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

nh phần hoá học ... 
- Với độ nhấp nhô tăng từ Rz = 34 ---> 120 àm thì hệ số hấp thụ tăng lên 
 Thép không gỉ : 1,2 - 1,5 lần 
 Sắt kỹ thuật : 2,5 - 2,8 lần 
- Bề mặt có sơn phủ vật liệu hấp thụ đặc biệt hay bột kim loại thì hệ số hấp thụ cũng 
tăng từ : 2,0 - 2,5 lần. 
 Mức độ phản xạ của nguồn nhiệt laser từ bề mặt vật rắn khi gia công đ−ợc xác 
định bằng hệ số phản xạ. 
 Hệ số phản xạ phụ thuộc : 
 + Loại vật liệu; 
 + Chiều dài b−ớc sóng bức xạ của laser; 
Bảng 4-3 Hệ số phản xạ của một số chất hoạt tính [6] 
Vật liệu λ (àkm) Au Cr Ag Ni 
Ar 0,488 0,415 0,437 0,952 0,579 
Rubin 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676 
YAR-Nd 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741 
CO2 10,60 0,975 0,984 0,989 0,942 
 Giá trị nhiệt tới hạn của một số chất mà không xảy ra sự phá huỷ bề mặt : 
 Bảng 4-4 [6] 
Vật liệu Ag Al Au Cr Cu Fe Mg Ferit 
 51
E * 
KW/cm2
6400 2400 3500 220 2600 300 970 40 
Q 1
Q PXKKQ PX
QrQTS
1 
2 3 
5 
4 
 Hình 4-12 Sơ đồ phân bố năng l−ợng khi gia công kim loại 
1 - Chùm tia laser; 2 - Vật liệu kim loại; 
3 - Vùng bị chùm tia tác động và tạo nên lỗ; 
4 - Kim loại nóng chảy; 
5 - Chùm tia PLASMA phản xạ khi gia công; 
Ql - năng l−ợng chùm tia LASER; 
Qpx - Năng l−ợng phản xạ; 
Qpxkk - Năng l−ợng phản xạ vào không khí; 
Qbt - Năng l−ợng mất mát do kim loại bắn toé; 
Qts - Năng l−ợng truyền vào sâu kim loại; 
Qr - Năng l−ợng tiêu tốn trên bề mặt rãnh sâu trong kim loại; 
 Nếu mật độ nhiệt v−ợt quá giá trị tới hạn thì vật liệu sẽ xảy ra quá trình phá 
huỷ bề mặt. 
 52
 Khái niệm phá huỷ bề mặt là khái niệm để hiểu có tính t−ơng đối. Bởi vì mọi 
tác dụng của nguồn nhiệt lên kim loại sẽ gây các quá trình vật lý, liên quan với quá 
trình khuyếch tán , hay sự kết hợp làm cho cấu trúc bị biến đổi. 
 Phá huỷ kim loại với sự di chuyển một phần thể tích kim loại do sự bốc hơi . 
 Phá huỷ bề mặt kim loại vùng cắt để có thể tạo nên những vết lõm, lỗ do pha 
kim loại nóng chảy bị chèn đảy d−ới áp lực của hơi kim loại hay các tác dụng khác. 
Đối với kim loại dòn , d−ới các tác dụng trên có thể tạo nên những vết nứt (P 242 -G ) 
 Mô hình các quá trình hình thành các vết lõm hay tạo lỗ có thể thể hiện nh− 
sau : 
Theo Lý thuyết phá huỷ nhiệt 
 Các nghiên cứu về sự phá huỷ kim loại đ−ợc đề cập đối với khoảng mật độ 
nhiệt 106 - 109 W/cm2 . 
 Theo các lý thuyết về phá huỷ bề mặt kim loại và di chuyển các lớp kim loại 
đều do sự bay hơi bề mặt. 
