Bài giảng Gia công laze ( lbm–laser beam machining )

Nội dung text: Bài giảng Gia công laze ( lbm–laser beam machining )

1. Gia công laze ( lbm – laser beam machining ) Gia công laze(LBM), cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc một vật liệu bằng nhiệt bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc đồng hớng đến phôi. Laser là viết tắt của “ Light amplification by stimulated emission of radiation” Phơng pháp LBM không cắt vật liệu với khối lợng lớn, nhng cho tốc độ cắt vật liệu nhanh bằng công cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn. Phơng pháp LBM có yêu cầu về đồ gá tối thiểu và có thể thực hiện nhiều loại hình gia công kim loại khác nhau nh khoan, hàn, đánh dấu và xử lí nhiệt. Hiệu quả của LBM trong một ứng dụng cụ thể tuỳ thuộc vào xung và độ tập trung của tia và vào độ phản xạ, hệ số hấp thụ, độ dẫn nhiệt, tỉ nhiệt và nhiệt bay hơi của phôi. Laze đợc sử dụng nhiều nhất trong cắt kim loại, chủ yếu trong cắt theo profile 2 chiều (2D) của chi tiết tấm, khoan lỗ.
2. Nguyên lý gia công và thiết bị. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy LBM
3. Hình 1 mô tả sơ đồ nguyên lý máy LBM. Trong sơ đồ này thanh Rubi đợc phát sáng bằng khí Xenon quấn xung quanh. Thành trong của hộp đợc tạo tính phản xạ cao. Do phản xạ, ánh sáng phát ra từ ống phát sáng rọi hết vào thanh ru bi , làm thanh ru bi bị “xốc” và cộng hởng để tạo thành tia laser. Tụ điện đợc tích điện và một điện áp cao đợc đặt vào điện cực kiểu cò súng, vào lúc loé sáng tia laser càng mạnh.Chùm la laser phát ra , đợc một hệ thống thấu kính hội tụ tập trung lại để rồi va đập vào vật liệu, kết quả vật liệu bị bốc hơi và xói mòn. Ngời ta cũng có thể thay thế Laser rubi bằng các loại khác. Các laze cơ bản dùng trong gia công kim loại là các loại laze thuỷ tinh-neodymium - Nd: glass; laze CO2, và laze ruby nhôm chứa ytrium và neodymium (Nd:YAG).
4. Laze Nd:YAG có bớc sóng 1,06 m và có thể làm việc ở chế độ xung hay liên tục, nhng không thể cả hai một lúc. Tần số xung bị giới hạn bởi tỷ lệ công suất cực đại và thay đổi từ 1-10000 xung/s. Năng lợng xung của laze Nd:YAG thay đổi từ 5 - 80 j trên 1 xung, năng lợng xung ở mức 100j trên 1 xung có thể đạt đợc bằng bộ khuếch đại dao động trong bộ cộng hởng. Phần lớn các loại laze Nd:YAG công nghiệp có công suất ra trung bình 100 - 400W, nhng laze lớn hơn với công suất 500W cũng đã có. Laze CO2 có bớc sóng 10,6 m và có khả năng cho năng lợng trung bình cao hơn nhiều so với laze Nd:YAG. Công suất trung bình của Laze CO2 ở chế độ sóng liên tục là ở 250 - 5000 W. Trong chế độ xung, công suất trung bình giảm xuống. Công suất trung bình khi cắt kim loại bằng laze CO2 ở chế độ xung thuộc khoảng 100 - 2000 W.
