Luận văn: Ảnh hưởng yếu tố công nghệ đến năng suất, chất lượng cắt laser

Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cắt laser. Phân tích thông số kỹ thuật, vật liệu và quy trình tối ưu hiệu quả gia công.

• Tác giả: Ngô Đức Định
• Người hướng dẫn: GS. Trần Văn Dịch
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Cắt Laser: Yếu tố ảnh hưởng Năng suất và Chất lượng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và Nguyên lý Cắt Laser

Cắt laser là một công nghệ gia công hiện đại sử dụng chùm tia laser để cắt các loại vật liệu kim loại và phi kim loại. Quy trình này dựa trên nguyên lý tương tác giữa năng lượng photon và vật liệu, tạo ra nhiệt độ cực cao làm nóng chảy và bay hơi vật liệu. Laser CO2 được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay do hiệu suất năng lượng cao và chi phí thấp. Khi chùm tia laser tập trung vào bề mặt vật liệu, nó tạo ra một vùng nhiệt cục bộ với cường độ công suất vô cùng cao, cho phép cắt chính xác các hình dạng phức tạp.

1.1. Cơ sở vật lý của laser

Laser hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích. Các electron được kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra photon. Những photon này được khuếch đại bởi buồng cộng hưởng, tạo ra chùm tia laser có độ hướng cao và mật độ công suất lớn. Phương trình truyền nhiệt lõng quánh mô tả sự phân bố nhiệt trong vật liệu trong quá trình cắt.

1.2. Các loại laser công nghiệp

Có ba loại laser chính được ứng dụng trong công nghiệp: Laser rắn (Ruby, Nd-YAG), laser khí (CO2, Excimer), và laser bán dẫn. Laser CO2 phù hợp nhất cho cắt kim loại vì chiều dài sóng 10,6 μm được hấp thụ tốt bởi kim loại. Laser Nd-YAG được dùng cho cắt kim loại mềm và hàn. Mỗi loại laser có những thông số cơ bản khác nhau như công suất, chiều dài sóng, và hiệu suất.

II. Các Yếu tố Ảnh hưởng đến Năng suất Cắt

Năng suất cắt laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ mà kỹ sư phải tối ưu hóa. Vận tốc cắt là yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gia công và hiệu quả. Khi vận tốc cắt tăng, năng suất cao hơn nhưng chất lượng bề mặt có thể giảm. Công suất laser cũng là yếu tố thiết yếu – công suất cao cho phép cắt vật liệu dày hơn hoặc tăng vận tốc. Áp suất khí thổi hỗ trợ giúp loại bỏ vật liệu nóng chảy, ảnh hưởng đến khả năng cắt sâu. Tiêu cự và đường kính điểm hội tụ xác định cường độ năng lượng tại điểm cắt.

2.1. Ảnh hưởng của công suất laser

Công suất laser (W) quyết định năng lượng tập trung trên bề mặt vật liệu. Công suất cao hơn cho phép cắt vật liệu dày hơn và tăng vận tốc cắt. Tuy nhiên, công suất quá cao gây ra biến dạng nhiệt và mất độ chính xác gia công. Mật độ công suất (W/cm²) tại bề mặt phải vượt ngưỡng nhất định để bắt đầu quá trình nóng chảy.

2.2. Vai trò của vận tốc cắt

Vận tốc cắt quy định tốc độ dịch chuyển chùm laser dọc theo đường cắt. Vận tốc cao tăng năng suất nhưng chất lượng cắt giảm. Vận tốc quá thấp gây ra cạnh bị thiêu, khi vận tốc quá cao tạo ra mạch cắt không đều. Tối ưu hóa vận tốc cắt phụ thuộc vào công suất, loại vật liệu, và độ dày.

