.

TruyÒn nhiÖt b»ng bøc x¹ chiÕm vai trß quan träng khi

o

T^o>= 10⁴K

C¬ së cña qu¸ tr×nh gia c«ng laser lµ kh¶ n¨ng bøc x¹ cña laser ®Ó t¹o nªn trªn

mét bÒ mÆt nhá cã mËt ®é nguån nhiÖt rÊt cao ®ñ ®Ó nung nãng kim lo¹i, hay lµm

nãng ch¶y hay bay h¬i bÊt kÓ mét lo¹i vËt liÖu nµo.

Nguån nhiÖt laser chiÕu lªn bÒ mÆt kim lo¹i cã :

+ mét phÇn ph¶n x¹ trë l¹i;

+ mét phÇn ®−îc vËt liÖu hÊp thô vµo s©u trong vËt gia c«ng.

PhÇn nhiÖt ®i s©u vµo trong vËt liÖu hÇu nh− bÞ c¸c ®iÖn tö tù do ë líp trªn

cïng cña bÒ mÆt ( ®é s©u kho¶ng 0,1 - 1 µm ) hÊp thô. ChÝnh ®iÒu ®ã lµm t¨ng

nguån n¨ng l−îng cho c¸c ®iÖn tö vµ chóng sÏ bÞ va ch¹m m·nh liÖt h¬n.

Thêi gian ban ®Çu mµ c¸c ®iÖn tö hÊp thô n¨ng l−îng vµ lµm t¨ng c¸c va ch¹m

chiÕm kho¶ng 10^-11gi©y.

PhÇn lín nguån nhiÖt laser truyÒn vµo s©u trong kim lo¹i b»ng sù truyÒn nhiÖt

electr«n ( truyÒn nhiÖt ®iÖn tö )

Sù truyÒn nhiÖt bøc x¹ lªn vËt liÖu gia c«ng

Kh¶ n¨ng hÊp thô n¨ng l−îng ®−îc thÓ hiÖn b»ng c«ng thøc [8]

A =112,2(σ₀⁻¹)^{1/ 2}

A = 1 - R

σ_o- §iÖn trë suÊt cña kim lo¹i cho dßng 1 chiÒu (¤m/m);

R - hÖ sè ph¶n x¹ cña vËt liÖu;

HÖ sè hÊp thô A cña mét sè vËt liÖu khi b−íc sèng λ = 10,6 (µkm)

B¶ng 4-2 [8]

VËt liÖu

BÒ mÆt ®· ®¸nh bãng

BÒ mÆt bÞ «xy ho¸

A=

( ë T = 873^oK, t = 2 giê ) A=

Au

0,010

-

50

Al

0,034

0,050

0,083

0,094

0,25 - 0,50

0,33 - 0,74

0,45 - 0,56

0,18 - 0,25

Fe

Zr

Ti

NhËn xÐt :

* Møc ®é hÊp thô thay ®æi khi bÒ mÆt cã gia c«ng tÈm thùc hoÆc cã sù thay ®æi vÒ

thµnh phÇn ho¸ häc ...

- Víi ®é nhÊp nh« t¨ng tõ Rz = 34 ---> 120 µm th× hÖ sè hÊp thô t¨ng lªn

ThÐp kh«ng gØ

S¾t kü thuËt

: 1,2 - 1,5 lÇn

: 2,5 - 2,8 lÇn

- BÒ mÆt cã s¬n phñ vËt liÖu hÊp thô ®Æc biÖt hay bét kim lo¹i th× hÖ sè hÊp thô còng

t¨ng tõ

: 2,0 - 2,5 lÇn.

Møc ®é ph¶n x¹ cña nguån nhiÖt laser tõ bÒ mÆt vËt r¾n khi gia c«ng ®−îc x¸c

®Þnh b»ng hÖ sè ph¶n x¹.

