Nghiên cứu ảnh hưởng của laser đến năng suất và chất lượng gia công

Laser là viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. Năm 1704, Newton mô tả ánh sáng là dòng hạt. Năm 1803, thí nghiệm giao thoa của Young chứng minh ánh sáng có tính chất sóng. Sau đó, lý thuyết điện từ của Maxwell diễn tả ánh sáng là dao động nhanh của trường điện từ. Nền tảng lý thuyết laser được Einstein đưa ra khi cho rằng ngoài bức xạ tự phát, còn tồn tại bức xạ cưỡng bức. Năm 1960, Maiman công bố laser Ruby. Từ 1962-1968, nhiều nghiên cứu cơ bản về laser được phát triển. Các loại laser bán dẫn, laser Nd-YAG, laser khí CO2, laser màu được phát minh. Sau 1968, laser được thiết kế và sản xuất với độ tin cậy và tuổi thọ cao. Giữa những năm 1970, laser được chế tạo để ứng dụng vào sản xuất như cắt, hàn, khoan, khắc dấu. Những năm 1980 và đầu 1990, laser được khám phá các ứng dụng liên quan đến bề mặt như xử lý nhiệt.

Laser là chùm bức xạ điện từ đơn sắc, hội tụ, bước sóng từ cực tím đến hồng ngoại. Laser có thể thực hiện được trong dải công suất từ rất thấp đến rất cao, mật độ công suất có thể đạt đến 10^12 W/cm^2, với cỡ vết gia công chính xác và thời gian tương tác rất ngắn. Laser được phân biệt với các dạng bức xạ điện từ khác ở đặc 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 năm 1917. Khi có tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử vật chất sẽ xảy ra 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.

Cắt laser là quá trình sử dụng chùm tia laser hội tụ để làm nóng chảy, bốc hơi hoặc đốt cháy vật liệu, tạo thành vết cắt. Các thông số công nghệ quan trọng trong cắt laser bao gồm: công suất laser, tốc độ cắt, áp suất khí hỗ trợ, đường kính chùm tia, vị trí tiêu điểm. Điều chỉnh các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vết cắt, độ chính xác và năng suất gia công. Ví dụ, tốc độ cắt quá cao có thể dẫn đến vết cắt không hoàn toàn, trong khi tốc độ cắt quá thấp có thể làm cháy vật liệu. Áp suất khí hỗ trợ có vai trò thổi bay vật liệu nóng chảy, ngăn ngừa sự bám dính và oxy hóa.

Hàn laser là quá trình sử dụng chùm tia laser hội tụ để nung chảy và kết nối hai hoặc nhiều chi tiết kim loại lại với nhau. Ưu điểm của hàn laser là tốc độ hàn nhanh, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, biến dạng ít và chất lượng mối hàn cao. Các thông số công nghệ quan trọng trong hàn laser bao gồm: công suất laser, tốc độ hàn, chế độ xung, khí bảo vệ. Chế độ xung laser có thể được sử dụng để kiểm soát lượng nhiệt đầu vào, giảm thiểu biến dạng và cải thiện chất lượng mối hàn.

Laser được sử dụng để nhiệt luyện và xử lý bề mặt vật liệu. Công nghệ này tăng độ cứng, chống mài mòn và cải thiện tính chất cơ học của bề mặt chi tiết. Các thông số công nghệ chủ yếu bao gồm: công suất laser, tốc độ quét, đường kính chùm tia, lớp phủ bề mặt. Nhiệt luyện laser có thể được sử dụng để tạo ra các lớp bề mặt cứng trên các chi tiết máy móc, khuôn dập và dụng cụ cắt.

Các tham số laser có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Ví dụ, tăng công suất laser có thể cho phép tăng tốc độ cắt, nhưng cũng có thể làm tăng vùng ảnh hưởng nhiệt và làm giảm chất lượng bề mặt. Giảm tần số xung có thể làm giảm lượng nhiệt đầu vào, nhưng cũng có thể làm giảm tốc độ cắt. Việc điều chỉnh các tham số laser cần phải cân bằng giữa các yếu tố năng suất, chất lượng và chi phí.

Các tham số laser ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, độ vuông góc và các khuyết tật bề mặt. Công suất laser quá cao có thể dẫn đến cháy cạnh, xỉ bám và độ nhám bề mặt cao. Tốc độ cắt quá thấp có thể làm tăng vùng ảnh hưởng nhiệt và làm giảm độ chính xác kích thước. Việc lựa chọn các tham số laser phù hợp là rất quan trọng để đạt được chất lượng bề mặt tốt.