III. Các Yếu tố Ảnh hưởng đến Chất lượng Cắt

Chất lượng cắt laser được đánh giá qua độ nhám bề mặt, độ rộng mạch cắt, độ chính xác chiều dài, và mức độ biến dạng. Độ rộng mạch cắt (kerf width) phụ thuộc vào đường kính điểm hội tụ – điểm hội tụ nhỏ hơn cho mạch cắt hẹp hơn. Độ nhám bề mặt (Ra) ảnh hưởng bởi vận tốc cắt, công suất, và loại vật liệu. Chất lượng bề mặt cắt tốt yêu cầu không có cạnh bị thiêu, không biến dạng, và độ thẳng cao. Hiện tượng chuyển pha vật liệu như tan chảy và bay hơi cần được kiểm soát chặt chẽ.

3.1. Độ nhám bề mặt cắt

Độ nhám bề mặt là chỉ số quan trọng phản ánh chất lượng gia công. Bề mặt cắt nhám xảy ra khi có sự dao động của chùm laser hoặc vận tốc không ổn định. Vận tốc cắt cao dẫn đến bề mặt nhám hơn vì khí thổi không kịp loại bỏ vật liệu nóng chảy. Vật liệu dày yêu cầu vận tốc cắt thấp hơn để đạt độ nhám tốt.

3.2. Độ chính xác hình học

Độ chính xác gia công phụ thuộc vào ổn định của thiết bị và tham số công nghệ. Tiêu cự của hệ thống quang học ảnh hưởng đến khả năng tập trung chùm tia. Độ chính xác cao yêu cầu đường kính điểm hội tụ nhỏ, công suất ổn định, và vận tốc cắt không dao động.

IV. Tối ưu hóa Quy trình Cắt Laser

Để đạt hiệu quả cao nhất, cần thiết lập mô hình toán học mô tả tương tác giữa chùm tia laser và vật liệu. Phương trình truyền nhiệt giúp dự đoán phân bố nhiệt, độ sâu nóng chảy xuyên thâu, và mô hình hóa quá trình gia công. Thí nghiệm thực nghiệm với các thông số công nghệ khác nhau giúp xác định vùng tối ưu. Thiết kế thí nghiệm hiệu quả cho phép giảm số lần thử nghiệm mà vẫn đạt độ tin cậy cao. Cần kiểm tra ảnh hưởng đơn của các thông số (công suất, vận tốc, áp suất khí) đến chất lượng mạch cắt. Việc xây dựng mối quan hệ giữa các tham số giúp dự đoán kết quả và tối ưu hóa sản xuất.

4.1. Mô hình toán học quá trình cắt

Mô hình hóa quá trình gia công sử dụng phương trình truyền nhiệt lõng quánh và điều kiện biên phù hợp. Phân bố nhiệt được tính toán trong hệ tọa độ trụ với vật liệu có sự chuyển pha (tan chảy, bay hơi). Mô hình dự đoán chiều sâu nóng chảy và vận tốc thoát chảy, giúp hiểu rõ cơ chế cắt.

4.2. Phương pháp thí nghiệm tối ưu

Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị xác định giới hạn hoạt động. Thí nghiệm ảnh hưởng đơn của các thông số công nghệ giúp hiểu rõ tác động riêng lẻ. Kiểm tra ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ rộng mạch cắt cung cấp dữ liệu thực tiễn. Kết quả thí nghiệm xác định điều kiện tối ưu cho từng loại vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chương! Tìm hiểu về laser.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cơ sở vật lý lasor.3 Cầu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát laser 1.2 Budng công hưởng 1.3 Bộ phận kich thích.4 Các loại nguồn phát laser 1.5 Các thông số cơ bản của chủm ]aser.6 Các loại máy laser dùng trong công nghiệp 1. Máy phát laser rắn.2, May phat laser khi.7 Quá trình tương tác giữa chum tia laser va vatligug gia céng 1.1 Phương trình truyền nhiệt lổng quái 1.2 Điều kiện biên của sự truyền nhỉ 1.3 Phân bố nhiệt trong hệ tọa dộ trụ.4 Đốt nóng vật không có hiện Luong chuy 1.5 Dết nóng vật liệu có sự chuyển dich nhiều pha. Chatong 2 Laser được ủng dụng, trọng cuộc sing va trong ngànhcông 213 Cácác phường nhấp CN và Hiện bằng laser.2 Ứng dụng laser đẻ bàn vật liệu.1 Giới thiệu chúng.

