Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến năng suất và chất lượng khi cắt bằng tia laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----***-----

NGÔ ĐỨC ĐỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT
VÀ CHẤT LƯỢNG KHI CẮT BẰNG TIA LASER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2014


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Mở đầu ………………………………………………………………………….9
Chương 1 Tìm hiểu về laser ………………………………………………..11
1.1 Lịch sử phát triển …………………………………………...……….11
1.2 Cơ sở vật lý laser ……………………………………………...…….11
1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát laser …..……………..13
1.3.1 Hoạt chất ………………………………………..………………...14
1.3.2 Buồng cộng hưởng ….…………………………………………….14
1.3.3 Bộ phận kích thích…..………………….…..……………………..14

1.4 Các loại nguồn phát laser…...…………….…..………………….….15
1.4.1 Laser rắn…..………………….…..…….………………………….16
1.4.2 Laser lỏng....………………….…..…………….………………….17
1.4.2 Laser khí....………………….…..…………………………………18
1.5 Các thông số cơ bản của chùm laser .…….…..………………….….20
1.6 Các loại máy laser dùng trong công nghiệp…..………………….….22
1.6.1. Máy phát laser rắn…...……………………..…………….……….22
1.6.2. Máy phát laser khí…...……………………..……………………..23
1.7 Q trình tương tác giữa chùm tia laser và vật liệu gia công ..……..23
1.7.1 Phương trình truyền nhiệt tổng quát……………………............….24
1.7.2 Điều kiện biên của sự truyền nhiệt…………………….......….……25
1.7.3 Phân bố nhiệt trong hệ tọa độ trụ...……………………..........….....26
1.7.4 Đốt nóng vật khơng có hiện tượng chuyển dịch pha.….......………26
1.7.5 Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha…….….....……..…27
Chương 2 Laser được ứng dụng trong cuộc sống và trong ngành công
nghiệp…………………………………………………………………………. 32
2.1 Ứng dụng laser để cắt vật liệu……………………………….…..….36
2.1.1 Giới thiệu chung ……………….…………………….…….…......37
2.1.2 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser ……………37
2.1.3 Các phương pháp cắt vật liệu bằng laser…………………..……..37
2.2 Ứng dụng laser để hàn vật liệu……………………….…………….40
2.2.1 Giới thiệu chung…………………………………..…………..….40
2.2.2 Cơ chế hàn laser………………………………………..…………41
2.2.3 Hàn truyền nhiệt…………………………………………….…….44
2.2.4 Hàn kiểu lỗ khóa………………………………………..…………44
2.2.5 Các thơng số cơng nghệ của quá trình hàn bằng laser……………45
2.3 Ứng dụng laser để nhiệt luyện và xử lý bề mặt…………..………...45
2.3.1 Giới thiệu chung………………………………………..………....45
2.3.2 Các thông số công nghệ chủ yếu ……………………………..…..46
2.4 Các ứng dụng khác……………………….………………………....46

1


Chương 3 Cắt kim loại với tia Laser CO2…………………………………….48
3.1 Mối quan hệ giữa các tham số công nghệ ………..……..……………..48
3.2 Ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng gia cơng ..…….49
3.3 Sơ đồ khối của q trình cắt bằng tia laser…………………….………50
3.3.1 Đường kính điểm hội tụ ……………………………………….…….52
3.3.2 Độ sâu hội tụ ………………………….…...………………….……..54
3.3.3 Vật liệu gia công …………………………..………………………...54
3.4 Mô hình hóa q trình gia cơng vật liệu bằng chùm tia laser thơng qua lí thuyết
nhiệt...........................................................................................................................56
3.5 Đối tượng nghiên cứu khi gia công bằng laser………………………...59
3.5.1 Đại lượng chất lượng bề mặt cắt và độ chính xác gia cơng - độ rộng
mạch cắt…………………………………………………………………………....59
3.5.2 Ảnh hưởng của các tham số công nghệ lên chất lượng cắt bằng tia
laser…………………………………………………………………………….......60
3.5.3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu…………………..……..…………...61
Chương 4
Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy TRULASER 3030–
CNC..………………………………………………………………………………63
4.1 Thiết bị thí nghiệm ………………………………………………….63
4.1.1 Gá mẫu ………………………………………………………………65
4.1.2 Chuẩn bị mẫu…….………….……………………………………….65
4.1.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm…….………………………………..66
4.2 Thiết kế thí nghiệm………………..…….……..…………………….68
4.2.1 Mơ hình định tính q trình gia cơng cắt với tia laser……………...68
4.2.2 Thiết kế các thí nghiệm……………………..……………………....68
4.3 Thực hiện thí nghiệm..................………….………………………....70