5. Laze CO2 có khả năng phát ra một năng lợng cao hơn nhiều năng lợng trung bình của laze Nd:YAG . Nh vậy laze CO2 có khả năng cắt nhanh hơn. Xung laze Nd:YAG tạo ra một năng lợng xung lớn cho phép khoan percussion ( dập), cắt kim loại ở góc nghiêng (với bề mặt) và độ dày laze CO2 không thể thực hiện đợc. Có vài ứng dụng - ví dụ nh hàn điểm và cắt lỗ - mà cả hai loại trên có thể cho kết quả chấp nhận đợc với tốc độ khá cao. Khả năng và phạm vi làm việc của laze CO2 và laze Nd:YAG đợc trình bày trong bảng 1 và 2. Hàn laze đợc dùng ngày càng nhiều trong sản xuất lớn và xây lắp khối lợng lớn
6. Bảng 1: Khả năng gia công của laze CO2 theo công suất >3000 200 300 500 800 1500 W – – – – – 300 500 800 1500 3000 W W W W W * Hàn mí, hàn điểm, độ sâu 0.75 1.3 2.0 3.2 6.4 19.0 vùng chay lỏng lớn nhất , mm * Cắt độ dầy lớn 1.5 5.0 9.5 12.7 19.0 <25. nhất,mm * độ sâu vùng đợc xử lí 0.75 1.3 1.3 1.3 nhiệt , mm
7. Bảng 2: Khả năng gia công của laze Nd:YAG theo công suất <100W 150 – 200 – 200W 400W * Hàn ở thang micro, hàn thông thờng Có đánh dấu * Hàn mí, hàn điểm, độ sâu vùng chảy 1.3 2.0 lỏng lớn nhất , mm * Cắt , độ dày lớn nhất , mm 5.0 38 * Khoan, độ dày lớn nhất ,mm 5.0 38
8. Khoan Khoan laze đợc thực hiện bằng khoan percussion ( khoan dập - lỗ khoan có đờng kính bằng đờng kính tia, do đó tia laze không cần dịch chuyển mà chỉ đứng yên và thực hiện khoan) hay trepanning ( khoan cắt vòng - lỗ khoan có đờng kính lớn hơn đờng kính tia và tia laze phải khoan lỗ bằng chuyển động quanh trục lỗ nhiều lần, lần sau có bán kính lớn hơn lần trớc để thực hiện khoan lỗ đạt đến đờng kính thiết kế ). Khoan percussion đợc dùng để gia công các lỗ tơng đối nhỏ (đờng kính 1mm thờng khoan bằng trepanning. Khoan percusion thờng thực hiện bằng laze Nd:YAG vì công suất 1 xung của chúng cao hơn . Laze này làm việc ở chế độ xung ở đó mỗi xung lấy đi 1 khối lợng kim loại nhất định. Khi độ dày của kim loại tăng lên, phạm vi đờng kính lỗ tăng lên. Năng lợng đợc truyền tới đáy lỗ bằng tia laze đợc phản xạ khỏi thành trong của lỗ. Các tham số gia công cần quan tâm của khoan percussion đợc trình bày dới đây. Công suất. Khoan percussion đợc thực hiện bằng công suất laze nhỏ hơn khoảng 100 - 250 W. Thời gian khoan ở 40 J trên 1 xung đối với các mức năng lợng khác nhau đợc minh hoạ trong H.2.
9. Chiều dài xung đợc lựa chọn để tối u hoá chất lợng của lỗ. Chiều dài xung ngắn hơn có thể giới hạn năng lợng max đạt đợc trong một xung. Chiều dài xung thông thờng từ 0,5 - 2 miligiây. Tần số xung đợc xác định bằng tối u hoá năng lợng vào và các yêu cầu chất lợng. Tần số xung thờng đợc dùng trong khoan percussion là 5- 20 Hz với laze Nd:YAG và tới 100 Hz với laze CO2. Năng lợng xung yêu cầu đợc căn cứ chủ yếu trên độ dày, thành phần vật liệu và đờng kính lỗ. Năng lợng xung cao hơn cũng cung cấp tốc độ khoan cao hơn nhng có thể bất lợi đến chất lợng lỗ . Thấu kính xác định kích thớc tia, yếu tố này tơng ứng với đờng kính lỗ mong muốn. Kích thớc tia bằng kích thớc lỗ ở các kim loại mỏng (độ dày <6mm). Khi độ dày kim loại tăng lên, phạm vi đờng kính lỗ có thể đạt đợc khoan bằng percussion tăng lên. Các kim loại dày hơn và các lỗ khiến cho phải sử dụng thấu kính tiêu cự dài hơn. Tiêu cự thờng thuộc khoảng từ 100 - 250 mm.Vị trí hội tụ có thể đợc tối u hoá trên, dới hay đúng trên bề mặt phôi, tuỳ thuộc vào các kết quả muốn đạt đợc. Phần lớn các trờng hợp, điểm hội tụ nằm dới bề mặt ở độ sâu 5 - 15 % độ dày kim loại. Độ hội tụ để đạt đợc kết quả mong muốn thờng đợc xác định bằng thực nghiệm sau khi đánh giá chất lợng lỗ. Chất lợng lỗ đợc xác định bằng độ tròn độ côn, mức độ tái đúc và nứt tế vi.