40 2 Cơ chế hàn laser eee eee cece ener 3 Hàn truyền nhiệt 44 4 Tan kiến lỗ khóa 41 5 Các thông số ông nghệ của quả trình hàn bằng laser.3 Ung dung laser để nhiệt hyện va at lý bề mặt 45 2.1 Giới thiệu chung.2 Cáo thông số công nghệ 46 3.4 Các ứng dụng khác. cà cà cọ sen cà cà có 4Ó Chương 3 - Cắt kim loại với tỉa Laser CÔ2.1 Mỗi quan hệ giữa các tham số công nghệ .2 Ảnh hướng của các tham số công nghệ lên chất lượng gia công, 3⁄3. Sơ đỗ khối của quá trình cất bằng Lia taser 3.1 Dường kính điểm hội tụ 3.2 Độ sâu hội tụ 3. Vật liệu gia công 3.

Mồ hình hóa quá tình gia công vật liệu bằng chùm tia laser thông qua lí thuyết nhiệt.5 Đối tượng nghiên cứu khi gia công bằng laser.1 Đại lượng chất lượng bê mặt cắt và độ chính xác gia công - độ rộng: “mạch cắt.2 Ảnh hưởng của ác › tham số công,p nghệ lên chất thương cắt bằng tia laser.3 Lua ‘chon dối lượng nghiên.3 Điều kiện tiểu hành thí nghiệm 42 Thiết kế thí nghiệm. Mê hình dịnh tinh qua trình gia công cắt với tia laser 4. Thiết kế các thí nghiệm 43. Thue hign thi nghiém.1 Thi nghiệm thăm đỗ khả năng công nghệ của thiết bí.2 Thí nghiệm kháo sát ảnh hưởng đơn của một số thông số công nghệ đến chất lượng mạch cắI 75 Kết luận.

