Giáo trình Công nghệ laser - Chương 6: Một số ứng dụng khác của laser

 
Khả năng của một số hợp chất khí tác dụng đến chiều dày cát đ−ợc dẫn ra ở 
bảng 6 -3 
Bảng 6.3 [5] 
Khí thổi Với 
P = Const 
He N2 O2 KhôngK
hí 
Ar CO2 75% Ar 
25% H2
Chiều sâu 
Cắt mm 
23,5 24 22,5 24,5 25,5 22,0 23,0 
Trên bảng 6-4 dẫn ra một số chế độ cắt vật liệu phi kim loại bằng laser 
 71
Bảng 6-4 [5] 
Vật liệu cắt Chiều dày cắt 
(mm) 
Công suất nguồn P 
(w) 
Vận tốc cắt 
(cm/s) 
Thuỷ timh 3,8 300 0,4 
Ke ra mic 6,3 850 1,0 
Gỗ cứng 5,0 850 7,5 
Gỗ mềm 14,0 850 2,5 
Bảng 6-5 [5];[6] 
Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt Công suất Vận tốc mm/s 
1 Cao su 2.0 100 31.7 
2 Kacton 19.4 200 1.6 
3 Nilon 0.8 200 101.6 
4 Da 3.2 200 10.5 
5 Thạch anh 3.2 500 12.3 
6 Ac Ximăng 5.00 500 0.83 
7 Sợi 0.5 500 666.6 
8 Vải thuỷ tinh 5,0 800 12.5 
9 Pha nhe ra 6.4 850 90.1 
10 Ke ra mic 6.5 850 10.0 
11 Plek xi lác 10.0 900 58.3 
12 Sợi thuỷ tinh 8.0 2500 16.6 
13 Thuỷ tinh 3.2 5000 76.1 
Trên bảng 6.6 trình bày một số thông số liên quan đến các loại laser và 
phạm vi ứng dụng cho cắt bằng laser cắt đối với một số vật liệu phi kim loại . 
 72
Bảng 6.6 [5] 
Loại vật liệu Loại laser Phạm vi ứng dụng Ghi chú 
Thuỷ tinh và Ke 
ra mic 
CO2 Công nghiệp kính, thuỷ tinh, 
chân không 
Vật liệu hữu cơ, 
polime 
CO2 Các ngành công nghiệp 
Vải CO2 Nghành dệt may 
Màng kim loại CO2; YAG + Nd 
He + Ne + N2
Cong nghiệp điện tử, Radio, 
các panel 
Gỗ, kácton CO2 Công nghiệp 
hoá chất 
Có sử dụng khí và 
khí trơ để thổi 
6.4 ứng dụng laser trong gia công lỗ. 
6.4.1 Các thông số khi gia công lỗ bằng laser 
Từ những năm 1964 ng−ời ta bắt đầu sử dụng loại laser có nhiều xung ngắn 
để gia công những lỗ sâu. ph−ơng pháp này đ−ợc hình thành dựa trên cơ sở từng 
lớp kim loại bay hơi d−ới tác dụng của nhiệt gia công. Tổng năng l−ợng các xung 
quyết định kích th−ớc của lỗ. Ph−ơng pháp này đang đ−ợc ứng dụng trong các 
ngành chế tạo thiết bị, kỹ thuật radio, hàng không, kỹ thuật điện, dệt, chế tạo 
máy,.. Hiện nay gia công lỗ bằng laser đang đ−ợc ứng dụng để gia công các 
khuôn kéo từ hợp kim cứng : Khuôn kéo thép, khuôn kéo sợi dệt, khoan chân kính 
đồng hồ, ... Sau đây trình bày một số ứng dụng của laser để gia công lỗ 
Tuỳ thuộc vào yêu cầu chính xác ng−ời ta phân ra: 
• Đột lỗ th−ờng (độ chính xác thấp) 
• Đột lỗ chính xác. 
Tuỳ thuộc vào quan hệ giữa chiều sâu h và đ−ờng kính d của lỗ ng−ời ta chia ra 
Đột lỗ không sâu h / d <1 
• Đột lỗ sâu h / d >1: h/d = γtg2
1
. n1/3. [5] 
 73
h/d = 
00.2
.