4.3.1 Thí nghiệm thăm dị khả năng cơng nghệ của thiết bị...……………..74
4.3.2 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng đơn của một số thông số công nghệ đên chất
lượng mạch cắt…………………………………………………………………….75
Kết luận ……………………..………………………………………………..…86
Tài liệu tham khảo
Tóm tắt luận văn
Phụ lục

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên gọi

Thứ nguyên

c

Nhiệt lượng riêng hoặc vận tốc ánh sáng

c1

Nhiệt lượng riêng của vật liệu ở trạng thái lỏng

J/kgK

cs

Nhiệt lượng riêng của vật liệu ở trạng thái rắn

J/kgK

dm

Đường kính điểm hội tụ

e

Lực căng

erf

Hàm sai số

erfc

Hàm sai số bổ sung

f

J/kgK; m/s

mm
N

Tiêu cự thấu kính hội tụ

mm

ffp

Mặt phẳng hội tụ

g

Hằng số hấp dẫn

h

Chiều dày lớp chảy lỏng hoặc entapy riêng hoặc
hằng số Planck

hc

Hệ số truyền nhiệt đối lưu

k

Hệ số dẫn nhiệt

W/mK

K

Hệ số khuếch tán nhiệt

cm2/s

Km

Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu lỏng

cm2/s

Ks

Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu rắn

cm2/s

Kv

Hệ số khuếch tán nhiệt của vật liệu hơi

cm2/s

kb

Hằng số Boltzmann

kl

Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái l ỏng

ks

Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái rắn

kv

Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái hơi

l

Chiều dài khuếch tán nhiệt

lth

Chiều sâu thâm nhập nhiệt

m/s2

3


m

Số mode dọc

me

Khối lượng thốt chảy

Kg

ms

Khối lượng nóng chảy của vật liệu rắn

Kg

mv

Khối lượng vật liệu hóa hơi

n

Số mode ngang

p

Áp suất khí thổi

bar

pvào

Thành phần áp suất vào của phần tử đơn vị

bar

pra

Thành phần áp suất ra của phần tử đơn vị

bar

pr

Áp suất phản hồi

bar

ps

Áp suất hơi bão hịa

bar

q

Thơng lượng nhiệt

J/m

qc

Thơng lượng nhiệt đối lưu

J/m

qr

Thông lượng nhiệt bức xạ

J/m

r

Tọa độ hướng tâm; bán kính chùm tia

mm

t

Chiều dày cắt

mm

th

Thời gian diễn ra giai đoạn nung nóng

tm

Thời gian đạt đến nhiệt độ nóng chảy

tp

Chiều dài xung laser

u

Biến giả định hoặc năng lượng bên trong

v

Vận tốc cắt

Ve

Vận tốc thoát chảy

Vm

Vận tốc chảy

Vv

Vận tốc bốc hơi

w

Chiều rộng mạch cắt

µm

Zm

Chiều sâu nóng chảy xun thấu

mm

m/ph

4

x,y,z

Tọa độ Đề các

A

Diện tích bề mặt hoặc hệ số hấp thụ môi trường
hoặc hệ số hấp thụ năng lượng

Av

Hệ số hấp thụ năng lượng ở trạng thái hơi

Bo

Hằng số hóa hơi

Cv

Nhiệt lượng riêng thể tích

J/kgK

Cp

Nhiệt lượng riêng tại áp suất khơng đổi

J/kgK

D

Đường kính chùm tia chưa hội tụ

I

Mật độ công suất

W/cm2

Iabs

Cường độ công suất hấp thụ

W/cm2

Im

Cường độ chum laser cần thiết để nung chảy

W/cm2

Is

Cường độ chum laser tại bề mặt

W/cm2

Iv

Cường độ ngưỡng

W/cm2

I0

Mật độ công suất của chum laser max, hoặc cường
độ ánh sang trung bình

W/cm2

mm

J0, ,J1

Hàm Bassel ở dạng thứ nhất

K0

Hàm Bassel ở dạng 2 hoăc 0

L

Nhiệt tiềm tàng bốc hơi

J/kg

Lf

Nhiệt lượng nóng chảy

J/kg

Lv

Nheeij lượng hóa hơi

J/kg

Lm

Nhiệt ẩn nóng cháy

J/kg

P

Công suất laser

R

Hệ số phản xạ

Ra

Hệ số Rayleigh

T

Nhiệt độ

Tamb

W

K, oC

Nhiệt độ môi trường

5


Te

Nhiệt độ kich thích

TB

Nhiệt độ sơi

