Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia laser

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Vò xu©n tr−êng Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi ***** Vò xu©n tr−êng Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña chÕ ®é c«ng nghÖ ®Õn n¨ng suÊt vμ chÊt C«ng nghÖ c¬ khÝ l−îng khi gia c«ng b»ng tia laser LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ngμnh: c«ng nghÖ c¬ khÝ 2006-2008 Hμ néi - 2008 Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi ***** Vò xu©n tr−êng Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña chÕ ®é c«ng nghÖ ®Õn n¨ng suÊt vμ chÊt l−îng khi gia c«ng b»ng tia laser LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ngμnh: c«ng nghÖ c¬ khÝ h−íng dÉn khoa häc: Gs. TS TrÇn V¨n ®Þch Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa Hμ Néi Hμ néi - 2008 môc lôc Trang Trang phô b×a Lêi cam ®oan Môc lôc Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t ........................................................................ 4 Danh môc c¸c b¶ng biÓu ....................................................................................... 7 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ ................................................................................ 7 Më ®Çu ......................................................................................................... 9 Ch−¬ng 1  Tæng quan vÒ laser....................................................................... 10  1.1  1.2  1.3  1.3.1  1.3.2  1.3.3  1.4  1.4.1  1.4.2  1.4.3  1.5  1.6  1.6.1  1.6.2  1.7  1.7.1  1.7.2  1.7.3  1.7.4  1.7.5  LÞch sö ph¸t triÓn ................................................................................. 10  C¬ së vËt lý laser .................................................................................. 10  CÊu t¹o vμ nguyªn lý lμm viÖc cña m¸y ph¸t laser .............................. 13  Ho¹t chÊt .............................................................................................. 14  Buång céng h−ëng ............................................................................... 14  Bé phËn kÝch thÝch ............................................................................... 14  C¸c lo¹i nguån ph¸t laser ..................................................................... 15  Laser r¾n............................................................................................... 15  Laser láng............................................................................................. 17  Laser khÝ............................................................................................... 18  C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña chïm laser .................................................... 20  C¸c lo¹i m¸y laser dïng trong c«ng nghiÖp ......................................... 21  M¸y ph¸t laser r¾n................................................................................ 22  M¸y ph¸t laser khÝ................................................................................ 22  Qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a chïm tia laser vμ vËt liÖu gia c«ng ............... 23  Ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt tæng qu¸t .................................................... 23  §iÒu kiÖn biªn cña sù truyÒn nhiÖt ...................................................... 24  Ph©n bè nhiÖt trong hÖ to¹ ®é trô ......................................................... 24  §èt nãng vËt kh«ng cã hiÖn t−îng chuyÓn dÞch pha ........................... 25  §èt nãng vËt liÖu cã sù chuyÓn dÞch nhiÒu pha ................................... 26  Ch−¬ng 2  øng dông laser trong c«ng nghiÖp ............................................. 30  2.1  øng dông laser ®Ó c¾t vËt liÖu .............................................................. 33  2.1.1  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 33  2.1.2  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser .......................... 34  2.1.3  C¸c ph−¬ng ph¸p c¾t vËt liÖu b»ng laser .............................................. 34  2.2  2.2.1  2.2.2  2.2.3  2.2.4  2.2.5  øng dông laser ®Ó hμn vËt liÖu ............................................................. 37  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 37  C¬ chÕ hμn laser ................................................................................... 37  Hμn truyÒn nhiÖt................................................................................... 