10. Hình 2 ; Thời gian khoan bằng laser Nd :YAG . Vật liệu phôi Inconel 718;năng lợng xung , 40j
11. Trepanning thờng thực hiện bằng cả laze CO2 và laze Nd:YAG. Trepanning cần một lỗ khoan mồi và đợc thực hiện bằng tịnh tiến phôi hay hệ thống quang học hội tụ (thông thờng bằng chuyển động nội suy tròn hay nhiều trục). Phạm vi độ dày kim loại giống nh khoan percussion. Tuy nhiên, khi độ dày kim loại tăng lên, tốc độ gia công giảm xuống. Khoan trepanning về bản chất là quá trình cắt và có thể thực hiện bằng chế độ làm việc của laze xung và laze liên tục. Các tham số gia công quan tâm trong khoan trepanning đợc cho ở dới đây. Công suất đợc thiết lập ở mức cần thiết để đạt công suất cực đại. Công suất trung bình đợc xác định bằng thiết kế laze và tốc độ max ở đó chi tiết và hay tia có thể tịnh tiến mà không làm mất dung sai đặt ra. Độ dài xung đợc lựa chọn qua yêu cầu chất lợng, thành phần vật liệu, độ dày vật liệu và loại laze. Độ dài xung đợc tăng lên khi độ dầy vật liệu tăng. Độ dài xung với cả 2 loại laze CO2 và laze Nd:YAG nói chung nhỏ hơn 2 miligiây. Tần số xung xác định tốc độ gia công ở đó vật liệu đợc gia công. Tần số xung thấp hơn thờng dùng khi độ dày kim loại cao hơn.
12. Tiêu cự đợc xác định bằng độ dày của vật liệu. Thấu kính tiêu cự lớn đ- ợc dùng với vật liệu dày hơn hay khi mật độ năng lợng rơi xuống dới mức yêu cầu để vợt qua độ phản xạ của bề mặt. Tiêu cự tơng tự trong khoan percussion, mặc dù laze CO2 yêu cầu tiêu cự 125 mm hay ngắn hơn trong gia công trepanning. Đờng cấp khí đồng trục dùng để hỗ trợ khoan trepanning lỗ. Loại khí và áp suất phụ thuộc vào vật liệu. Oxy đợc dùng để đẩy nhanh phản ứng cháy, phản ứng này nâng cao hiệu quả của phơng pháp. Khí trơ dùng khi cần lớp bề mặt sau gia công không có oxit. Không khí có thể dùng nếu nó cho chất lợng lỗ chấp nhận đợc. áp suất khí ảnh hởng đến chất lợng lỗ trepanning. áp suất oxy từ 100 đến 350 kPa. áp suất khí trơ và không khí từ 200 đến 620 kPa. Các đầu phun đ- ợc dùng để khống chế và định hớng dòng khí. Các đầu phun khác nhau về thiết kế, nhng độ mở lỗ thông thờng từ 0m75 đến 2,5 mm trong trepanning. Khoảng cách đầu phun – phôi thay đổi từ 0 đến 15 mm tuỳ theo loại laze, thiết kế của đầu phun và lu tốc khí. Khoảng cách này đối với laze Nd : YAG là 5 mm.
13. Cắt Cắt có thể thực hiện bằng laze làm việc ở chế độ liên tục hay xung. Với laze CO2 , chế độ liên tục đợc dùng cho các kim loại dày, trong khi chế độ xung dùng cho kim loại mỏng hơn. Các laze Nd:YAG xung công suất cao đợc dùng để cắt các hợp kim đặc biệt có độ dày lớn. Các loại laze cũng đợc dùng để cắt các phôi cứng với độ dẫn điện thấp, loại không thể cắt bằng EDM. Ví dụ nitrit bo lập phơng đợc cắt bằng laze thay cho bằng EDM. Cắt bằng laze đợc thực hiện bằng laze CO2 và laze Nd:YAG. Cắt bằng laze CO2 thông dụng hơn bởi vì tốc độ căt cao hơn. Tốc độ cắt thông thờng với laze CO2 công suất 1250 W đợc trình bày ở H3. Các tham số của quá trình cắt bằng laze đợc mô tả dới đây. Công suất trung bình trong cắt bằng laze CO2 liên tục thờng từ 250 đến 5000 W. Trong chế độ xung, công suất trung bình cao hơn có thể cắt kim loại vì công suất tức thời cao hơn. Phạm vi công suất trong cắt kim loại ở chế độ xung nhỏ hơn khoảng 100 đến 2000 W đối với laze CO2. Cắt bằng laze Nd:YAG đợc thực hiện bằng công suất khoảng 100 đến 400 W.