Vật liệu có tính chất khác nhau, dẫn đến thông số gia công bằng laser cũng khác nhau. Kim loại có độ dẫn nhiệt cao cần công suất laser lớn hơn và tốc độ cắt nhanh hơn so với vật liệu phi kim loại. Vật liệu dễ cháy cần được gia công với tần số xung thấp và khí hỗ trợ thích hợp. Việc hiểu rõ tính chất của vật liệu là rất quan trọng để lựa chọn các tham số laser phù hợp.

Thí nghiệm được thực hiện trên máy laser LC1000CO2-CNC với các thông số kỹ thuật đã được xác định. Vật liệu thí nghiệm là thép không gỉ SUS304 với độ dày 2mm. Khí hỗ trợ là oxy với áp suất thay đổi từ 1 bar đến 3 bar. Khoảng cách đầu phun được điều chỉnh trong khoảng từ 0.5mm đến 1.5mm. Mẫu được cắt theo hình dạng vuông với kích thước 50mm x 50mm. Các mẫu sau khi cắt được đo và đánh giá bằng các thiết bị đo lường chuyên dụng.

Thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần với 3 yếu tố và 3 mức. Các yếu tố bao gồm công suất laser, tốc độ cắt, và áp suất khí hỗ trợ. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số laser và chất lượng gia công. Mô hình toán học này có thể được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa các thông số laser cho các ứng dụng khác nhau.

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng công suất laser có ảnh hưởng lớn nhất đến độ rộng mạch cắt. Tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt. Áp suất khí hỗ trợ có ảnh hưởng đến việc loại bỏ xỉ và làm sạch mạch cắt. Khoảng cách đầu phun có ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước. Mô hình toán học đã được kiểm chứng và cho kết quả phù hợp với thực nghiệm.

Có nhiều phương pháp tối ưu hóa thông số laser, bao gồm phương pháp thử và sai, phương pháp quy hoạch thực nghiệm, và phương pháp thuật toán tối ưu hóa. Phương pháp thử và sai là phương pháp đơn giản nhất nhưng tốn nhiều thời gian và công sức. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm cho phép xác định các thông số laser tối ưu một cách hiệu quả hơn. Phương pháp thuật toán tối ưu hóa sử dụng các thuật toán toán học để tìm kiếm các thông số laser tối ưu trong một không gian thông số lớn.

Khí hỗ trợ có vai trò quan trọng trong quá trình cắt laser. Khí hỗ trợ có thể là oxy, nitơ, argon, hoặc không khí. Oxy được sử dụng để cắt thép carbon, tạo ra phản ứng cháy và tăng tốc độ cắt. Nitơ được sử dụng để cắt thép không gỉ và nhôm, ngăn ngừa quá trình oxy hóa và tạo ra bề mặt cắt sạch. Argon được sử dụng để hàn laser, bảo vệ mối hàn khỏi quá trình oxy hóa.

Các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển công suất theo thời gian thực, điều khiển đường dẫn laser, và điều khiển độ cao đầu phun có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác và chất lượng gia công. Điều khiển công suất theo thời gian thực cho phép điều chỉnh công suất laser để phù hợp với hình dạng và độ dày của chi tiết. Điều khiển đường dẫn laser cho phép tạo ra các đường cắt phức tạp với độ chính xác cao. Điều khiển độ cao đầu phun cho phép duy trì khoảng cách ổn định giữa đầu phun và bề mặt vật liệu.

Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các nguồn laser mới với công suất cao hơn và bước sóng ngắn hơn. Nguồn laser công suất cao cho phép gia công các vật liệu dày hơn và tăng tốc độ gia công. Nguồn laser bước sóng ngắn cho phép gia công các vật liệu có độ hấp thụ cao và tạo ra các chi tiết với độ chính xác cao. Các loại laser mới như laser sợi quang, laser đĩa, và laser trạng thái rắn đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi.

Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được sử dụng để điều khiển và tối ưu hóa quy trình gia công laser. AI có thể học hỏi từ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng để dự đoán các thông số laser tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. AI cũng có thể được sử dụng để giám sát và điều khiển quy trình gia công theo thời gian thực, phát hiện và khắc phục các lỗi gia công, và cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm.

Laser có thể được tích hợp vào các hệ thống sản xuất tự động để tạo ra các dây chuyền sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Robot có thể được sử dụng để di chuyển đầu phun laser và gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp. Hệ thống camera và cảm biến có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm và điều khiển quy trình gia công. Tích hợp laser vào hệ thống sản xuất tự động giúp giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất, và cải thiện chất lượng sản phẩm.