41  Hμn kiÓu lç kho¸ .................................................................................. 41  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh hμn b»ng laser ......................... 42  2.3  øng dông laser ®Ó nhiÖt luyÖn vμ xö lý bÒ mÆt .................................... 42  2.3.1  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 42  2.3.2  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ chñ yÕu ......................................................... 43  2.4  C¸c øng dông kh¸c ............................................................................... 43  Ch−¬ng 3  C¾t víi tia laser CO2 - C¸c th«ng sè c«ng nghÖ ¶nh h−ëng .... 45  3.1  Mèi quan hÖ gi÷a c¸c tham sè c«ng nghÖ ............................................ 45  3.2  3.3  3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.4  ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè c«ng nghÖ lªn chÊt l−îng gia c«ng. ........ 46  S¬ ®å khèi cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng tia laser .......................................... 47  §−êng kÝnh ®iÓm héi tô ....................................................................... 48  §é s©u héi tô ........................................................................................ 49  VËt liÖu gia c«ng .................................................................................. 50  M« h×nh hãa qu¸ tr×nh gia c«ng vËt liÖu b»ng chïm tia Laser th«ng qua lÝ thuyÕt nhiÖt................................................................................. 51  3.5  §èi t−îng nghiªn cøu khi gia c«ng b»ng laser. ................................... 54  3.5.1  §¹i l−îng chÊt l−îng bÒ mÆt c¾t vμ ®é chÝnh x¸c gia c«ng - ®é réng m¹ch c¾t ............................................................................................... 54  3.5.2  ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè c«ng nghÖ lªn chÊt l−îng c¾t b»ng tia laser ...................................................................................................... 55  3.5.3  Lùa chän ®èi t−îng nghiªn cøu ........................................................... 56  Ch−¬ng 4  Nghiªn cøu thùc nghiÖm c¾t kim lo¹i trªn m¸y laser LC1000 CO2-CNC ..................................................................................... 57  4.1  ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm ............................................................................... 57  4.1.1  G¸ mÉu ................................................................................................. 58  4.1.2  ChuÈn bÞ mÉu ....................................................................................... 59  4.1.3  §iÒu kiÖn tiÕn hμnh thÝ nghiÖm ............................................................ 60  4.2  ThiÕt kÕ thÝ nghiÖm .............................................................................. 61  4.2.1  M« h×nh ®Þnh tÝnh qu¸ tr×nh gia c«ng c¾t víi tia laser ......................... 61  4.2.2  4.3  4.3.1  4.3.2  ThiÕt kÕ c¸c thÝ nghiÖm ........................................................................ 62  Thùc hiÖn thÝ nghiÖm ........................................................................... 64  ThÝ nghiÖm th¨m dß kh¶ n¨ng c«ng nghÖ cña thiÕt bÞ ......................... 64  ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ¶nh h−ëng ®¬n cña mét sè th«ng sè c«ng nghÖ ®Õn chÊt l−îng m¹ch c¾t. ...................................................................... 65  4.4  Quy ho¹ch thùc nghiÖm vμ x©y dùng m« h×nh to¸n häc...................... 75  4.4.1  ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ¶nh h−ëng ®ång thêi cña c¸c th«ng sè c«ng nghÖ ®Õn qu¸ tr×nh c¾t b»ng tia laser. ........................................................... 75  4.4.2  ThiÕt kÕ quy ho¹ch thùc nghiÖm .......................................................... 75  4.4.3  Lùa chän c¸c th«ng sè c«ng nghÖ cÇn nghiªn cøu .............................. 76  4.4.4  Qui ho¹ch thùc nghiÖm x¸c ®Þnh m« h×nh to¸n häc ............................ 77  KÕt luËn ....................................................................................................... 96 Tμi liÖu tham kh¶o Tãm t¾t luËn v¨n Phô lôc 1 môc lôc Trang Trang phô b×a Lêi cam ®oan Môc lôc Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t ........................................................................ 4 Danh môc c¸c b¶ng ............................................................................................... 7 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ ................................................................................ 