HÖ sè ph¶n x¹ phô thuéc :

+ Lo¹i vËt liÖu;

+ ChiÒu dµi b−íc sãng bøc x¹ cña laser;

B¶ng 4-3 HÖ sè ph¶n x¹ cña mét sè chÊt ho¹t tÝnh [6]

VËt liÖu

Au

Cr

Ag

Ni

λ (µkm)

0,488

0,694

1,064

10,60

Ar

0,415

0,930

0,981

0,975

0,437

0,831

0,901

0,984

0,952

0,961

0,964

0,989

0,579

0,676

0,741

0,942

Rubin

YAR-Nd

CO₂

Gi¸ trÞ nhiÖt tíi h¹n cña mét sè chÊt mµ kh«ng x¶y ra sù ph¸ huû bÒ mÆt :

B¶ng 4-4 [6]

VËt liÖu Ag

Al

Au

Cr

Cu

Fe

Mg

Ferit

51

E *

6400 2400 3500 220

2600

300

970

40

KW/cm²

Q ₁

1

5

Q _PX

Q _PXKK

2

3

4

Q

r

TS

H×nh 4-12 S¬ ®å ph©n bè n¨ng l−îng khi gia c«ng kim lo¹i

1 - Chïm tia laser; 2 - VËt liÖu kim lo¹i;

3 - Vïng bÞ chïm tia t¸c ®éng vµ t¹o nªn lç;

4 - Kim lo¹i nãng ch¶y;

5 - Chïm tia PLASMA ph¶n x¹ khi gia c«ng;

- n¨ng l−îng chïm tia LASER;

Q_l

Q_px- N¨ng l−îng ph¶n x¹;

Q_pxkk- N¨ng l−îng ph¶n x¹ vµo kh«ng khÝ;

Q_bt- N¨ng l−îng mÊt m¸t do kim lo¹i b¾n toÐ;

Q_ts

Q_r

- N¨ng l−îng truyÒn vµo s©u kim lo¹i;

- N¨ng l−îng tiªu tèn trªn bÒ mÆt r·nh s©u trong kim lo¹i;

NÕu mËt ®é nhiÖt v−ît qu¸ gi¸ trÞ tíi h¹n th× vËt liÖu sÏ x¶y ra qu¸ tr×nh ph¸

huû bÒ mÆt.

52

Kh¸i niÖm ph¸ huû bÒ mÆt lµ kh¸i niÖm ®Ó hiÓu cã tÝnh t−¬ng ®èi. Bëi v× mäi

t¸c dông cña nguån nhiÖt lªn kim lo¹i sÏ g©y c¸c qu¸ tr×nh vËt lý, liªn quan víi qu¸

tr×nh khuyÕch t¸n , hay sù kÕt hîp lµm cho cÊu tróc bÞ biÕn ®æi.

Ph¸ huû kim lo¹i víi sù di chuyÓn mét phÇn thÓ tÝch kim lo¹i do sù bèc h¬i .

Ph¸ huû bÒ mÆt kim lo¹i vïng c¾t ®Ó cã thÓ t¹o nªn nh÷ng vÕt lâm, lç do pha

kim lo¹i nãng ch¶y bÞ chÌn ®¶y d−íi ¸p lùc cña h¬i kim lo¹i hay c¸c t¸c dông kh¸c.

§èi víi kim lo¹i dßn , d−íi c¸c t¸c dông trªn cã thÓ t¹o nªn nh÷ng vÕt nøt ^{(P 242 -G )}

M« h×nh c¸c qu¸ tr×nh h×nh thµnh c¸c vÕt lâm hay t¹o lç cã thÓ thÓ hiÖn nh−

sau :

Theo Lý thuyÕt ph¸ huû nhiÖt

C¸c nghiªn cøu vÒ sù ph¸ huû kim lo¹i ®−îc ®Ò cËp ®èi víi kho¶ng mËt ®é

nhiÖt 10⁶- 10⁹W/cm².

Theo c¸c lý thuyÕt vÒ ph¸ huû bÒ mÆt kim lo¹i vµ di chuyÓn c¸c líp kim lo¹i

®Òu do sù bay h¬i bÒ mÆt.

