Luận văn Thạc sĩ: Tôi Bề Mặt Chi Tiết Bằng Laser CO2 - Nguyễn Thành Công

Luận văn thạc sĩ phân tích công nghệ tôi bề mặt bằng laser CO2. Tìm hiểu nguyên lý, các thông số ảnh hưởng và kết quả thực nghiệm chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Thành Công
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí Chính Xác & Quang Học
• Đề tài: Tôi Bề Mặt Bằng Laser CO2: Nguyên Lý & Ứng Dụng Thực Nghiệm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Tôi Bề Mặt Bằng Laser CO2

Tôi bề mặt bằng laser CO2 là một công nghệ tiên tiến trong xử lý bề mặt kim loại, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cơ khí chính xác. Quá trình này sử dụng tia laser CO2 có công suất cao để làm nóng bề mặt vật liệu đến nhiệt độ cao, tạo ra lớp k硬hoá bề mặt với độ cứng vượt trội. Laser CO2 có bước sóng 10.6 micromet, cho phép tập trung năng lượng lớn vào diện tích nhỏ. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong sản xuất khuôn mẫu, chỉ tiết dụng cụ và các bộ phận cơ khí đòi hỏi độ bền cao. Sự phát triển của máy laser điều khiển CNC đã nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quy trình tôi bề mặt bằng laser, mở ra những ứng dụng mới trong công nghiệp hiện đại.

1.1. Nguyên Lý Cơ Bản Của Laser CO2

Nguyên lý laser CO2 dựa trên sự kích thích phân tử CO2 bằng điện để phát ra ánh sáng hồng ngoại. Khi tia laser CO2 tiếp xúc với bề mặt kim loại, năng lượng photon được chuyển hóa thành nhiệt độ cao, làm nóng chảy và tái kết tinh lớp bề mặt. Quá trình này tạo ra cấu trúc kim loại mới với tính chất cơ học vượt trội, bao gồm độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn tốt hơn.

1.2. Cấu Trúc Máy Laser CO2 Điều Khiển CNC

Máy laser CO2 CNC bao gồm nhiều thành phần chính: ống phát laser, hệ thống quang học để tập trung tia, hệ thống làm mát, và bộ điều khiển CNC chương trình. Hệ thống truyền dẫn tia laser sử dụng gương phản xạ chính xác để hướng tia laser đến vị trí cần xử lý. Đầu nhiệt luyện được lắp đặt trên trục Z để điều chỉnh vị trí và công suất laser một cách tự động theo chương trình.

II. Nguyên Lý Vật Lý Của Quá Trình Tôi Bề Mặt

Quá trình tôi bề mặt bằng tia laser liên quan đến nhiều hiện tượng vật lý phức tạp. Khi laser CO2 tác dụng lên bề mặt kim loại, nó tạo ra một vùng được nung nóng đến nhiệt độ 1000-1500°C trong thời gian rất ngắn. Sự tương tác giữa tia laser và kim loại gây ra sự chuyển biến tổ chức, làm hình thành austenit - thành phần kim loại cứng. Mô hình dòng nhiệt trong vùng được nung cho phép tính toán sâu độ tôi bề mặt và phân布 nhiệt độ. Sau khi laser tắt, bề mặt được làm mát nhanh chóng, giữ lại cấu trúc austenit cứng. Quá trình này tạo ra lớp k硬hoá bề mặt (martensite) với độ cứng cao, trong khi lõi vật liệu vẫn giữ tính chất dẻo dai.

2.1. Sự Tương Tác Giữa Laser Và Kim Loại

Sự tương tác laser-kim loại bắt đầu khi tia laser CO2 chiếu vào bề mặt. Năng lượng laser được hấp thụ bởi lớp bề mặt, chuyển hóa thành nhiệt độ cao. Các thông số như công suất laser, tốc độ quét, và đường kính chùm laser ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hấp thụ năng lượng và phân布 nhiệt.

2.2. Lý Thuyết Chuyển Biến Tổ Chức Kim Loại

Chuyển biến tổ chức xảy ra khi kim loại được nung nóng đến nhiệt độ đủ cao. Sự hình thành austenite là bước quan trọng đầu tiên, nơi cấu trúc tinh thể thay đổi. Khi làm mát nhanh, austenite chuyển đổi thành martensite - thành phần cứng nhất, cung cấp độ cứng cao cho bề mặt vật liệu.