7 Më ®Çu ......................................................................................................... 9 Ch−¬ng 1  Tæng quan vÒ laser....................................................................... 11  1.1  1.2  1.3  1.3.1  1.3.2  1.3.3  1.4  1.4.1  1.4.2  1.4.3  1.5  1.6  1.6.1  1.6.2  1.7  1.7.1  1.7.2  1.7.3  1.7.4  1.7.5  LÞch sö ph¸t triÓn ................................................................................. 11  C¬ së vËt lý laser .................................................................................. 11  CÊu t¹o vμ nguyªn lý lμm viÖc cña m¸y ph¸t laser .............................. 13  Ho¹t chÊt .............................................................................................. 14  Buång céng h−ëng ............................................................................... 14  Bé phËn kÝch thÝch ............................................................................... 14  C¸c lo¹i nguån ph¸t laser ..................................................................... 15  Laser r¾n............................................................................................... 15  Laser láng............................................................................................. 17  Laser khÝ............................................................................................... 17  C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña chïm laser .................................................... 20  C¸c lo¹i m¸y laser dïng trong c«ng nghiÖp ......................................... 21  M¸y ph¸t laser r¾n................................................................................ 22  M¸y ph¸t laser khÝ................................................................................ 22  Qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a chïm tia laser vμ vËt liÖu gia c«ng ............... 23  Ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt tæng qu¸t .................................................... 23  §iÒu kiÖn biªn cña sù truyÒn nhiÖt ...................................................... 24  Ph©n bè nhiÖt trong hÖ to¹ ®é trô ......................................................... 24  §èt nãng vËt kh«ng cã hiÖn t−îng chuyÓn dÞch pha ........................... 25  §èt nãng vËt liÖu cã sù chuyÓn dÞch nhiÒu pha ................................... 26  Ch−¬ng 2  øng dông laser trong c«ng nghiÖp ............................................. 30  2.1  øng dông laser ®Ó c¾t vËt liÖu .............................................................. 33  2.1.1  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 33  2 2.1.2  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser .......................... 34  2.1.3  C¸c ph−¬ng ph¸p c¾t vËt liÖu b»ng laser .............................................. 34  2.2  2.2.1  2.2.2  2.2.3  2.2.4  2.2.5  øng dông laser ®Ó hμn vËt liÖu ............................................................. 37  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 37  C¬ chÕ hμn laser ................................................................................... 38  Hμn truyÒn nhiÖt................................................................................... 41  Hμn kiÓu lç kho¸ .................................................................................. 41  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh hμn b»ng laser ......................... 42  2.3  øng dông laser ®Ó nhiÖt luyÖn vμ xö lý bÒ mÆt .................................... 42  2.3.1  Giíi thiÖu chung ................................................................................... 42  2.3.2  C¸c th«ng sè c«ng nghÖ chñ yÕu ......................................................... 43  2.4  C¸c øng dông kh¸c ............................................................................... 43  Ch−¬ng 3  C¾t víi tia laser CO2 - C¸c th«ng sè c«ng nghÖ ¶nh h−ëng .... 45  3.1  Mèi quan hÖ gi÷a c¸c tham sè c«ng nghÖ ............................................ 45  3.2  3.3  3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.4  ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè c«ng nghÖ lªn chÊt l−îng gia c«ng. ........ 46  S¬ ®å khèi cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng tia laser .......................................... 47  §−êng kÝnh ®iÓm héi tô ....................................................................... 48  §é s©u héi tô ........................................................................................ 