VËn tèc líp bay h¬i [8] :

q

o

V =

*

KT

m

ρ.(L + 2,2

)

B

L_B- NhiÖt ho¸ h¬i

R_o- H»ng sè ph©n tö khÝ

R = 8,3145 J/^oK

(trang 25)

Qo - MËt ®é nhiÖt chïm tia bøc x¹

K - H»ng sè Bosman

K = 1,380658 . 10 ^-23J/(mol.^oK

Lý thuyÕt khÝ ®éng häc bay h¬i [8]

Theo lý thuyÕt nµy th× qu¸ tr×nh ph¸ huû vËt liÖu x¶y ra nhê hÖ thèng c¸c

ph−¬ng tr×nh khÝ ®éng häc ®èi víi mËt ®é dßng v−ît qu¸ gi¸ trÞ tíi h¹n bèc h¬i. ( MËt

®é nguån nhiÖt ph¶i lín h¬n q_o>= 10⁶w/cm².

ThuyÕt bay h¬i khèi [8]

53

S¬ ®å phô thuéc thêi gian tån t¹i mÇm bät khÝ trong kim lo¹i láng vµ mËt ®é

nguån nhiÖt :

τ, s

(gi©y)

-4

10

-5

10

-6

10

6

7

8

2

10 10

10 . q, W/cm

H×nh : 4-13 Sù phô thuéc thêi gian mÇm bät khÝ trong kim lo¹i láng [8]

R(q)

µ m

1

100

2

3

50

0

6,0 6,5 7,0 lgq w/cm².

54

H×nh 4-14 Sù phô thuéc gi÷a b¸n kÝnh mÇm bät khÝ vµ mËt ®é nhiÖt

khi gia c«ng Cu) [8]

1 - ∆T = 1 ^oC

2 - ∆T = 0,5 ^oC

3 - ∆T = 0,2 ^oC

T¨ng mËt ®é c«ng suÊt nhiÖt vµ lµm gi¶m thêi gian xung lµm gi¶m líp kim

lo¹i láng cã thÓ ®¹t tr¹ng th¸i bèc h¬i.

Trªn ®å thÞ trªn cã thÓ thÊy mËt ®é nhiÖt vµo kho¶ng 10⁸w/cm².vµ thêi gian sÏ

vµo kho¶ng 10^-7sec.

T¨ng nhiÖt ®é qu¸ nhiÖt líp kim lo¹i láng sÏ lµm t¨ng kh«ng chØ sù ph¸t triÓn

mÇm bät khÝ vµ cã thÓ lµm b¾n toÐ líp chÊt láng mét c¸ch m¶nh liÖt mµ cßn lµm t¨ng

nh÷ng xung ¸p lùc øng víi c¸c pik cña c¸c xung bøc x¹.

Víi q_o

th×

≈

δ

10⁶w/cm²

10^-2- 10^-3cm

≈

(δ - chiÒu dµy líp chÊt láng)

Víi sù bèc h¬i nhanh cã thÓ lµm cho nhiÖt ®é bÒ mÆt gi¶m xuèng mét c¸ch ®ét

biÕn, dÉn ®Õn ¸p lùc ph¶n lùc còng gi¶m m¹nh , t¹o ®iÒu kiÖn cho mét vµi vÞ trÝ nµo

Líp kim lo¹i sÏ bÞ tèng ra m·nh liÖt khi nhiÖt ®é ®¹t gi¸ trÞ tíi h¹n.

kim lo¹i ®· ®¹t ®Õn gi¸ trÞ T^o_nchay T^o_bhs«i ( ®Ó bèc h¬i ) ë ¸p suÊt b×nh th−êng.

§Ó ®¹t ®−îc nhiÖt ®é nãng ch¶y T_ncta cè thÓ tÝnh theo m« h×nh nung nãng vËt

b¸n v« cïng víi nguån nhiÖt cã c−êng ®é kh«ng ®æi.