Tl

Nhiệt độ trạng thái lỏng

Tm

Nhiệt độ chảy lỏng

Ts

Nhiệt độ bề mặt chi tiết

Tv

Nhiệt hóa hơi

T*

Nhiệt độ trung bình trong lớp chảy lỏng

T0

Nhiệt độ ban đầu

U

Năng lượng hóa hơi của nguyên tử hay sự vận
chuyển nhiệt

V

Thể tích vật liệu lỏng

α

Hệ số giãn nở nhiệt

ρ

Khối lượng riêng

η

Hiệu suất

λ

Bước sóng laser

µ

Hệ số độ nhớt của chất lỏng

σ

Hằng số Stefan-Boltzmann

∇

Toán tử Gradient

m3

Kg/m3

m

AHZ

Vùng ảnh hưởng nhiệt độ của vùng cắt

DOF

Phương trình biểu diễn chiều sâu hội tụ

DGF

Trường mật độ khí

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số laser thường gặp trong công nghiệp
Bảng 3.1: Hằng số vật liệu của một số vật liệu cơ bản.
Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật của các vật liệu thí nghiệm.
Bảng 4.2: Thí nghiệm thăm dị khả năng cơng nghệ của thiết bị.
Bảng 4.3: Thí nghiệm ảnh hưởng đơn của các thơng số cơng nghệ.
Bảng 4.4: Thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ rộng mạch cắt.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser.
Hình 1.2: Sơ đồ mức năng lượng của Laser Ruby.
Hình 1.3 Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong laser Nd-YAG.
Hình 1.4: Sơ đồ mức năng lượng của Laser CO2.
Hình 1.5: Sơ đồ mức năng lượng của Laser He-Ne.
Hình 1.6: Profin của chum Laser hội tụ.
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser Ruby.
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser CO2.
Hình 2.1: Phân loại tổng quát các ứng dụng của laser.
Hình 2.2: Phân loại ứng dụng của laser theo sự chuyển pha.

Hình 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng- thời gian tương tác của laser với kim loại.
Hình 2.4: Sơ đồ hình thành dịng chảy trong vũng hàn.
Hình 2.5: Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt bằng laser.
Hình 2.6: Tiện kim loai có hỗ trợ bằng tia laser.
Hình 3.1: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt.
Hình 3.2: Sơ đồ cơng nghệ cắt bang tia laser.

7


Hình 3.3: Đương kính điểm hội tụ ảnh hưởng do hiện trường nhiễu xạ.
Hình 3.4: Các vùng cắt có thể hình thành trong quá trình cắt laser.
Hình 3.5: Mối quan hệ độ nhám và độ trụ.
Hình 4.1: Sơ đồ máy TRULASER 3030-CNC.
Hình 4.2: Chuỗi quang học của máy Laser.
Hình 4.3: Bộ gá phơi.
Hình 4.4: Quy cách của mẫu thí nghiệm.
Hình 4.5: Mơ hình định tính q trình cắt Laser.
Hình 4.6: Đồ thị nghiên cứu thăm dị khả năng cơng nghệ của máy.
Hình 4.7: Đồ thị nghiên cứu giưới hạn của áp suất khí thổi.
Hình 4.8: Đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa P và V.
Hình 4.9: Đồ thị nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều dày gia cơng.
Hình 4.10: Đồ thị nghiên cứu ảnh hưởng mối quan hệ giữa cơng suất cắt P và W.
Hình 4.11: Mẫu thí nghiệm khi cắt ở các mức khác nhau.
Hình 4.12: Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt lên độ rộng vết cắt.
Hình 4.13: Thí nghiệm khi cắt ở tốc cắt.
Hình 4.14: Đồ thị ảnh hưởng của vân tốc với độ rộng mặt cắt.
Hình 4.15: Hình ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia cơng.
Hình 4.16: Mối quan hệ của áp suất khí và độ rộng mạch cắt.
Hình 4.17: Ảnh hưởng sự giao thoa của trường DGF.