49  VËt liÖu gia c«ng .................................................................................. 50  M« h×nh hãa qu¸ tr×nh gia c«ng vËt liÖu b»ng chïm tia Laser th«ng qua lÝ thuyÕt nhiÖt................................................................................. 51  3.5  §èi t−îng nghiªn cøu khi gia c«ng b»ng laser. ................................... 54  3.5.1  §¹i l−îng chÊt l−îng bÒ mÆt c¾t vμ ®é chÝnh x¸c gia c«ng - ®é réng m¹ch c¾t ............................................................................................... 54  3.5.2  ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè c«ng nghÖ lªn chÊt l−îng c¾t b»ng tia laser ...................................................................................................... 55  3.5.3  Lùa chän ®èi t−îng nghiªn cøu ........................................................... 56  Ch−¬ng 4  Nghiªn cøu thùc nghiÖm c¾t kim lo¹i trªn m¸y laser LC1000 CO2-CNC ..................................................................................... 57  4.1  ThiÕt bÞ thÝ nghiÖm ............................................................................... 57  4.1.1  G¸ mÉu ................................................................................................. 58  4.1.2  ChuÈn bÞ mÉu ....................................................................................... 59  4.1.3  §iÒu kiÖn tiÕn hμnh thÝ nghiÖm ............................................................ 60  4.2  ThiÕt kÕ thÝ nghiÖm .............................................................................. 61  4.2.1  M« h×nh ®Þnh tÝnh qu¸ tr×nh gia c«ng c¾t víi tia laser ......................... 61  3 4.2.2  4.3  4.3.1  4.3.2  ThiÕt kÕ c¸c thÝ nghiÖm ........................................................................ 62  Thùc hiÖn thÝ nghiÖm ........................................................................... 64  ThÝ nghiÖm th¨m dß kh¶ n¨ng c«ng nghÖ cña thiÕt bÞ ......................... 64  ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ¶nh h−ëng ®¬n cña mét sè th«ng sè c«ng nghÖ ®Õn chÊt l−îng m¹ch c¾t. ...................................................................... 65  4.4  Quy ho¹ch thùc nghiÖm vμ x©y dùng m« h×nh to¸n häc...................... 75  4.4.1  ThÝ nghiÖm kh¶o s¸t ¶nh h−ëng ®ång thêi cña c¸c th«ng sè c«ng nghÖ ®Õn qu¸ tr×nh c¾t b»ng tia laser. ........................................................... 75  4.4.2  ThiÕt kÕ quy ho¹ch thùc nghiÖm .......................................................... 75  4.4.3  Lùa chän c¸c th«ng sè c«ng nghÖ cÇn nghiªn cøu .............................. 76  4.4.4  Qui ho¹ch thùc nghiÖm x¸c ®Þnh m« h×nh to¸n häc ............................ 77  KÕt luËn ....................................................................................................... 96 Tμi liÖu tham kh¶o Tãm t¾t luËn v¨n Phô lôc 4 Danh môc c¸c ký hiÖu, ch÷ viÕt t¾t Ký hiÖu Tªn gäi Thø nguyªn c NhiÖt l−îng riªng hoÆc vËn tèc ¸nh s¸ng c1 NhiÖt l−îng riªng cña vËt liÖu ë tr¹ng th¸i láng J/kgK cs NhiÖt l−îng riªng vËt liÖu ë tr¹ng th¸i r¾n J/kgK dm §−êng kÝnh ®iÓm héi tô e Lùc c¨ng erf Hμm sai sè erfc Hμm sai sè bæ xung f Tiªu cù thÊu kÝnh héi tô J/kgK; m/s mm N mm ffp MÆt ph¼ng héi tô g H»ng sè hÊp dÉn h ChiÒu dμy líp ch¶y láng hoÆc entapy riªng hoÆc h»ng sè Planck hc HÖ sè truyÒn nhiÖt ®èi l−u k HÖ sè dÉn nhiÖt W/mK κ HÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt cm2/s κm HÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt cña vËt liÖu láng cm2/s κs HÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt cña vËt liÖu r¾n cm2/s κv HÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt cña vËt liÖu h¬i cm2/s kb H»ng sè Boltzmann kl HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i láng ks HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i r¾n kv HÖ sè truyÒn nhiÖt ë tr¹ng th¸i h¬i l ChiÒu dμi khuÕch t¸n nhiÖt lth ChiÒu s©u th©m nhËp nhiÖt m Sè mode däc me Khèi l−îng tho¸t ch¶y Kg ms Khèi l−îng nãng ch¶y c¶u vËt liÖu r¾n Kg mv Khèi l−îng vËt liÖu ho¸ h¬i n Sè mode ngang p ¸p suÊt khÝ thæi bar pvμo Thμnh phÇn ¸p suÊt vμo cña phÇn tö ®¬n vÞ bar pra Thμnh phÇn ¸p suÊt ra cña phÇn tö ®¬n vÞ bar m/s2 5 pr ¸p suÊt ph¶n håi bar ps ¸p suÊt h¬i b·o hoμ bar q Th«ng l−îng nhiÖt J/m qc Th«ng l−îng nhiÖt ®èi l−u J/m qr Th«ng l−îng nhiÖt bøc x¹ J/m r To¹ ®é h−íng t©m; b¸n kÝnh chïm tia mm t ChiÒu dμy c¾t mm th Thêi gian diÔn ra giai ®o¹n nung nãng tm Thêi gian ®¹t ®Õn nhiÖt ®é nãng ch¶y tp ChiÒu dμi xung laser