BỘ Thi liệu tham khảo Tám tắt luận văn Phụ lực DANH MUC CAC BANG BIEU Bang 1.1: MéLsé laser thudng giip rong công nghiệp, Bang 3.1: [ing sé vật liêu của một số vật liệu cơ bản.1: Đặc tính kỹ thuật của các vật liệu thí nghiệm.2: Thí nghiệm thăm dò khả rững công nợi tủa thiết bị Bang 4.3: Thí nghiệm ảnh huởng đơn của các thông số công nghệ Bang 4.4: Thí nghiềm kiểm tra ảnh hưởng của vận lóc cắt đến độ rộng mạch: cắt. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BỎ THỊ THình 1.L: Sơ đỗ nguyên lý máy phát Laser.2: Sơ dỗ múc năng lượng của Laser Ruby Tình 1.3 Sơ đỗ mức năng lượng của tinh thé Nd trong laser Nd-YAG.4: Sơ đổ mức năng lượng của Laser CO2 Hình 1.5: Sơ đỗ múc năng lượng của Laser Ho-Ne Hinh 1.6: Profin của chưnn Taser hội tụ Linh 1,7: So 43 nguyén ly may phat laser Ruby.8: Su dé nguyén ly may phal laser CO2.1: Phân loại tống quát các ứng đựng của laser Hình 3.2: Phân loại ứng dụng của laser theo sự chuyển pha.3: Biểu đỗ cường độ năng lượng- thời gian tương tác của laser với kim loại Hình 2.4: Sơ đồ hình thánh dong chảy trong vũng hân.5: Phân nhóm nhiệt luyện bê mặt bằng laser.6: Tiêu km loại có hỗ trợ bằng tỉa laser.1: Ánh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bể mặt.2: Sơ đỗ công nghệ cắt bang tia laser. m Số mode dọc Me Khối lượng thoát chày Ke my — Khối lượng nóng chây của vật ligu ran Ke my — Khối lượng vật liệu hóa hơi n Số mode ngang Pp Ấp suất khi thôi bar Đao — Thành phẩn áp suấtvảo của phẩntử đơnvị bar Pm ‘Thanh phần áp suất ra của phân tử đơn vị bar re Ap suit phan hor bar ps Ấp suất hơi bão hòa bar 4 Thong lượng nhiệt Jim % Thông lượng nhhột đối hại Tan + Thông lượng nhiệt bức xạ Tn r 'Tọa độ hướng tâm; bán kinh chủm tia mm t Chiéu day cất mm th Thời gian điện ra giai đoạn nung nóng, tes Théi gian dạt đến nhiệt độ nóng cháy tp Chiều dai xung laser u Tiền giả định hoặc năng lượng bên trong Y Van toc eat nưph Xe Van tốc thoát chây Vm Van tốc chảy w —— Vậntốc bốc hơi w Chiểu rộng mạch cắt ụm Zm Chiều sâu nóng chảy xuyên thâu mm xyz — Tọa độ Để các A Diện tích bể mặt hoặc hệ số háp thụ môi trường hoặc hệ số hắp thụ năng lượng Av — Hệsốhấpthụ năng lượng ö trạng thái hoi Bo Ling sd hỏa hơi Ce NHuội lượng riêng the tích 3x Cý — Nhiệt lượng riêng tại áp suất Không đổi 4 D Tưởng kinh chùm tia chưa hội tụ mm Mật dộ công suất Wem? Tas Cudng 46 céng suấthập thụ Wem? 1x Cường dé chum laser cân thiết để nung chảy Wrem? 1 Cưỡng độ chum laser tại bễ mặt Wren? i Cường độ ngưõng Wem? 12 Mật độ công suất của chum laser max, hode cuong Wren? độ ảnh sang trung bình 1a,j, — TĨâm Dassel ở đạng thứ nhất Ko Ham Bassel 6 dang 2 hoae 0 + Nhiệt tiểm tàng bốc hơi ike ZL¿ Nhiệt lượng nóng chây Tike, ï„ Nheeij hrong hoa hoi kg 1x Nhiệt ân nóng chảy J4kg P Công suật laser W RA Hệsỗốphánxa Rs 1 86 Rayleigh 7 — Nhiệt độ KC Tony Nhiệt độ môi trường m Số mode dọc Me Khối lượng thoát chày Ke my — Khối lượng nóng chây của vật ligu ran Ke my — Khối lượng vật liệu hóa hơi n Số mode ngang Pp Ấp suất khi thôi bar Đao — Thành phẩn áp suấtvảo của phẩntử đơnvị bar Pm ‘Thanh phần áp suất ra của phân tử đơn vị bar re Ap suit phan hor bar ps Ấp suất hơi bão hòa bar 4 Thong lượng nhiệt Jim % Thông lượng nhhột đối hại Tan + Thông lượng nhiệt bức xạ Tn r 'Tọa độ hướng tâm; bán kinh chủm tia mm t Chiéu day cất mm th Thời gian điện ra giai đoạn nung nóng, tes Théi gian dạt đến nhiệt độ nóng cháy tp Chiều dai xung laser u Tiền giả định hoặc năng lượng bên trong Y Van toc eat nưph Xe Van tốc thoát chây Vm Van tốc chảy w —— Vậntốc bốc hơi w Chiểu rộng mạch cắt ụm Zm Chiều sâu nóng chảy xuyên thâu mm m Số mode dọc Me Khối lượng thoát chày Ke my — Khối lượng nóng chây của vật ligu ran Ke my — Khối lượng vật liệu hóa hơi n Số mode ngang Pp Ấp suất khi thôi bar Đao — Thành phẩn áp suấtvảo của phẩntử đơnvị bar Pm ‘Thanh phần áp suất ra của phân tử đơn vị bar re Ap suit phan hor bar ps Ấp suất hơi bão hòa bar 4 Thong lượng nhiệt Jim % Thông lượng nhhột đối hại Tan + Thông lượng nhiệt bức xạ Tn r 'Tọa độ hướng tâm; bán kinh chủm tia mm t Chiéu day cất mm th Thời gian điện ra giai đoạn nung nóng, tes Théi gian dạt đến nhiệt độ nóng cháy tp Chiều dai xung laser u Tiền giả định hoặc năng lượng bên trong Y Van toc eat nưph Xe Van tốc thoát chây Vm Van tốc chảy w —— Vậntốc bốc hơi w Chiểu rộng mạch cắt ụm Zm Chiều sâu nóng chảy xuyên thâu mm m Số mode dọc Me Khối lượng thoát chày Ke my — Khối lượng nóng chây của vật ligu ran Ke my — Khối lượng vật liệu hóa hơi n Số mode ngang Pp Ấp suất khi thôi bar Đao — Thành phẩn áp suấtvảo của phẩntử đơnvị bar Pm ‘Thanh phần áp suất ra của phân tử đơn vị bar re Ap suit phan hor bar ps Ấp suất hơi bão hòa bar 4 Thong lượng nhiệt Jim % Thông lượng nhhột đối hại Tan + Thông lượng nhiệt bức xạ Tn r 'Tọa độ hướng tâm; bán kinh chủm tia mm t Chiéu day cất mm th Thời gian điện ra giai đoạn nung nóng, tes Théi gian dạt đến nhiệt độ nóng cháy tp Chiều dai xung laser u Tiền giả định hoặc năng lượng bên trong Y Van toc eat nưph Xe Van tốc thoát chây Vm Van tốc chảy w —— Vậntốc bốc hơi w Chiểu rộng mạch cắt ụm Zm Chiều sâu nóng chảy xuyên thâu mm MO BAU Ngày nay, kỹ thuật laser đã có những phát triển vượt bậc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngảnh kỹ thuật vả công nghệ. Từ những ứng dụng dơn giản trong đề dùng gia dung hàng ngày đến các ứng dụng hữu ích trong công nghệ y sinh, các ứng dụng quan trọng trong cổng nghiệp truyền thông, khoa học quân sự.