III. Các Thông Số Công Nghệ Của Quá Trình Tôi Bề Mặt

Chất lượng kết quả tôi bề mặt bằng laser phụ thuộc vào nhiều thông số công nghệ quan trọng. Công suất laser (thường 500-1000W đối với laser CO2) quyết định lượng năng lượng tác dụng lên bề mặt. Tốc độ quét ảnh hưởng đến thời gian tương tác và độ sâu của lớp được tôi. Đường kính chùm laser xác định diện tích tác dụng, thường từ 1-5mm tùy theo yêu cầu. Tần số xung và độ phủ cũng ảnh hưởng đến sự liên tục của lớp k硬hoá. Việc lựa chọn các thông số này phụ thuộc vào loại vật liệu, độ sâu tôi mong muốn và các yêu cầu ứng dụng cụ thể.

3.1. Công Suất Và Tốc Độ Quét

Công suất laser phải đủ cao để làm nóng bề mặt kim loại đến nhiệt độ tôi luyện (1000-1500°C), nhưng không quá cao để tránh làm nóng chảy bề mặt. Tốc độ quét càng chậm, thời gian tương tác dài hơn, sâu độ tôi lớn hơn, nhưng hiệu suất sản xuất giảm.

3.2. Đường Kính Chùm Và Tần Số Xung

Đường kính chùm laser nhỏ cho phép tôi các bộ phận nhỏ với độ chính xác cao. Tần số xung cao tạo ra lớp k硬hoá liên tục và đều. Các chỉ tiết có hình dạng phức tạp đòi hỏi điều chỉnh cẩn thận các thông số này để đạt chất lượng tối ưu.

IV. Ứng Dụng Thực Nghiệm Của Tôi Bề Mặt Laser CO2

Ứng dụng thực nghiệm của laser CO2 trong tôi bề mặt đã được chứng minh hiệu quả qua nhiều nghiên cứu. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong sản xuất chỉ tiết khuôn mẫu và các bộ phận dụng cụ yêu cầu độ bền cao. Hệ thống TC1000-CO2-CNC là một ví dụ điển hình với công suất 1000W, cho phép tôi các chỉ tiết phẳng và hình dạng phức tạp. Phần mềm điều khiển CNC cho phép lập trình các chương trình tôi phức tạp, điều chỉnh tất cả thông số công nghệ. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cứng bề mặt được tôi bằng laser CO2 tăng từ 45-55 HRC lên 60-65 HRC, khả năng chịu mài mòn cải thiện đáng kể, kéo dài tuổi thọ chỉ tiết công cụ.

4.1. Thiết Bị Và Quy Trình Thí Nghiệm

Hệ thống thí nghiệm bao gồm máy laser CO2 CNC, hệ thống gá chỉ tiết nhiệt luyện, và các thiết bị đo kiểm. Vật liệu gia công chủ yếu là thép dụng cụ với các chỉ tiết phẳng có hình dạng hình học chuẩn. Quy trình thực nghiệm tuân theo một nội dung tôi được thiết kế sẵn với các tham số khác nhau.

4.2. Kết Quả Và Đánh Giá Hiệu Quả

Các kết quả thí nghiệm cho thấy tôi bề mặt bằng laser CO2 cải thiện đáng kể tính chất cơ học của thép. Độ cứng, khả năng chịu mài mòn, và tuổi thọ công cụ đều tăng so với các phương pháp tôi bề mặt truyền thống. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ giúp tối ưu hóa quá trình để đạt chất lượng sản phẩm tốt nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỎNG QUAN VỀ LASER.1 Tịch sử phát triển nguồn sảng laser và ứng đụng Irong tôi kìm loại 1.2 Cơ sở vật ly lasor.3 Câu tạo và nguyên lý lâm việc của máy phát laser.2 Ruông công hưởng 1.3 Bộ phận kích thích 1.4 Các loại nguồn phát Ìaser. tt t Hit irrirree 1.4 Các thông số cơ bản của clrửm Ìas8f.5 Các loại laser dùng trong công nghiệp 1.1 May phat laser ran.2 May phat laser khí. non thue re 1.6 ng dụng laser trong công nghiệp 1.1 Ứng đụng laser để cất.1 Giới thiệu chung.2 Các thông số công nghệ của quá Irinh cắt bằng laser 1.2 Ung dung laser đề hàn vật liều.1 Giới thiệu chung .2 Cơ chế hàn laser 1,6.3 Các ứng dụng khác .4 Ứng đạng laser để nhiệt luyện vả xử lý bẻ mặt.1 Giới thiệu chưng 1.2 Các thông số công nghệ chủ yếu.