u BiÕn gi¶ ®Þnh hoÆc n¨ng l−îng bªn trong v VËn tèc c¾t ve VËn tèc tho¸t ch¶y vm VËn tèc ch¶y vv VËn tèc bèc h¬i w ChiÒu réng m¹ch c¾t μm zm ChiÒu s©u nãng ch¶y xuyªn thÊu mm x,y,z m/ph To¹ ®é §Ò c¸c Av DiÖn tÝch bÒ mÆt hoÆc hÖ sè hÊp thô m«i tr−êng hoÆc hÖ sè hÊp thô n¨ng l−îng HÖ sè hÊp thô n¨ng l−îng ë tr¹ng th¸i h¬i B0 H»ng sè ho¸ h¬i Cv NhiÖt l−îng riªng thÓ tÝch J/kgK Cp NhiÖt l−îng riªng t¹i ¸p suÊt kh«ng ®æi J/kgK D §−êng kÝnh chïm tia ch−a héi tô I MËt ®é c«ng suÊt W/cm2 Iabs C−êng ®é c«ng suÊt hÊp thô W/cm2 Im C−êng ®é chïm laser cÇn thiÕt ®Ó nung ch¶y W/cm2 Is C−êng ®é chïm laser t¹i bÒ mÆt W/cm2 Iv C−êng ®é ng−ìng W/cm2 I0 MËt ®é c«ng suÊt cña chïm laser max, hoÆc c−êng ®é ¸nh s¸ng trung b×nh W/cm2 A J0, J1 Hμm Bessel ë d¹ng thø nhÊt K0 Hμm Bessel ë d¹ng 2 bËc 0 L NhiÖt tiÒm tμng bèc h¬i mm J/kg 6 Lf NhiÖt l−îng nãng ch¶y J/kg Lv NhiÖt l−îng ho¸ h¬i J/kg Lm NhiÖt Èn nãng ch¶y J/kg P C«ng suÊt laser R HÖ sè ph¶n x¹ Ra HÖ sè Rayleigh T NhiÖt ®é Tamb NhiÖt ®é m«i tr−êng Te NhiÖt ®é kÝch thÝch TB NhiÖt ®é s«i Tl NhiÖt ®é ë tr¹ng th¸i láng Tm NhiÖt ®é ch¶y láng Ts NhiÖt ®é bÒ mÆt chi tiÕt Tv NhiÖt ho¸ h¬i T* NhiÖt ®é trung b×nh trong líp ch¶y láng T0 NhiÖt ®é ban ®Çu N¨ng l−îng ho¸ h¬i cña nguyªn tö hay sù vËn chuyÓn nhiÖt U V ThÓ tÝch vËt liÖu láng α HÖ sè gi·n në nhiÖt ρ Khèi l−îng riªng η HiÖu suÊt λ B−íc sãng laser μ HÖ sè ®é nhít cña chÊt láng σ H»ng sè Stefan-Boltzmann ∇ To¸n tö Gradient AHZ Vïng ¶nh h−ëng nhiÖt cña m¹ch c¾t DOF Ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn chiÒu s©u héi tô DGF Tr−êng mËt ®é khÝ W K, oC m3 Kg/m3 m 7 Danh môc c¸c b¶ng biÓu Bảng 1.1: B¶ng 3.1: B¶ng 4.1: B¶ng 4.2: B¶ng 4.3: B¶ng 4.4: B¶ng 4.5: B¶ng 4.6: B¶ng 4.7: B¶ng 4.8: B¶ng 4.9: B¶ng 4.10: B¶ng 4.11: B¶ng 4.11: B¶ng 4.12: B¶ng 4.13: B¶ng 4.14: Một số loại laser thường dùng trong công nghiệp H»ng sè vËt liÖu cña mét sè vËt liÖu c¬ b¶n §Æc tÝnh kü thuËt cña c¸c vËt liÖu thÝ nghiÖm ThÝ nghiÖm th¨m dß t×m kh¶ n¨ng c«ng nghÖ cña thiÕt bÞ ThÝ nghiÖm ¶nh h−ëng ®¬n cña th«ng sè c«ng nghÖ ThÝ nghiÖm kiÓm tra ¶nh h−ëng cña vËn tèc c¾t ®Õn ®é réng m¹ch c¾t Bè trÝ thÝ nghiÖm theo ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ nh©n tè. ChuÈn hãa c¸c biÕn gi¶i thÝch trong m« h×nh míi C¸c hÖ sè trong m« h×nh tuyÕn tÝnh bËc nhÊt C¸c gi¸ trÞ håi qui B¶ng ph©n tÝch ph−¬ng sai B¶ng bè trÝ thÝ nghiÖm theo ph−¬ng ph¸p hîp tö t¹i t©m B¶ng chuÈn hãa c¸c biÕngi¶i thÝch trong m« h×nh míi B¶ng x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè trong m« h×nh míi B¶ng x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè trong hÖ ph−¬ng tr×nh (4-3) B¶ng ph©n tÝch ph−¬ng sai B¶ng tÝnh c¸c gi¸ trÞ håi qui Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Hình 1.7: Hình 1.8: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: H×nh 3.1: H×nh 3.2: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser Sơ đồ mức năng lượng của Laser Ruby Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG Sơ đồ mức năng lượng của Laser CO2 Sơ đồ mức năng lượng của Laser He-Ne Profile của chùm laser hội tụ Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser Ruby Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser CO2 Phân loại tổng quát các ứng dụng của Laser Phân loại ứng dụng Laser theo sự chuyển biến pha Biểu đồ cường độ năng lượng - thời gian tương tác của laser với kim loại Sơ đồ hình thành dòng chảy trong vũng hàn Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt bằng laser Tiện kim loại có hỗ trợ bằng tia Laser ¶nh h−ëng cña vËn tèc c¾t ®Õn ®é nh¸m bÒ mÆt S¬ ®å qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¾t b»ng tia Laser 8 H×nh 3.3: H×nh 3.4: H×nh 3.5: H×nh 4.1: H×nh 4.2: H×nh 4.3: H×nh 4.4: H×nh 4.5: H×nh 4.6: H×nh 4.7: H×nh 4.8: H×nh 4.9: H×nh 4.10: H×nh 4.11: H×nh 4.12: H×nh 4.13: H×nh 4.14: H×nh 4.15: H×nh 4.16: H×nh 4.17: H×nh 4.18: H×nh 4.19: H×nh 4.20: H×nh 4.21: H×nh 4.22: H×nh 4.23: §−êng kÝnh ®iÓm héi tô ¶nh h−ëng do hiÖn t−îng nhiÔu x¹ C¸c vïng c¾t cã thÓ h×nh thμnh trong qu¸ tr×nh c¾t Mèi quan hÖ ®é nh¸m vμ ®é trô. S¬ ®å cÊu m¸y laser LC1000CO2-CNC Chuçi quang häc cña m¸y Laser Bé g¸ ph«i vμ kÑp ph«i b»ng khÝ nÐn Qui c¸ch cña mÉu thÝ nghiÖm M« h×nh ®Þnh tÝnh qu¸ tr×nh c¾t b»ng Laser §å thÞ nghiªn cøu th¨m dß kh¶ n¨ng c«ng nghÖ cña thiÕt bÞ. §å thÞ nghiªn cøu giíi h¹n cña ¸p suÊt khÝ thæi §å thÞ ph¶n ¸nh mèi quan hÖ gi÷a P vμ v ¶nh h−ëng cña vËn tèc c¾t ®Õn chiÒu dμy gia c«ng Mèi quan hÖ gi÷a c«ng suÊt c¾t P vμ ®é réng vÕt c¾t w MÉu thÝ nghiÖm khi c¾t ë c¸c møc c«ng suÊt kh¸c nhau §å thÞ ¶nh h−ëng cña vËn tèc c¾t lªn ®é réng vÕt c¾t ThÝ nghiÖm khi