 Vận tốc lớp bay hơi [8] : 
)2,2.(
*
m
KTL
q
V
B
o
+
=
ρ
 LB - Nhiệt hoá hơi 
Ro - Hằng số phân tử khí R = 8,3145 J/
oK (trang 25) 
Qo - Mật độ nhiệt chùm tia bức xạ 
K - Hằng số Bosman K = 1,380658 . 10 -23 J/(mol.oK 
Lý thuyết khí động học bay hơi [8] 
 Theo lý thuyết này thì quá trình phá huỷ vật liệu xảy ra nhờ hệ thống các 
ph−ơng trình khí động học đối với mật độ dòng v−ợt quá giá trị tới hạn bốc hơi. ( Mật 
độ nguồn nhiệt phải lớn hơn qo >= 10
6 w/cm2 . 
Thuyết bay hơi khối [8] 
 53
 Sơ đồ phụ thuộc thời gian tồn tại mầm bọt khí trong kim loại lỏng và mật độ 
nguồn nhiệt : 
10-4
τ, s 
(giây) 
10-5
10-6
106 107 108. q, W/cm2 
Hình : 4-13 Sự phụ thuộc thời gian mầm bọt khí trong kim loại lỏng [8] 
3
2
1
6,0 6,5 7,0 lgq w/cm2. 
R(q)
à m
00 
0 
1
5
 0
 54
Hình 4-14 Sự phụ thuộc giữa bán kính mầm bọt khí và mật độ nhiệt 
khi gia công Cu) [8] 
 1 - ∆T = 1 oC 2 - ∆T = 0,5 oC 3 - ∆T = 0,2 oC 
 Tăng mật độ công suất nhiệt và làm giảm thời gian xung làm giảm lớp kim 
loại lỏng có thể đạt trạng thái bốc hơi. 
 Trên đồ thị trên có thể thấy mật độ nhiệt vào khoảng 108 w/cm2 .và thời gian sẽ 
vào khoảng 10-7 sec. 
 Tăng nhiệt độ quá nhiệt lớp kim loại lỏng sẽ làm tăng không chỉ sự phát triển 
mầm bọt khí và có thể làm bắn toé lớp chất lỏng một cách mảnh liệt mà còn làm tăng 
những xung áp lực ứng với các pik của các xung bức xạ. 
Với qo ≈ 106 w/cm2 
 thì δ ≈ 10-2 - 10-3 cm (δ - chiều dày lớp chất lỏng) 
 Với sự bốc hơi nhanh có thể làm cho nhiệt độ bề mặt giảm xuống một cách đột 
biến, dẫn đến áp lực phản lực cũng giảm mạnh , tạo điều kiện cho một vài vị trí nào 
đó có nhiệt độ cao xuyên sâu vào kim loại và tạo nên sự bùng nổ kim loại do nhiệt. 
Lớp kim loại sẽ bị tống ra mãnh liệt khi nhiệt độ đạt giá trị tới hạn. 
 Phá huỷ bề mặt ở đây có thể hiểu : là giá trị nguồn nhiệt để nhiệt độ bề mặt 
kim loại đã đạt đến giá trị Tonc hay T
o
bh sôi ( để bốc hơi ) ở áp suất bình th−ờng. 
 Để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc ta cố thể tính theo mô hình nung nóng vật 
bán vô cùng với nguồn nhiệt có c−ờng độ không đổi. 
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc theo [6] là : 
2/1
)1(
).(
..885,0
i
nc
c
a
T
q τ
λ= 
Thời gian để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc là : 
 55
aq
T
o
nc
m
.