Lr
wn i
π
Σ
Trong đó : w - năng l−ợng một xung ; L0 - Nhiệt l−ợng bay hơi ; r0 - bán kính 
vùng bị chùm tia tác dụng (mm) ; n - số xung tác dụng lên vùng gia công ; 
 Kích th−ớc tính toán khi gia công lỗ [5] : 
 h = 3 0
0
2
3
0 ...
3)/( γπγ tg
r
Ltg
wtgr −+ 
d = 3
0
3
0 ..
.32
L
tgwr π
γ+ 
Bảng giá trị tính toán h và d một số vật liệu khi tiêu điểm nằm ở bề mặt vật gia 
công nh− sau [5](Veiko trang 50 và [8]: 
Bảng 6-7 [5] 
W Al Thép Mo W Fe rít 
 h d h d h d h D h d 
(J) mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 
0,1 0,58 0,14 0,45 0,11 0,40 0,10 0,38 0,10 0,45 0,11 
0,5 1,10 0,23 0,85 0,18 0,80 0,18 0,70 0,16 0,85 0,18 
1,0 1,37 0,29 1,1 0,24 1,00 0,22 0,90 0,20 1,10 0,24 
2,0 1,75 0,37 1,40 0,30 1,35 0,29 1,20 0,26 1,40 0,30 
5,0 2,4 0,50 1,90 0,40 1,85 0,39 1,65 0,35 1,90 0,40 
Năng 
l−ợng (J) 
Φ <0,3 mm 
S < 1 mm 
Cắt S <0,5 mm
Φ <0,5 mm 
S < 2,0 mm 
Φ <1,0 mm 
S < 3,0 mm 
Cắt : S <2,5 mm 
 Hình 6-2 : Sơ đồ phạm vi ứng dụng của laser cho gia công lỗ [17] 
t - Thời gian
 74
Giá trị một số thông số liên quan quá trình đột lỗ dẫn ra ở bảng 6-8 [5] 
 Bảng 6-8 
Công suất 
xung 
Dmax h max (h/d)max
Số xung 
J Mm mm 
0,1 0,15 0,5 3,3 4 
1,0 0,33 1,5 4,5 6 
10 0,73 5,0 7,0 9 
6.4.2 ứng dụng laser cho gia công khuôn kéo từ kim c−ơng 
Khuôn kéo dùng cho chế tạo các loại cáp điện thoại, các loại sợi thép, dây 
lò xo, các loại dây điện trở,... Ngoài ra ng−ời ta còn sử dụng để chế tạo các loại 
khuôn kéo trong công nghiệp dệt, kéo sợi,... Kích th−ớc các loại khuôn kéo khác 
nhau . Để gia công khuôn có kích th−ớc nhỏ (<1mm) bằng các ph−ơng pháp thông 
dụng gặp nhiều khó khăn Trong lúc nhu cầu sản xuất khuôn mẫu nói chung và các 
loại khuôn kéo rất lớn. Vật liệu làm khuôn kéo đ−ợc chế tạo từ các loại vật liệu có 
độ cứng và độ chịu mài mòn cao : thép hợp kim, hợp kim cứng, đặc biệt là các loại 
kim c−ơng tự nhiên và kim c−ơng nhân tạo. Các ph−ơng pháp gia công cổ điển 
nh− khoan không đáp ứng đ−ợc. Các ph−ơng pháp tia lữa điện, ăn mòn điện hoá, ... 