Hình 4.18: Ảnh hưởng của khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt.
Hình 4.19: Ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt khi gia cơng ở các khoảng cách
khác nhau.
Hình 4.20: Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến độ rộng vệt cắt.

8


MỞ ĐẦU
Ngày nay, kỹ thuật laser đã có những phát triển vượt bậc được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật và công nghệ. Từ những ứng dụng đơn giản
trong đồ dùng gia dụng hàng ngày đến các ứng dụng hữu ích trong cơng nghệ y sinh,
các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa
học vật liệu v.v…, laser đã và đang sử dụng để gia công vật liệu trong ngành chế
tạo máy như một dạng năng lượng siêu nhiên, có thể gia công được hầu hết các loại
vật liệu với yêu cầu kỹ thuật khắt khe mà các phương pháp gia công thơng thường
khó có thể thực hiện được.
Gia cơng bằng chùm tia có mật độ năng lượng cao là một ưu thế lớn của kỹ
thuật laser. Gia cơng bằng laser có thể thay thế cho một số phương pháp cắt gọt cơ
học – vốn có ngưỡng nhất định khơng thể vượt qua được trong các ngun cơng
khó. Vì thế gia cơng bằng laser được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc
biệt là với các vật liệu khó gia cơng như hợp kim cứng, gốm (Ceramic),
composite… Khi dùng laser để gia cơng lỗ, người ta có thể gia cơng được các lỗ
nhỏ cỡ vài µm trên các loại vật liệu, đặc biệt là kim loại và hợp kim khó gia cơng,
vùng ảnh hưởng nhiệt được kiểm sốt và hạn chế tối đa. Laser có thể gia cơng được
lỗ nhỏ trong chi tiết vòi phun nhiên liệu của động cơ, vòi phun bơm cao cấp, vùi
phun khí xốy, các lỗ nhỏ với góc nghiêng tuỳ ý ở buồng làm mát động cơ máy bay,
các vi lỗ nâng cao hiệu ứng động lực học trên cánh máy bay, các vi lỗ trên lưới lọc
dùng trong y tế … Nhờ khả năng công nghệ này mà gia công bằng laser đã được sử
dụng như biện pháp gia công thay thế và duy nhất, được ứng dụng rộng rãi trong

công nghiệp chế tạo máy bay, công nghiệp chế tạo ô tô, chế tạo các thiết bị, linh
kiện điện tử, thiết bị y tế …
Nắm bắt và tiến tới làm chủ công nghệ gia công bằng laser, đặc biệt là gia
công bằng laser là nhiệm vụ khơng chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà cịn có ý nghĩa
thực tiễn là đưa laser đến gần với thực tế sản xuất công nghiệp, ứng dụng các khả
năng công nghệ ưu việt, đặc biệt là khả năng gia công trên các loại vật liệu và đối
tượng công nghệ mà các phương pháp gia cơng thơng thường khác khó hoặc không
thể thực hiện được. Việc:” Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến
năng suất và chất lượng khi gia cơng bằng Laser” có ý nghĩa rất quan trọng đối với
nhiệm vụ nêu trên. Đây cũng chính là nội dung của đề tài thực hiện.

Nội dung chính của đề tài:

9


-

Tìm hiểu các ứng dụng của Laser trong cơng nghiệp.
Gia công kim loại bằng Laser các tham số công nghệ ảnh hưởng đến năng
suất và chất lượng.
Nghiên cứu thực nghiệm cắt bằng Laser trên máy TRULASER 3030-CNC,
đánh giá sự ảnh hưởng của các chế độ công nghệ đến năng suất và chất
lượng gia cơng. Giải bài tốn quy hoạch thực nghiệm theo mơ hình thực
nghiệm nghiên cứu.