khoa học vật liệu v., laser đã và đang sử dụng để gia công vật liệu trong ngành chế †ạo máy như một đạng năng lượng siều nhiên, có thể gia công được bầu hết các loại vật liệu với yêu cầu kỹ thuật khát khe mà các phương pháp gia công thông thường, khỏ có thê thực hiện được. Gia công bằng chủm tia có mật độ năng lượng cao là một tn thế lớn của kỹ thuật laser. Gia công bằng laser có thẻ thay thể cho một số phương pháp cắt gọt cơ học có ngưỡng nhất định không thể vượt qua được trong các nguyên công, khả. Vì thể gia công bằng laser được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là với các vật liệu khó gia công như hop kim cứng, gốm (Cerantic), composite.

Khi dùng laser đẻ gia công lỗ, người ta có thể gia công dược các lỗ nhỏ cỡ vải ưn trên các loại vật liệu, đặc biệt 1a kim loai va hop kim khó gia công, vùng ảnh hướng nhiệt được kiể s li da. Laser có thễ gia công được lỗ nhỏ trong chỉ tiết vòi phưn nhiên liệu của động cơ, vòi phun bơm cao cấp, vùi phum khi xoáy, các lỗ nhỏ với góc nghiêng tuỳ ý ở buông lắm mát động cơ máy bay, cac vi 16 nang cao hiệu ứng động lực học trên cánh máy bay, oác vi lỗ trên lưới lạc ding trong y tế .