c¾t ë tèc ®é c¾t cao §å thÞ ¶nh h−ëng cña vËn tèc v tíi ®é réng w ¶nh chôp phãng ®¹i ®é réng m¹ch c¾t sau gia c«ng Mèi quan hÖ cña ¸p suÊt khÝ vμ ®é réng m¹ch c¾t ¶nh h−ëng sù giao thoa cña tr−êng DGF CÊu tróc khÝ ®éng häc cña dßng khÝ c¾t. ¶nh h−ëng cña khe hë ®Çu c¾t ®Õn ®é réng vÕt c¾t khi gia c«ng vËt liÖu SU304 ¶nh chôp phãng ®¹i ®é réng m¹ch c¾t khi gia c«ng ë c¸c kho¶ng c¸ch ®Çu phun kh¸c nhau ¶nh h−ëng cña ®−êng kÝnh ®Çu c¾t ®Õn ®é réng vÕt c¾t Sù ph©n bè ¸p suÊt theo ®−êng kÝnh ®Çu c¾t S¬ ®å thiÕt kÕ hîp tö t¹i t©m 9 Më ®Çu Ngμy nay, kü thuËt laser ®· cã nh÷ng ph¸t triÓn v−ît bËc ®−îc øng dông réng r·i trong nhiÒu ngμnh kü thuËt vμ c«ng nghÖ. Tõ nh÷ng øng dông ®¬n gi¶n trong ®å dïng gia dông hμng ngμy ®Õn c¸c øng dông h÷u Ých trong c«ng nghÖ y-sinh, c¸c øng dông quan träng trong c«ng nghiÖp truyÒn th«ng, khoa häc qu©n sù, khoa häc vËt liÖu v.v…, laser ®· vμ ®ang ®−îc sö dông ®Ó gia c«ng vËt liÖu trong nghμnh chÕ t¹o m¸y nh− mét d¹ng n¨ng l−îng siªu nhiªn, cã thÓ gia c«ng ®−îc hÇu hÕt c¸c lo¹i vËt liÖu víi yªu cÇu kü thuËt kh¾t khe mμ c¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng th«ng th−êng khã cã thÓ thùc hiÖn ®−îc. Gia c«ng b»ng chïm tia cã mËt ®é n¨ng l−îng cao lμ mét −u thÕ lín cña kü thuËt laser. Gia c«ng b»ng laser cã thÓ thay thÕ cho mét sè ph−¬ng ph¸p c¾t gät c¬ häc-vèn cã ng−ìng nhÊt ®Þnh kh«ng thÓ v−ît qua ®−îc trong c¸c nguyªn c«ng khã. V× thÕ gia c«ng b»ng laser ®−îc ¸p dông trong nhiÒu lÜnh vùc c«ng nghiÖp, ®Æc biÖt lμ víi c¸c vËt liÖu khã gia c«ng nh− hîp kim cøng, gèm (ceramic), composite v.v… Khi dïng laser ®Ó gia c«ng lç, ng−êi ta cã thÓ gia c«ng ®−îc c¸c lç nhá cì vμi μm trªn c¸c lo¹i vËt liÖu, ®Æc biÖt lμ kim lo¹i vμ hîp kim khã gia c«ng, vïng ¶nh h−ëng nhiÖt ®−îc kiÓm so¸t vμ h¹n chÕ tèi ®a. Laser cã thÓ gia c«ng ®−îc lç nhá trong chi tiÕt vßi phun nhiªn liÖu cña ®éng c¬, vßi phun b¬m cao ¸p, vßi phun khÝ xo¸y, c¸c lç nhá víi gãc nghiªng tuú ý ë buång lμm m¸t ®éng c¬ m¸y bay, c¸c vi lç n©ng cao hiÖu øng ®éng lùc häc trªn c¸nh m¸y bay, c¸c vi lç trªn l−íi läc dïng trong y tÕ v.v… Nhê kh¶ n¨ng c«ng nghÖ nμy mμ gia c«ng b»ng laser ®· ®−îc sö dông nh− mét biÖn ph¸p gia c«ng thay thÕ vμ duy nhÊt, ®−îc øng dông réng r·i trong c«ng nghiÖp chÕ t¹o m¸y bay, c«ng nghiÖp chÕ t¹o «t«, chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ, linh kiÖn ®iÖn tö, thiÕt bÞ y tÕ v.v… N¾m b¾t vμ tiÕn tíi lμm chñ c«ng nghÖ gia c«ng b»ng laser, ®Æc biÖt lμ gia c«ng b»ng laser lμ nhiÖm vô kh«ng chØ mang ý nghÜa lý thuyÕt mμ cßn cã ý nghÜa thùc tiÔn lμ ®−a laser ®Õn gÇn víi thùc tÕ s¶n xuÊt c«ng nghiÖp, øng dông c¸c kh¶ n¨ng c«ng nghÖ −u viÖt, ®Æc biÖt lμ kh¶ n¨ng gia c«ng trªn c¸c lo¹i vËt liÖu vμ ®èi t−îng c«ng nghÖ mμ c¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng th«ng th−êng kh¸c khã hoÆc kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc. ViÖc: “Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c¸c chÕ ®é c«ng nghÖ ®Õn n¨ng suÊt vμ chÊt l−îng khi gia c«ng b»ng Laser” cã ý nghÜa 10 rÊt quan träng ®èi víi nhiÖm vô nªu trªn. §©y còng chÝnh lμ néi dung cña ®Ò tμi thùc hiÖn. Néi dung chÝnh cña ®Ò tμi: - T×m hiÓu c¸c øng dông cña Laser trong c«ng nghiÖp. - Gia c«ng kim lo¹i b»ng Laser-c¸c tham sè c«ng nghÖ ¶nh h−ëng ®Õn n¨ng suÊt vμ chÊt l−îng. - Nghiªn cøu thùc nghiÖm c¾t b»ng Laser trªn m¸y LC1000CO2-CNC, ®¸nh gi¸ sù ¶nh h−ëng cña c¸c chÕ ®é c«ng nghÖ ®Õn n¨ng suÊt vμ chÊt l−îng gia c«ng. Gi¶i bμi to¸n quy hä¹ch thùc nghiÖm theo m« h×nh thùc nghiÖm nghiªn cøu. LÜnh vùc nghiªn cøu cña ®Ò tμi cßn nhiÒu míi mÎ vμ phøc t¹p, kiÕn thøc hiÓu biÕt cña b¶n th©n cßn rÊt nhiÒu h¹n chÕ nªn b¶n luËn v¨n nμy ch¾c ch¾n cßn nhiÒu thiÕu sãt. T«i rÊt mong ®−îc c¸c ThÇy, C« vμ c¸c anh chÞ, c¸c b¹n ®ång nghiÖp gãp ý, bæ xung ®Ó b¶n luËn v¨n ®−îc hoμn thiÖn h¬n. T«i xin ch©n thμnh c¶m ¬n GS.TS TrÇn V¨n §Þch, thÇy ®· dÉn d¾t ®Þnh h−íng vμ truyÒn ®¹t nh÷ng kiÕn thøc quý b¸u cho t«i trong häc tËp - nghiªn cøu, gióp t«i hoμn thμnh b¶n luËn v¨n nμy. T«i còng xin ch©n thμnh c¶m ¬n c¸c thÇy gi¸o, c« gi¸o trong bé m«n C«ng nghÖ chÕ t¹o m¸y vμ Khoa c¬ khÝ-Tr−êng §HBK Hμ Néi ®· truyÒn ®¹t kiÕn thøc cho t«i trong suèt qu¸ tr×nh häc tËp nghiªn cøu t¹i tr−êng. T«i xin ch©n thμnh c¶m ¬n l·nh ®¹o ViÖn M¸y vμ Dông cô c«ng nghiÖp, l·nh ®¹o Trung t©m chuyÓn giao c«ng nghÖ, Trung t©m c«ng nghÖ gia c«ng ®Æc biÖt vμ c¸c b¹n ®ång nghiÖp ®· t¹o ®iÒu kiÖn gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn LuËn v¨n. T¸c gi¶ Vò Xu©n Tr−êng 11 Ch−¬ng 1 tæng quan vÒ laser 1.1 LÞch sö ph¸t triÓn Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích của bức xạ). Laser