NHTỆT TUYỆN BẰNG TIA LASER 2.1 Các phương pháp nhiệt luyện bề mặt 28 2.1 Nhiệt luyện bằng tỉa laser 28 3.3 Các phương pháp.4 Phân tích các phương pháp nhiệt luyện bằng laser. Tôi bể mặt bằng tia laser 33 3.1 Các Lham số chính ảnh hướng chất hượng tôi bằng, laser 34 2. Một số vẫn đẻ của Tôi bê mặt bằng laser 35 3. huyện bằng tia Iaaer 37 2.1 Sự tương tác giữa laser và kim loạt.

Mô hình dòng nhiệt khi nhiệt luyện bằng laser - 239 2. Mô hình nhiệt nhiệt luyện bê mặt bằng laser. Lí thuyết chuyên đổi tổ chức củathép nhiệt luyện.1 Sự hình thành austenit - - 43 3.3 Các chuyển biến khi lâm BUS oceania AS 2.3 Sự hình thành macleril 47 3. Tôi tự ram bằng tia Ìa8GT.

con Strerrerrrrrrrrrrrrrsrroseooo ĐÔ CHƯƠNG 3. THIET BI NHIET LUYEN BANG LASER CO2 DIEU KHIEN CNC. Các linh kiện cấu thành máy laser CƠ2. Dặc điểm của nguồn laser.

Buêng cộng hướng. Rộ phận kích thích và hoạt chất 34 3. Hệ thẳng làm mát.1 Nguyên lí thiết kế cầu hình máy eg sở:.S ii -_ Nghiên cửu thực nghiệm và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình nhiệt luyện trên thép dụng cụ để chế tao các chỉ tiết khuôn. Vi lĩnh vực của để tài còn nhiều mới mẻ và phức tạp, kiến thức hiểu biết của ban than con nhiều hạn chế nên bản luận vấn này còn có những hạn chế.

Tôi mong được các Thay, C6 va cic bạn đồng nghiệp góp ý, bố xung để bản Tận văn được boàn thiện hon. "Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Vinh, Thay đã dẫn đất và định hướng, truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong học Lập cũng nhưừ nghiên cứu, giúp lỗi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Cứ khí chính xác và Quang bọc — Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã Iruyền đại kiến thức cho tôi trong quả trình học tập vả nghiên cứu.

Và tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện. may va Dung cy Céng nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm đảo tạo và cáo bạn đồng nghiệp tạo điều kiên giúp lôi hoán thành luận văn này là nội, ngày - tháng - năm 2010 Tác giả Nguyễn Thành Công 3.2 Hệ thông máy laser 38 3 2. Máy laser LỢI 000ƠNG công suấi 1 000w 61 3. Hệ thống laser FBHA.

Hình ảnh máy laser CO2. Iệ truyền dẫn tia laser và đầu nhiệt luyện.5 Hệ điều khiển CC 6? 3.1 Các nút điều khiển mớ rộng, 68 3.2 Thân điều khiển các đèn báo tin hiệu 68 3.3 Các công Lắc phụ 69 3.4 Lệnh lập trình công nghệ cho ngudn plait laser oo.5 Các thông điệp báo lỗi khi vận hảnh máy.6 Điệu khiển công suất 71 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM NHIỆT LUYỆN BẢNG TIA LASER.1 Giới hạn của luận văn.2 Hệ thông thiết bị thí ng lhiệm.1 Hệ thẳng TC1000- CO:-CNC 74 4.2 Hệ thắng gá chú tiết nhiệt lưyện.1 Nhiệt luyện chỉ tiết phẳng,.9 Phin mêm nhiệt lưyện.4 TIệ thống đo kiểm mẫu.5 Hình dạng hinh học mẫu 80 4.6 Vật liệu gia công 80 43 Thidt ké thi nghidm o.1 Néi dung thi nghiém 81 4.1 Tuyén chon tham 4 thi nghi8m oo. assesses saree] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ Tình 1.