Lĩnh vực nghiên cứu của đề tài còn nhiều mới mẻ và phức tạp, kiến thức hiểu
biết của bản thân còn rất nhiều hạn chế nên bản luận văn này chắc chắn còn nhiều
thiếu sót. Tơi rất mong được các Thầy, Cơ và các anh chị, các bạn đồng nghiệp góp
ý, bổ xung để bản luận văn được hồn thiện hơn.

Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Văn Địch, thầy đã dẫn dắt định hướng
và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tơi trong học tập – nghiên cứu, giúp tơi
hồn thành bản luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô
giáo trong bộ môn Công nghệ chế tạo máy và Viện Cơ khí – Trường ĐHBK Hà Nội
đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt qúa trình học tập – nghiên cứu tại trường.
Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp, lãnh đạo
Trung tâm chuyển giao công nghệ, Trung tâm công nghệ gia công đặc biệt và các
bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong q trình thực hiện Luận văn.

Tác giả

Ngơ Đức Định

10


CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ LASER

1.1 . Lịch sử phát triển.
Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation (Sự khuếch đại ánh sánh 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 lồi người phải mất một qng thời gian dài để thấy rõ
ánh sáng có tính chất sóng – hạt. Năm 1704, Newton mơ 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 giao động
nhanh của trường điện từ bởi các hạt giao động tạo ra.
Nền tảng ban đầu của lý thuyết laser được Einstein đưa ra khi ơng cho

rằng ngồi bức xạ tự phát, cịn 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 (Neodimium 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 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. Cơ sở vật 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 giải công suất từ rất thấp ( ~ mW) đến rất cao (1-100kW), mật độ
cơng suất có thể đạt đến 1012 W/cm2, với cỡ vết gia cơng 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

11


khác ở đặc điểm chính là liên kết chặt chẽ (kết hợp), quang phổ gần 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
xoay 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 di chuyển về phía hạt nhân và
hấp thụ ánh sáng (photon) khi điện tử di chuyển về phía ngồi 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
Q trình hấp thụ này có thể biểu diễn như sau:
A* = hv = > A**
Với: - A* là nguyên tử ở trạng thái có mức năng lượng thấp.
-A** 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), λlà
bước sóng (m), v 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 thích 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

12


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 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 mơ tả q 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, nh có hệ gương quang học tạo ra sự phản xạ hay chuyển động qua lại trong
mơi chất, sự bức xạ kích thích của các hạt 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 ở mức trên
lớn hơn nồng độ ở 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 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát laser
Một máy phát laser có thể được mơ tả đơn giản như hình 1.1 sau đây:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser

13

1.3.1 Hoạt chất
Là các mơi 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 có các bước sóng khác nhau.
Có thể phân loại hoạt chất thành các nhóm khác nhau:
Hoạt chất khí:
- Các khí đơn nguyên tử
- Các ion khí đơn nguyên tử
- Các khí phân tử như CO2, N2
- Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như He- Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như
CO2- N2- He, CO- N2 ...
Hoạt chất là chất rắn: Ruby, Nd- YAG
Hoạt chất là chất lỏng.
1.3.2 Buồng cộng hưởng. 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 thốt ra ngồi 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 Bộ phận kích thích.
Bộ phận kích thích hay cịn gọi là bơm có chức năng cung cấp năng lượng
cho hoạt chất để 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 (cịn gọi là bơm quang học)

14


- 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.

1.4 Các loại nguồn phát laser.
Hiện tại có rất nhiều 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-Glas
Diode
CO2

Bước sóng
Ứng dụng
((….m)
0.249 Y học/ gia cơng vật liệu/nhuộm màu
0.697 Đo lường, các ứng dụng y học, gia công vật liệu
vô cơ
0.630 Chỉ thị điểm sáng, đo lường chiều dài/vận tốc,
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 cơng vật liệu bán dẫn/các ứng dụng y học/hàn
10.600 Gia công vật liệu cắt, hàn

1.4.1 Laser rắn.
Laser rắn là loại laser mà mơi 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 vơ định hình. Thơng 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 Nd 3+;
tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất là ion DY 2+ (dyplozi).
Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn rất lớn, thường trong khoảng từ 10 171020/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 cơng
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 tia laser do nhiễu xạ
là lớn (Vài chục phút, trong khi góc mở của laser khí chỉ vài chục giây).