là ánh sáng có tính chất đặc biệt, là sóng điện từ ở vùng nhìn thấy được. Lịch sử loài người phải mất một quãng thời gian dài để thấy rõ ánh sáng có tính chất sóng-hạt. Năm 1704, Newton mô tả ánh sáng là một dòng của các hạt. Thực nghiệm giao thoa của Young năm 1803 và sự khám phá tính phân cực của ánh sáng chứng minh rằng ánh sáng có tính chất sóng. Sau đó, lý thuyết điện từ của Maxwell đã diễn tả ánh sáng là sự dao động nhanh của trường điện từ bởi các hạt dao động tạo ra. Nền tảng ban đầu của lý thuyết laser được Einstein đưa ra khi ông cho rằng ngoài bức xạ tự phát, còn tồn tại một dạng bức xạ khác là bức xạ cưỡng bức. Sau đó, năm 1928, Kopfermann và Heidenburg giới thiệu thực nghiệm đầu tiên chứng minh cho sự tiên đoán của Einstein. Năm 1960, Maiman lần đầu tiên công bố laser Ruby. Tiếp theo là sự phát triển của rất nhiều nghiên cứu cơ bản về laser từ năm 1962 đến 1968. Hầu như tất cả các loại laser gồm: laser bán dẫn, laser Nd-YAG (Neodymium doped-Yttrium Aluminium Garnet), laser khí CO2, laser màu và các loại laser khí khác được phát minh trong giai đoạn này. Sau năm 1968, các loại laser hiện có được thiết kế và sản xuất với độ tin cậy và tuổi thọ lớn nhất. Giữa những năm 1970, có thêm nhiều loại laser tin cậy được chế tạo để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất như cắt, hàn, khoan và khắc dấu. Trong suốt những năm 1980 và đầu 1990, laser được khám phá các ứng dụng liên quan đến bề mặt như: xử lý nhiệt, nhiệt luyện,… 1.2 C¬ së vËt lý laser Về bản chất, laser là chùm bức xạ điện từ đơn sắc, hội tụ tập trung có bước sóng trong phạm vi từ cực tím đến hồng ngoại. Laser có thể thực hiện được trong dải công suất từ rất thấp (~mW) đến rất cao (1-100kW), mật độ công suất có thể đạt đến 1012 W/cm2, với cỡ vết gia công chính xác và thời gian xung/tương tác rất ngắn (đến 10-13-10-15 giây) trên các loại chất nền qua nhiều loại môi trường. Laser được phân biệt với các dạng bức xạ điện từ khác ở đặc 12 điểm chính là liên kết chặt chẽ (kết hợp), quang phổ thuần nhất (đơn sắc) và khả năng lan truyền theo đường thẳng (tính định hướng cao). Cơ sở lý thuyết của laser chính là tiền đề của Einstein phát biểu vào năm 1917 để dẫn ra công thức phát xạ của Planck. Theo Einstein, khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử vật chất sẽ xảy ra các hiện tượng: nguyên tử hấp thụ một lượng tử ánh sáng và xảy ra hai loại bức xạ là bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức của một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh sáng khác trong nguyên tử đã bị kích thích. Chẳng hạn, xét một nguyên tử với tâm hạt nhân được bao quanh bởi các điện tử. Các điện tử này quay xung quanh hạt nhân bởi một số giới hạn các quỹ đạo có thể. Mỗi một điện tử có thể thay đổi quỹ đạo của nó, kết quả của sự thay đổi mức năng lượng là phát xạ ánh sáng (photon) khi điện tử đó di chuyển về phía hạt nhân và hấp thụ ánh sáng (photon) khi điện tử di chuyển về phía ngoài ra xa hạt nhân. Cùng với sự dịch chuyển đó là một giá trị của năng lượng và bước sóng. Theo thuyết lượng tử, các hạt (nguyên tử, ion và phân tử) chỉ có thể tồn tại ở những trạng thái năng lượng gián đoạn. Trong điều kiện thường, các nguyên tử nhận trạng thái ổn định ở mức năng lượng thấp hay ở trạng thái cơ bản. Ở trạng thái đó, chúng có thể hấp thụ bức xạ của một điện từ trường nếu các lượng tử năng lượng hv của điện từ trường này vừa đúng bằng hiệu số năng lượng giữa hai trạng thái nguyên tử. Ta có thể viết: E = E2-E1 = hv = hc/λ = mc2 Quá trình hấp thụ này có thể biểu diễn như sau: Với: - A* - A** A* + hv => A** là nguyên tử ở trạng thái có mức năng lượng thấp là nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn Ở đây: c là vận tốc ánh sáng (c=3.108 m/s trong môi trường tự do), λ là bước sóng (m), ν là tần số của bức xạ điện từ (Hz) và h là hằng số Planck (h=6,6.10-34 Js). Nguyên tử không tồn tại lâu ở trạng thái kích thíc với mức năng lượng E2, mà dịch chuyển trở về mức năng lượng ban đầu E1. Trong quá trình này nguyên tử sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng (photon) đúng bằng: E=hv. Bức xạ đó gọi là bức xạ tự phát. Tức là: A** => A* + hv 13 Photon có thể va chạm với một nguyên tử đã kích thích và dẫn đến sự thay đổi mức năng lượng của nguyên tử này. Theo Einstein, nguyên tử đó có thể hấp thụ photon để dịch chuyển lên một mức năng lượng cao hơn hoặc sẽ dịch chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn. Với khả năng thứ hai, nguyên tử sẽ phát xạ ra một photon thứ cấp. Có thể mô tả quá trình đó như sau: A** + hv1 => A* + hv1 + hv2 Với: - hv1 là photon va chạm - hv2 là photon bức xạ kích thích, hv2 có giá trị đúng bằng hiệu năng lượng của trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình dịch chuyển. Quá trình này được gọi là sự bức xạ kích thích. Với một hệ môi chất gồm nhiều hạt bị bức xạ cưỡng bức bởi một nguồn kích thích, nhờ có hệ gương quang học tạo ra sự phản xạ hay chuyển động qua lại trong môi chất, sự bức xạ kích thích của các hạt sẽ xảy ra liên tục và mãnh liệt. Khi số hạt ở trạng thái kích thích nhiều hơn số hạt ở trạng thái cơ bản (hay nồng độ của mức trên lớn hơn nồng độ của mức dưới - đạt được phân bố đảo) hệ sẽ phát ra một bức xạ kích thích mạnh - bức xạ đó gọi là Laser. 