So dé nguyén ly may phat Laser Hinb 1. Dai bước sóng của oác loại laser thường gặp Tình 1 3 Sơ để mức năng lượng của laser Ruby Tình 1 4 Sơ để mức năng lượng của tình thế Nd trong Linh thé Nd YAG Hình 1.5: Sơ đổ múc năng lượng laser CO.6: Sơ để mức năng lượng laser Ie Hình 1. Profile của chủm laser hội tụ Hinh 1. So 46 nguyên lý máy phát laser rắn (Ruby Ïaser) Hình! 9: Sơ để nguyên lý may phat laser CO, Finh 1.10: Phan loại tổng quát các ứng dụng của laser Hình 1.

Phân loại ung dụng của laser theo sự chuyển biển pha Tinh 1.12: Sơ để hình thành đàng chảy lỏng trong vũng hân THình I.13: Tiện kim loại có hỗ trợ bằng lia laser Tình 2.1 : Đề thị năng lượng lascr theo chiếu sâu vật chất Tỉnh 2.2: Phân nhỏm nhiệt luyện bề mặt bằng laser Hình 23: Biển đồ cường độ năng lượng- thời gian tương tác của laser với kim loại Hình 2.4: Một số chỉ tiết được nhiệt luyện bằng laser Tình 3.5: Thả hiện va chạm của ta X với bẻ mặt vật chất H- biên độ, œ-tần số, z- khoảng, dịch chuyéntheo hưởng và chạm Tỉnh 3.7: Tuần tự háp thụ nhiệt khi công suất hấp thụ thay đôi Tình 28: Biểu déchuyén bién mắc thép khí nhiệt luyện Hinh 2.10:Biêu dễ chuyển biển khi nhệt luyện bang laser THinh 3.1: Nguyên li hệ thông laser Tình 3.2: Kiểu hệ thẳng T.aser CO, Hình 3.3 : Quả trình kích thích thích phan ti hoat chat Tỉnh 3.4: Câu hình một số máy bằng tỉa laser Hình 3.5: lĩnh ảnh cắt laser Tình 3.6: Bàn cắt của máy laser Hình 3.7 : Kết cầu đầu laser CO2 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ Tình 1. So dé nguyén ly may phat Laser Hinb 1. Dai bước sóng của oác loại laser thường gặp Tình 1 3 Sơ để mức năng lượng của laser Ruby Tình 1 4 Sơ để mức năng lượng của tình thế Nd trong Linh thé Nd YAG Hình 1.5: Sơ đổ múc năng lượng laser CO.6: Sơ để mức năng lượng laser Ie Hình 1. Profile của chủm laser hội tụ Hinh 1.

So 46 nguyên lý máy phát laser rắn (Ruby Ïaser) Hình! 9: Sơ để nguyên lý may phat laser CO, Finh 1.10: Phan loại tổng quát các ứng dụng của laser Hình 1. Phân loại ung dụng của laser theo sự chuyển biển pha Tinh 1.12: Sơ để hình thành đàng chảy lỏng trong vũng hân THình I.13: Tiện kim loại có hỗ trợ bằng lia laser Tình 2.1 : Đề thị năng lượng lascr theo chiếu sâu vật chất Tỉnh 2.2: Phân nhỏm nhiệt luyện bề mặt bằng laser Hình 23: Biển đồ cường độ năng lượng- thời gian tương tác của laser với kim loại Hình 2.4: Một số chỉ tiết được nhiệt luyện bằng laser Tình 3.5: Thả hiện va chạm của ta X với bẻ mặt vật chất H- biên độ, œ-tần số, z- khoảng, dịch chuyéntheo hưởng và chạm Tỉnh 3.7: Tuần tự háp thụ nhiệt khi công suất hấp thụ thay đôi Tình 28: Biểu déchuyén bién mắc thép khí nhiệt luyện Hinh 2.10:Biêu dễ chuyển biển khi nhệt luyện bang laser THinh 3.1: Nguyên li hệ thông laser Tình 3.2: Kiểu hệ thẳng T.aser CO, Hình 3.3 : Quả trình kích thích thích phan ti hoat chat Tỉnh 3.4: Câu hình một số máy bằng tỉa laser Hình 3.5: lĩnh ảnh cắt laser Tình 3.6: Bàn cắt của máy laser Hình 3.7 : Kết cầu đầu laser CO2 vi 4.2 Kế hoạch thí nghiệm 82 4.3 Điệu kiện tiến hành thí nghiệm 83 4.4 Thí nghiệm giai đoạn l:.5 Thí nghiệm gìai đoạn 2 84 CHƯƠNG 5. PHẦN TÍCH, ĐÁNH GIÁ.1 Phan tich va dinh gid chung escent ST 5. Công nehé cia nhiét luyén bang laser 88 5.1 Ảnh hưởng cac (ham sé céng nghệ lên chất lượng nhiệt luyện 88 5.3 Khả năng ngin that thoat carbon.3 Ảnh hưởng sự quét bề mặt.3 Kết luận phần thực nghiệm .4 Quy trinh nhiệt lưyện băng laser KET LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN Kết luận.97 Phương hướng nghiền cứu tiếp:.