15


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 vơ định hình, độ rộng vạch bức xạ tự phát khoảng vài chục A0, của
chất đơn tinh thể khoảng vài A0 với laser khí chỉ khoảng vài phần mười A0.
Để tạo nghịch đảo nồng độ trên laser rắn, thường dùng bơm quang học bằng
cách chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất, tạo tích luỹ chủ
yếu cho mức laser trên nhờ đó tạo ra nghịch đảo nồng độ. Hiệu quả của bơm quang
học phụ thuộc vào hai yếu tố:
-

Bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời
không bị chất nền hấp thụ.
Hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất
sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển lên mức laser
trên.
1.4.1.1 Laser Ruby.

Laser ryby là laser đầu tiên được chế tạo bởi Maiman vào năm 1960.
Laser ruby được sử dụng rộng rãi do độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt.
Thành phần của ruby là các tinh thể oxid nhôm Al2O3 (chất nền) được cấy
các ion Cr 3+ (tâm hoạt chất). Thông thường hoạt chất laser ruby là tinh thể
ruby màu hồng nhạt chứa 0,05% Cr (1,6.10 19 ion/cm3).
Phổ bức xạ ca laser ruby t 0,691 ữ 0,697àm.

Energy[eV]

3

2

E4
E3
Green

1

Optical
Pumping

Blue

0

Fast (Non Radiative)
Transition (Decay)

}

E2

Meta Stable
Level

Laser
Transitions
R1=694.3nm
Red
R2=692.7nm
Ground Stale

Hình 1.2: Sơ đồ mức năng lượng của laser ruby.
16


1.4.1.2 Laser Nd-YAG.
Laser rắn Nd-YAG được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hoạt chất là
tinh thể Y3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet) có pha các tạp chất là ion
Nd3+ là tâm hoạt chất.
Laser Nd-YAG có ngưỡng kích thích khá thấp, độ dẫn nhiệt cao, cho

phép phát xạ ở chế độ xung tần số cao và chế độ phát liên tục. Hiệu suất của
laser Nd-YAG khá cao, cỡ vài phần trăm.
Bước sóng của laser Nd-YAG khoảng 1,06 µm.

Energy
[eV]
1.5

Group of
Energy
Levels
for
Pumping

E

4

{
E

1.0
0.5
0.0

Fast (Non Radiative)
Transition

3

0.73 [ m]
0.8 [ m]
E
E

Optical
Pumping

Laser
Transitions
1.06 [ m]

2
1

Hình 1.3: Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG
1.4.2 Laser lỏng.
Laser lỏng là loại laser sử dụng hoạt chất là chất lỏng.
So với laser rắn và khí, laser lỏng có các ưu điểm sau:
-

Khơng phải gia cơng hoạt chất chính xác như laser rắn.
Có thể dễ dàng tạo được cơng suất như ý muốn bằng cách tăng nồng độ
tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất.
Dễ làm sạch hoạt chất.

Tuy nhiên, do laser lỏng có hệ số dẫn nhiệt khá lớn nên hoạt chất dễ bị nóng
nhanh. Vì vậy khơng ổn định về tần số và công suất phát.
Laser lỏng gồm có các loại chính sau:

17


-

Laser chelate hữu cơ - rất hiếm.
Laser vô cơ Chloride – Neodym – Selen.
Laser màu (Dye laser), là loại laser hiện nay được sử dụng rộng rãi.

Các loại laser trên đều được kích thích bằng bơm quang học dạng đèn xung
hoặc laser rắn dưới dạng xung.
Với laser màu, hiệu suất có thể đạt tới ~ 25%, cơng suất ở chế độ xung có thể
lên đến hàng chục Mega watts (MW), ở chế độ liên tục khoảng 10W.