1.3 CÊu t¹o vμ nguyªn lý lμm viÖc cña m¸y ph¸t laser Một máy phát laser có thể được mô tả đơn giản như hình 1.1 sau đây: Ho¹t chÊt Buång céng h−ëng Buång céng h−ëng Nguån bøc x¹ kÝch thÝch Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser Laser 14 1.3.1 Ho¹t chÊt Là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Tương ứng với mỗi loại vật chất mà ta có các loại laser với bước sóng khác nhau. Có thể phân loại hoạt chất ra thành các nhóm khác nhau: 9 Hoạt chất khí: - Các khí đơn nguyên tử - Các ion khí đơn nguyên tử - Các khí phân tử như CO2, N2 - Các hỗn hợpp khí đơn nguyên tử như He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như CO2-N2-He, CO-N2… 9 Hoạt chất là chất rắn: Ruby, Nd-YAG. 9 Hoạt chất là chất lỏng. 1.3.2 Buång céng h−ëng Vai trò của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể chuyển động qua lại nhiều lần, nhờ đó bức xạ được khuếch đại lên gấp bội. Cấu tạo của buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ, một gương có hệ số phản xạ rất cao (đến 99,99%) và một gương có hệ số phản xạ thấp hơn, nhờ đó tia laser có thể thoát ra ngoài theo gương này. Có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu trúc của các gương phản xạ: buồng cộng hưởng phẳng với 2 gương phản xạ phẳng; Buồng cộng hưởng Farby-Perot với các gương tròn đặt song song; Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu với gương cầu cùng bán kính và chung tiêu điểm,v.v… 1.3.3 Bé phËn kÝch thÝch Bộ phận kích thích hay còn gọi là bơm có chức năng cung cấp năng lượng cho hoạt chất để tạo ra sự nghịch đảo độ tích luỹ trong 2 mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tuỳ theo mỗi loại laser có nhiều loại kích thích khác nhau, cụ thể: - Kích thích bằng ánh sáng (còn gọi là bơm quang học) - Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường, năng lượng được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm. 15 1.4 C¸c lo¹i nguån ph¸t laser Hiện tại có rất nhiều loại laser khác nhau, bảng 1.1 chỉ ra một số loại laser thường dùng trong công nghiệp Bảng 1.1: Một số loại laser thường dùng trong công nghiệp Loại Laser Excimer (KrF) Ruby He-Ne Nd-YAG Nd-Glass Diode CO2 Bước sóng Ứng dụng (µm) 0.249 Y học/gia công vật liệu/nhuộm màu Đo lường, các ứng dụng y học, gia công vật liệu 0.697 vô cơ Chỉ thị điểm sáng, đo lường chiều dài/vận tốc, 0.630 thiết bị căn chỉnh song song 1.064 Gia công vật liệu/kỹ thuật phân tích 1.060 Đo chiều dài và vận tốc 1.060 Gia công vật liệu bán dẫn/các ứng dụng y học/hàn 10.600 Gia công vật liệu-cắt, hàn 1.4.1 Laser r¾n Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn, gồm một chất nền và các tâm chất được đưa vào dưới dạng tạp chất. Chất nền có thể là đơn tinh thể hoặc vô định hình. Thông dụng nhất là các tinh thể oxid có cấu trúc trật tự, ví dụ như tinh thể Al2O3 với tạp chất là Cr3+; Y3Al5O12 và YAlO3 với tạp chất là ion Nd3+; tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất là ion Dy2+ (dyplozi). Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn rất lớn, thường trong khoảng từ 10171020/cm3, lớn hơn khoảng 100-1000 lần so với chất khí. Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí, vì vậy cùng một công suất thì laser rắn có thanh hoạt chất nhỏ hơn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn so với chất khí, tiêu hao do tán xạ lớn, do vậy hệ số phẩm chất của laser rắn nhỏ, góc mở của tai laser do nhiễu xạ là lớn (vài chục phút, trong khi góc mở của laser khi chỉ vài chục giây). Trong laser rắn, các hạt tương tác với nhau do vậy các mức năng lượng thường có độ rộng là lớn, vạch bức xạ tự phát và bức xạ laser thường có dải phổ rộng. Với chất vô định hình, độ rộng vạch bức xạ tự phát khoảng vài chục Ao, của chất đơn tinh thể khoảng vài Ao, với laser khí chỉ khoảng vài phần mười Ao. Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, thường dùng bơm quang học bằng cách chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất, tạo tích