.79,0
2
22 λτ = 
 Bảng 4-5 giá trị mật độ nhiệt tới hạn của một số chất q (1 ) [8] 
Tên kim loại λ a Tnc τi qc(1)
Đơn vị w/(cm.oc) cm2/s oC s w/cm2
Cu 3,89 1,12 1083 10-3 
10-8
1,1.104 
3,5.107
Thép 0,51 0,15 1535 10-3 
10-8
3,5.103 
1,8.105
Ni 0,67 0,18 1453 10-3 
10-8
6,5.103 
2,0.105
Ti 0,15 0,06 1800 10-3 
10-8
3,0.104 
1,0.105
W 
1,69 0,65 3380 10-3 
10-8
2,0.104 
6,2.105
Mo 
1,41 0,55 2600 10-3 
10-8
1,3.103 
4,4.105
Cr 0,70 0,22 1830 10-3 
10-8
7,7.103 
2,7.105
Al 2,09 0,87 660 10-3 
10-8
4,2.103 
1,3.105
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ sôi TB theo [8] là : 
2/1
)2(
).(
.885,0
i
B
c
a
T
q τ
λ= 
 TB - Nhiệt độ sôi τi - Thời gian một xung; 
 qc
(2) - mật độ công suất nhiệt tới hạn để đạt nhiệt độ sôi ; 
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ bay hơi TBH theo [6] là : 
 qc
(3) = ρ.L. (a/τi)1/2 
 56
 Bảng 4-6 Mật độ nhiệt tới hạn q(3) [8], 
Tên kim loại ρ.L a τi qc(3)
Đơn vị KJ/cm3 cm2/s S w/cm2
Cu 42,88 1,12 10-3 
10-8
1,4.106 
4,6.108
Thép 54,76 0,15 10-3 
10-8
6,7.105 
2,1.108
Ni 55,3 0,18 10-3 
10-8
7,5.105 
2,4.108
Ti 
44,27 0,06 10-3 
10-8
3,4.105 
1,1.108
W 
95,43 0,65 10-3 
10-8
2,4.106 
7,7.108
Mo 69,05 0,55 10-3 
10-8
1,6.106 
5,1.108
Cr 54,17 0,22 10-3 
10-8
8,4.105 
2,5.108
Al 
28,09 0,87 10-3 
10-8
8,6.105 
2,7.108
 Mật độ nhiệt qc
(3) càng cao thì L và a càng cao và thời gian xung càng nhỏ. 
 Đối với phần lớn kim loại thoả mản bất đẳng thức : 
 qc
(1) < qc
(2) < qc
(3) hay (qc
(nc) < qc
(sôi) < qc
(bay hơi) 
 Trong công nghiệp các thiết bị laser để gia công cắt hay khoan khoét lỗ : chân 
kính đồng hồ, khuôn kéo từ kim c−ơng, hay các kim loại cứng và đòi hỏi độ chính 
xác gia công. 
 Đối với vật liệu phi kim loại : 
 Với mật độ nhiệt q > qc
(2) thì vật liệu sẽ nóng chảy hoặc bay hơi. 
 Khi gia công, nhiệt độ trên bề mặt T* phải thoả mản : 
 57
 T* > Tnc ; T* > Tsôi . 
 Khi gia công một phần kim loại lỏng sẽ 
bị đảy khỏi vệt nung nóng chảy d−ới áp lực hơi trong vùng gia công. Một phần lớn 
vẫn bám lại thành lỗ và kết tinh trên thành và d−ới đáy sau tác dụng của xung. Điều 
này xảy ra do mật độ nhiệt bị phân tán khi chùm tia đi sâu vào trong kim loại. Kết 
quả làm giảm tốc độ bay hơi. 
4.7.2 Sơ đồ quá trình hình thành lỗ khi gia công 
Sau khi chùm tia thôi tác dụng
Khi có chùm tia tác dụng 
a/ b/ c/ d/ 
 58
d/ 
a/ b/ 
c/
Kkhi chựm tiađang tỏc dụng 
d/
 Sau khi thụi tỏc dụng của chựm tia 
Hình 4-15 Sơ đồ hình thành lỗ khi gia công [5], [8] 
a/ Khi qo < q min Thì chỉ làm nóng chảy bề mặt kim loại. Đây là quá trình không có 
ảnh h−ởng lớn đến quá trình gia công lỗ hay cắt. 