có nhiều hạn chế đặc biệt là đ−ờng kính và chiều sâu,... Mặt khác các ph−ơng pháp 
trên cần phải qua giai đoạn tạo lỗ thô ban đầu, sau đó mài nghiền bằng bột mài và 
đánh bóng để đạt đ−ợc độ chính xác và độ bóng theo yêu cầu. Đây là những thao 
tác rất khó khăn và tốn nhiều thời gian. Ví dụ gia công lỗ thô ban đầu bằng cơ khí 
phải mất từ 24 - 48 giờ, các nguyên công tinh chỉnh mất từ 12-16 giờ. Sơ đồ kết 
cấu khuôn kéo có dạng nh− hình 6-4 
1234
Hình 6- 4 Sơ đồ cấu tạo khuôn kéo bằng kim c−ơng [5] 
1- đầu vào 2- Khoa chứa chất bôi trơn 3- Vùng làm việc (tạo hình) 4- Đầu ra 
 75
Kết quả nghiên cứu chế tạo các lỗ bằng laser cho thấy: 
Năng l−ợng của xung 3 Jun (J) 
Thời gian 5.10-4 giây 
Khi tạo lỗ mới từ phôi sợi tinh thể kim c−ơng chỉ cần một vài xung; còn khi 
gia công để mở rộng lỗ, gia công sửa lại các khuôn đã qua sử dụng phải cần đến 
hàng chục xung. Do dãi tần số và b−ớc sóng trong phạm vi rộng, các xung năng 
l−ợng và thời gian một xung khác nhau, cho phép ta chọn những chế độ tối −u để 
gia công lỗ hoặc chuốt,... 
Ví dụ Khi mở rộng lổ từ 175 àm ặ 350 àm cần đến 22 xung với năng 
l−ợng bức xạ 4 Jun. Với chế độ đó , không thấy có sự phá huỷ cấu trúc của kim 
c−ơng. Tuy nhiên trên bề mặt lổ có bám một lớp mỏng grafit do sự cháy các bon 
tạo nên. Nên sau khi gia công phải làm sạch bằng siêu âm. 
Khi gia công trên thiết bị laser rubin có các thông số : 
Năng l−ợng xung <=10J 
Góc phân kỳ 0,5 micro radian 
Thời gian tồn tại một xung 0,5 - 1 micro giây 
 Tần số chế độ bằng tay 1 Hz 
 Tần số chế độ tự động 1/10 Hz 
Khi gia công lổ có đ−ờng kính 1,25 mm chiều dày 3,1 mm hết 10 phút 
trong lúc gia công bằng cơ khí mất 24 giờ. 
 Với thiết bị trên có thể gia công lổ có d= 0,05 - 0,4 mm, h = 1mm 
 d = 0,8 mm h= 3 mm 
Gia công tạo phôi lổ bằng laser, sau đó gia công tinh bằng mài nghiền. Khi 
gia công vật liệu dòn ng−ời ta dùng laser đa xung. (Veiko page 85). 
Năng suất gia công bằng laser gấp 12-15 lần so với ph−ơng pháp điện vật lý 
gấp 200 lần só với ph−ơng pháp gia công cơ khí 
6.4.3 Gia công chân kính đồng hồ bằng laser 
 Sản xuất chân kính đồng hồ là một ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt 
với yêu cầu rất cao về độ chính xác và chất l−ợng. Hàng năm cần hàng chục triệu 
 76
sản phẩm. Vật liệu th−ờng dùng cho chế tạo ổ trục đồng hồ là rubi. Chi tiết có 
dạng đĩa D = 1-1,5 mm, S=0,5 mm. Đ−ờng kính lổ thông cần gia công (30-90 àm) 
1
32
Hình 6-7 Sơ đồ cấu tạo chân kính đồng hồ [5] 
 1- phôi 2- Chân kính 3- Lỗ tinh đ−ợc gia công bằng laser 
Để gia công hoàn thiện chân kính ng−ời ta phải dùng nhiều xung. Xung đầu 
tạo ra lổ xuyên thấu, xung thức 2 hoàn chỉnh hình dáng, các xung tiếp theo là tinh 
chỉnh. 
Với năng l−ợng xung khoảng 2 J, 
Thời gian 2.10-4 giây, 
Tần số 2 Hz thì năng suất đạt 40000 sản phẩm chân kính /ca=8 giờ) . 
ở đây đ−ờng kính lổ : 
d = 50 àm, 
Thời gian gia công một chân kính cở 1 giây, trong lúc gia công cơ 
mất 10 phút gấp 600 lần, 
năng suất lao động tăng 15 lần, độ bóng bề mặt đạt cấp 7-8 (TC củ). 