14. Hỡnh 3 : Tốc độ cắt đối với laser CO2 ,1250W
15. Độ dài xung đợc lựa chọn để tối u hoá chất lợng bề mặt cắt. Độ dài xung ngắn hơn (<0,75 miligiây) đợc dùng trong quá trình cắt phức tạp các kim loại mỏng. Độ dài xung ngắn có thể hạn chế mức năng lợng tối đa trong một xung. Độ dài xung lớn hơn (lên tới 2ms)cho năng lợng xung lớn hơn, cho phép cắt kim loại dày hơn. Độ dài xung tơng tự có thể dùng cho cả laze Nd:YAG và laze CO2. Tần số xung đợc điều chỉnh để cho tốc độ cắt lớn nhất với chất lợng đặt ra. Nói chung, tần số cao hơn đợc dùng để cắt kim loại mỏng hơn. Với laze CO2 tần số cao từ 200 đến 500 Hz. Với laze Nd:YAG tần số cao từ 30 đến 100 Hz. Tần số thấp đợc dùng để cắt kim loại có độ dày lớn. Năng lợng xung cần có trong cắt liên quan đến độ dày kim loại. Khi độ dày kim loại tăng, năng lợng xung cũng phải tăng theo. Trong thực tế, laze CO2 cho năng lợng xung tới 2j ở chế độ độ dài xung lớn và tần số xung thấp. Laze Nd: YAG có thể cho năng lợng xung tới 80j tới tần số xung bị giới hạn bởi hệ số công suất cực đại của nó.
16. Việc lựa chọn thấu kính căn cứ trên độ dày kim loại, thành phần, yêu cầu chất lợng và đờng kính yêu cầu của tia. Độ rộng khe gia công lớn đạt đợc bằng cách dùng thấu kính tiêu cự lớn và vài vật liệu nh nhôm, cần khe hở gia công lớn để cho chất lợng tốt. Các hớng dẫn sau đây cho đờng kính tia từ 13 đến 25 mm. Với laze CO2 quy luật chung là dùng tiêu cự 65 mm để cắt kim loại dày tới 6 mm. Thấu kính tiêu cự 125 mm có thể dùng để cắt kim loại dày từ 5 đến 15,8 mm. Thấu kính tiêu cự 190 hay 250 mm có thể đợc dùng cho vật liệu dầy hơn 13 mm. Tiêu cự thông thờng của thấu kính cho laze Nd:YAG là 100 mm trong cắt kim loại mỏng hơn 3 mm. Trong cắt kim loại dày tới 25 mm, tiêu cự từ 50 đến 250 mm. Kim loại dày hơn thậm chí cần tiêu cự lớn hơn.
17. Việc cấp khí cho một dòng khí đồng trục, hình trụ thổi qua khe cắt để đẩy kim loại nóng chẩy đi. Loại khí có thể là oxy, khí trơ hay không khí tuỳ thuộc vào loại vật liệu và chất lợng đặt ra. Oxy đợc dùng nhiều nhất trong cắt thép. Khi cần cắt bề mặt không có oxit thì ngời ta dùng khí trơ, ví dụ nh heli. áp suất khí oxy từ 100 đến 350 kPa, trong khi áp suất cho khí trơ là 200 đến 620 kPa. Lỗ phun thông thờng từ 0,75 đến 2,5 mm. Khoảng cách đầu phun – phôi, tuỳ theo loại laze, thiết kế của đầu phun và lu tốc khí, thay đổi từ 0 đến 1,5 mm với laze CO2 và tới 5mm với laze Nd:YAG. Khoảng cách này và áp suất khí quyết định phần lớn chất lợng cắt. Dùng laze CO2 vết cắt sạch (không oxit và dross) có thể đạt đợc ở kim loại mỏng nh thép không gỉ, nhôm hay titan khi sử dụng khí trơ kiểu phun đồng trục áp suất 620 kPa với khoảng cách đầu phun – phôi nhỏ nhất
18. Giới hạn của LBM - Hiệu suất thấp ( 10 -15%) - Chiều dầy cắt bị giới hạn. - Lỗ gia cụng cú độ chớnh xỏc thấp. - Khụng thể gia cụng được vật liệu dễ chỏy . - Tuổi thọ của đốn flash thấp. - Giỏ đầu tư cao.