Khi qo >= q min . Bắt đầu quá trình bay hơi. D−ới áp lực hơi bề mặt kim loại lỏng bắt 
đầu võng xuống . Mật độ nguồn nhiệt càng lớn thì vết lõm càng tăng , sự bay hơi tăng 
mạnh, tạo nên áp lực lớn để chèn , ép kim loại ra khỏi vùng tác dụng thẳng h−ớng của 
chùm tia. Chuyển động của lớp kim loại lỏng này xảy ra một cách từ từ. 
 b/ Kim loại lỏng còn liên kết với nhau do sức căng bề mặt. 
Khi tăng mật độ thì dòng kim loại lỏng bắt đầu chảy rối. một phần giọt kim loại lỏng 
sẽ bị tách ra khỏi liên kết trên, chuyển động theo dọc thành lỗ kim loại và kết quả là 
tạo nên khoảng trống trong kim loại. 
 c/ Với mật độ khoảng 106 - 107 w/cm2 kim loại lỏng không đảy ra hết nên cuối 
cùng vẫn bị kết tinh lại một lớp trên bề mặt. Thời gian một xung ở đây là `10-3 sec với 
chiều dầy kim loại gia công là 0,3 mm. 
 d/ Khi mật độ nhiệt tăng cao q ≈ 5.107 w/cm2, tốc độ dòng kim loại lỏng chảy 
rối tăng lên mãnh liệt và hình thành các tia kim loại lỏng bắn ra ngoài và hình thành lỗ 
hình . 
 Kết quả nghiên cứu cho thấy : 
 S = 0,3 mm τ = 10-5 sec rf = 180 - 200 àm 
 Bán kính tiêu điểm của chùm tia 
 thì d = 10-3 cm ( d - Đ−ờng kính lỗ gia công) 
Nếu tính thời gian bốc hơi theo thuyết lớp đẳng h−ớng dừng thì : 
 S = 0,3 mm τo = h/vo δ - Chiều dày tấm kim loại; 
 vo - Tốc độ phá huỷ vật liệu; cm/sec 
 59
B
o
o L
q
V
.ρ= 
 h = 0,3 mm vo = 10
2 cm/sec 
 qo = 10
6 - 107 w/cm2. Thì : τo = 3.10-4 sec 
 Vì không tính đến điều kiện ảnh h−ởng thực nên khi phá huỷ kim loại thời gian 
thực tế sẽ ít hơn so với tính toán. 
 Từ điều kiện cân bằng giọt kim loại lỏng trong rãnh để tạo nên lỗ ta có bán 
kính lỗ sẽ là : 
 R = - 
3
4
9
16
32p
g
p
pg gρ
σ
ρ+ + . (cm) 
P - áp lực do phản lực của hơi của kim loại gây ra ( KG/cm2) ; 
Với ρ = 10 gam/ cm3; 
Sức căng bề mặt σ = 1.103 Din/cm2 
(1Din = 10-5 Niutơn) 
Thì R = 10-3 cm 
4.7.3 Sơ đồ hình thành mép cắt 
1 2 3
4
5
 60
Hình 4-16 Sơ đồ hình thành và dịch chuyển mép cắt [13] 
4.8 Chế độ cắt một số vật liệu 
Bảng 4-7 Chế độ cắt vật liệu phi kim loại bằng laser - CO2 [6] 
Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt
mm 
Công suất
W 
Vận tốc 
mm/s 
1 Cao su 2.0 100 31.7 
2 Kác tôn 19.4 200 1.6 
3 Nilon 0.76 200 101.6 
4 Da 3.2 200 10.5 
5 Thạch anh 32 500 12.3 
6 Acbo-miăng 10 500 0.83 
7 Sợi 0.45 500 666.6 
8 Vải thuỷ tinh 5.0 800 12.5 
9 Pha nhe ra 6.4 850 90.1 
10 Ke ra mic 65 850 10.0 
11 Plek xi lác 10 900 58.3 
12 Sợi thuỷ tinh 8 2500 16.6 
1- Chùm tia laser 
2- Khí cắt 
3- Vật cắt 
4- Kim loại nóng chảy
5- Xỷ cắt 
 61
13 Thuỷ tinh 32 5000 76.1 
 62