Bảng 6-9 [5] Veiko trang 98) Một số thông số khi gia công lổ. 
 77
 Bảng 6 - 9 
Chi tiết Vật liệu h, mm d, mm W,(J) τ mily giây Q w/cm2. 
Khuôn 
kéo 
Kim 
c−ơng 
1 
3 
3,1 
4,8 
6,2 
5-6 
0,05-0,04 
0,8 
1,25 
2,0 
3,75 
0,5-0,6 
2-5 
0,5-2 
10 
10 
10 
2-3 
0,5 
0,5 
0,5 
0,5 
0,5 
0,6 
2-5.107. 
(0,5-2).107
1,8.107
1,8.107
1,8.107
1,8.107
Chân 
kính đồng 
hồ 
Rubin 0,035 
0,035 
0,36 
0,03 
0,4 
0,05 
0,05 
0,04-0,09 
0,06-0,09 
0,01 
0,15 
0,1-0,2 
5-11 
4 
1 
0,2 
0,05-0,1 
1 
1 
10-4
Thời gian 
gia công 
6-10 phút 
Khuôn 
kéo sợi 
dệt 
Thép 
inox 
0,06-
0,08 
0,03-0,04 0,1-0,2 1 Thời gian 
gia công 
1-2 giây 
6-5 ứng dụng laser để quét xử lý nhiệt bề mặt 
Chùm tia
 Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý quét bề mặt bằng chùm tia laser [15] 
 78
6-6 ứng dụng laser để gia công lớp phủ bề mặt kim loại 
Lớp phủ
Chùm tia laser 
 Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý quét bề mặt bằng chùm 
6-7 ứng dụng laser trong nhiệt luyện bề mặt 
2 
3
1 
2
3
1
 Hình 6-9 Sơ đồ nguyên lý nhiệt luyện bề mặt bằng
1 - Chùm tia laser; 2 - G−ơng phản xạ; 3 - B
6- 8 Nung chảy lại bề mặt theo quỹ đạo 
 Hình 6-10 Sơ đồ nguyên lý nhiệt luyện bề mặt bằn
1 - Chùm tia laser; 2 - Bề mặt gia công 
 tia laser [15] 
2 
3
1
 chùm tia laser [15] 
ề mặt gia công 
2
1
g chùm tia laser [15] 
79
6-9 Hàn bằng laser 
1
2
3
5
6
8
9
10
11
7
4 
 Hình 6-11 Sơ đồ nguyên lý hàn bằng chùm tia laser [5],[7] 
1- Tủ điều khiển, 2 - Nguồn điện, 3 - đầu laser, 4 - Hệ thống làm mát, 
5- Chùm tia laser, 6 - G−ơng phản xạ, 7 - G−ơng lọc, 
8- Hệ thống quan sát 9- Thấu kính hội tụ, 10 - Chi tiết 
11 - Bàn đặt chi tiết gia công có thể di chuyển theo 2 ph−ơng X, Y 
Đặc điểm của hàn bằng chùm tia laser 
1. Có thể hàn trong bất kỳ môi tr−ờng nào mà ánh sáng xuyên qua đ−ợc ( môi 
tr−ờng chân không, môi tr−ờng khí trơ hoặc không khí bình th−ờng,...) 
2. H−ớng đi của chùm tia có thể điều khiển bằng hệ thống kính cho nên có thể 
hàn đ−ợc ở các vị trí hàn phức tạp. 
3. Có thể hàn từ xa. 
4. Có thể hàn các chi tiết có chiều dày nhỏ và cực nhỏ trong ngành kỹ thuật điện 
tử và vi điện tử. 
5. Hàn đ−ợc các loại vật liệu khác nhau (Au + Si, Au + Ge, Ni + Ta, Cu + Al, ... 
6. Do chùm tia có kích th−ớc nhỏ, hẹp, nguồn nhiệt tập trung nên thời gian hàn 
nhanh, vùng ảnh h−ởng nhiệt nhỏ, ít bị biến dạng. 
7. Chất l−ợng mối hàn cao . 
 80
 81