Nguån nhiÖt cÇn ®Ó ®¹t ®−îc nhiÖt ®é nãng ch¶y T_nctheo [6] lµ :

0,885.T .λ

(1)

c

nc

q

=

1/ 2

(a.τ )

i

Thêi gian ®Ó ®¹t ®−îc nhiÖt ®é nãng ch¶y T_nclµ :

55

2 2

0,79.T λ

nc

τ =

m

2

q .a

o

B¶ng 4-5

gi¸ trÞ mËt ®é nhiÖt tíi h¹n cña mét sè chÊt q ^{(1 )}[8]

Tªn kim lo¹i

a

T_nc

q_c⁽¹⁾

λ

τ_i

§¬n vÞ

Cu

w/(cm.^oc)

3,89

cm²/s

1,12

^oC

s

w/cm²

1,1.10⁴

3,5.10⁷

3,5.10³

1,8.10⁵

6,5.10³

2,0.10⁵

3,0.10⁴

1,0.10⁵

2,0.10⁴

6,2.10⁵

1,3.10³

4,4.10⁵

7,7.10³

2,7.10⁵

4,2.10³

1,3.10⁵

1083

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

ThÐp

Ni

0,51

0,67

0,15

1,69

1,41

0,70

2,09

0,15

0,18

0,06

0,65

0,55

0,22

0,87

1535

1453

1800

3380

2600

1830

660

Ti

W

Mo

Cr

Al

Nguån nhiÖt cÇn ®Ó ®¹t ®−îc nhiÖt ®é s«i T_Btheo [8] lµ :

0,885.T λ

(2)

c

B

q

=

1/ 2

(a.τ )

i

T_B- NhiÖt ®é s«i

τ_i- Thêi gian mét xung;

(2)

q_c

- mËt ®é c«ng suÊt nhiÖt tíi h¹n ®Ó ®¹t nhiÖt ®é s«i ;

Nguån nhiÖt cÇn ®Ó ®¹t ®−îc nhiÖt ®é bay h¬i T_BHtheo [6] lµ :

q_c⁽³⁾= ρ.L. (a/τ_i)^1/2

56

B¶ng 4-6

MËt ®é nhiÖt tíi h¹n q⁽³⁾[8],

a

Tªn kim lo¹i

§¬n vÞ

q_c⁽³⁾

ρ.L

τ_i

KJ/cm³

42,88

cm²/s

1,12

S

w/cm²

1,4.10⁶

4,6.10⁸

6,7.10⁵

2,1.10⁸

7,5.10⁵

2,4.10⁸

3,4.10⁵

1,1.10⁸

2,4.10⁶

7,7.10⁸

1,6.10⁶

5,1.10⁸

8,4.10⁵

2,5.10⁸

8,6.10⁵

2,7.10⁸

Cu

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

10^-3

10^-8

ThÐp

Ni

54,76

55,3

0,15

0,18

0,06

0,65

0,55

0,22

0,87

Ti

44,27

95,43

69,05

54,17

28,09

W

Mo

Cr

Al

MËt ®é nhiÖt q_c⁽³⁾cµng cao th× L vµ a cµng cao vµ thêi gian xung cµng nhá.

§èi víi phÇn lín kim lo¹i tho¶ m¶n bÊt ®¼ng thøc :

(1)

(2)

(nc)

(s«i)

(bay h¬i)

q_c

< q_c

< q_c⁽³⁾hay (q_c

< q_c

kÝnh ®ång hå, khu«n kÐo tõ kim c−¬ng, hay c¸c kim lo¹i cøng vµ ®ßi hái ®é chÝnh

x¸c gia c«ng.

§èi víi vËt liÖu phi kim lo¹i :

(2)

Víi mËt ®é nhiÖt q > q_cth× vËt liÖu sÏ nãng ch¶y hoÆc bay h¬i.

Khi gia c«ng, nhiÖt ®é trªn bÒ mÆt T* ph¶i tho¶ m¶n :

57

T* > T_nc; T* > T_s«i.

Khi gia c«ng mét phÇn kim lo¹i láng sÏ

bÞ ®¶y khái vÖt nung nãng ch¶y d−íi ¸p lùc h¬i trong vïng gia c«ng. Mét phÇn lín

vÉn b¸m l¹i thµnh lç vµ kÕt tinh trªn thµnh vµ d−íi ®¸y sau t¸c dông cña xung. §iÒu

qu¶ lµm gi¶m tèc ®é bay h¬i.

4.7.2 S¬ ®å qu¸ tr×nh h×nh thµnh lç khi gia c«ng

Khi cã chïm tia t¸c dông

Sau khi chïm tia th«i t¸c dông

a/

b/

c/

d/

a/

b/

c/

d/

Kkhi chùm tiađang tác dụng

58