à enneierrrraerririoororoosuÐB TAI LIEU THAM KHẢO - - - 99 ;unn .2 Kế hoạch thí nghiệm 82 4.3 Điệu kiện tiến hành thí nghiệm 83 4.4 Thí nghiệm giai đoạn l:.5 Thí nghiệm gìai đoạn 2 84 CHƯƠNG 5. PHẦN TÍCH, ĐÁNH GIÁ.1 Phan tich va dinh gid chung escent ST 5. Công nehé cia nhiét luyén bang laser 88 5.1 Ảnh hưởng cac (ham sé céng nghệ lên chất lượng nhiệt luyện 88 5.3 Khả năng ngin that thoat carbon.3 Ảnh hưởng sự quét bề mặt.3 Kết luận phần thực nghiệm .4 Quy trinh nhiệt lưyện băng laser KET LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN Kết luận.97 Phương hướng nghiền cứu tiếp:. à enneierrrraerririoororoosuÐB TAI LIEU THAM KHẢO - - - 99 ;unn.

iv DANH MỤC CÁC KY HIEU, CAC CHC VIET TAT e Vận tốc ảnh sáng. 2 Bude séng (m) v Tần số cña bức xa điện tử (Hz) h Ting 56 Planck D Đường kính chửm khí chưa hội tụ r Tiêu cực của thấu kinh. DOF Chiếu sâu hội tụ dam Tường kinh hội tạ. 1 Cường độ tia tới 6 Hệ số hấp thu phụ thuộc vào môi trường, q Điện tích đơn vị k Hệ số dẫn nhiệt T Thiệt độ x Thương truyền Heat, Nhật trước Khi truyền qua phân tử.

Heat,, Nhiệt sau khi truyền qua phân tử. HeaL,„„„ - | Nhiệt được giữ lại trong phan ti 1l6äilsa suis Nhiệt. phái sinhra Irong phản tữ. Te Nhiệt độ ban đân DANH MUC CAC BANG Bang 1.

Một số loại laser thường dửng trong công nghiệp Rang 4.1: Pie tinh ký thuật ctia 1. Dic tính vật liêu thí nghiệm nhiệt luyện. LOI NOIDAU Laser là một phát minh vĩ đại nhát của con người trong thể XX. Kỹ thuật laser đã có những bước phát triển vượt bậc, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ Thuật và công nghệ.

Từ những ứng dụng đơn giản trong đả đảng gia dụng hàng ngày đến các ứng dụng bữu íchtrong ông nghệ y sinh, oáo ứng đựng quan trọng trong công nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa học vật liệu. Hiện nay, trên thể giới các phương pháp gia công không truyền thông ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là các phương pháp gia công bằng tỉa, trong đó tỉa laser được tập trung nghiên cứu phát triển và đã phát huy được hiệu quả ứng dụng to lớn trong các ngành công nghiệp. Lợi dụng khả năng sinh nhiệt của laser khi tương tác với vật liệu, người ta đà sử dụng laser để nhiệt huyện bê mặt. Khả răng tích hợp nguằn laser trên máy cơ sở CNC bổ sung cho phương pháp công nghệ lợi thể gia công tr động.

Ưu điểm quan trong nhất của nhiệt luyện bằng laser là khả năng Laing cứng các bể mặt Iuyên chọn chịu mài môn.