1.4.3 Laser khí
Laser khí là những loại laser sử dụng hoạt chất là chất khí có thể bao gồm
những chất khí tồn tại ở nhiệt độ thường và cả hơi vật chất tạo thành do sự nung
nóng, ví dụ hơi kim loại. Áp suất làm việc của mơi trường khí thường nhỏ, vài
mmHg.
Laser khí có thể chia làm 3 loại:
-

Laser khí ngun tử với tâm hoạt chất là nguyên tử, ví dụ laser He-Ne.
Laser khí ion, với tâm hoạt chất là ion, ví dụ laser Ar.
Laser khí phân tử, ví dụ như laser CO2’ laser N2.

Các loại laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục, gần như liên tục hoặc
xung tuỳ theo chế độ phóng điện chất khí sử dụng như: chế độ phóng điện hồ
quang (arc discharge) thường dùng cho laser ion, phóng điện phát sáng (glow
discharge) thường dùng cho laser phân tử và nguyên tử.

Nghịch đảo nồng độ trong laser khí được hình thành trong những trạng thái
kích thích của nguyên tử hoặc phân tử, thực hiện bằng phóng điện chất khí trong
ống laser. Dưới tác dụng của dịng điện qua chất khí, các điện tử và ion tự do được
hình thành. Các điện tích này được gia tốc trong dịng điện trường có động năng
lớn. Ở đây, chuyển động của ion thường khơng đóng vai trị quan trọng, chỉ vì các
điện từ tự do mới dẫn đến kích thích ngun tử khi va chạm. Với phóng điện khí áp
suất thấp, động năng trung bình của điện từ lớn hơn nhiều so với nguyên tử và ion,
các điện tử đạt được phân bố cân bằng về vận tốc trong một khoảng thời gian rất
ngắn. Đặc điểm của laser khí là độ hạt của chất khí nhỏ, nên nồng độ hạt kích thích
nhỏ vì vậy tương tác của các hạt trong mơi trường khí rất yếu, bởi vậy sẽ có những
vạch bức xạ và hấp thụ hẹp. Ưu điểm của laser khí là có độ đồng nhất quang học
rất cao, bởi vậy góc mở của laser khí rất nhỏ (vài chục giây).

18


Sự kích thích ngun tử khí trong phóng điện được thực hiện nhờ hai quá
trình cơ bản:
-

Va chạm loại 1 giữa điện tử - nguyên tử đối với chất khí một thành phần.
Va chạm loại 2 hay còn gọi là truyền năng lượng cộng hưởng đối với hỗn
hợp khí nhiều thành phần.

Sự hồi phục của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng kích thích về trạng
thái năng lượng thấp hơn và trạng thái cơ bản thông qua 4 quá trình khác nhau:
-

Va chạm giữa ngun tử kích thích và điện tử trong đó ngun tử truyền
năng lượng của mình cho điện tử (va chạm loại 2).

Va chạm nguyên tử - nguyên tử trong hỗn hợp khí nhiều thành phần.
Va chạm giữa nguyên tử với thanh ống phóng điện.
Bức xạ tự phát.

1.4.3.1 Laser CO2.
Laser CO2 là loại laser phân tử rất thơng dụng, cơng suất chùm bức xạ có thể
từ vài W đến 25kW thậm chí đến 100kW. Bởi vậy Laser CO2 được sử dụng rộng rãi
để gia công, hàn và sử lý bề mặt.
Môi trường hoạt chất của Laser CO2 thường là hỗn hợp khí CO2 + N2 hoặc
CO2 + N2 + He(với tỷ lệ tương ứng 0,8:1:1,7) có thể thêm vào một số khí khác như:
Xe, H2O, H2 v.v…

-1

Energy [cm ]

4000
Symmetric
stretching

3000

Asymmetric
stretching

Bending

o
(00 1)

2000

10.6

m

.6

9

o
(10 0)

1000

-1
E=18 cm
V=1

m
o
(02 0)
1
(01 0)

0

CO

2

o
(00 0)

N

V=0
2

Hình 1.4: Sơ đồ mức năng lượng của laser CO2

19


N2 Có vai trị chính là truyền năng lượng cộng hưởng cho mức laser trên, tạo
nên nghịch đảo độ tích luỹ cho laser CO2 . Ngồi ra, N2 cịn có tác dụng làm rỗng
mức laser dưới, vì thế nghịch đảo nồng độ ln ở mức độ cao.
Do có độ dẫn nhiệt cao (hơn 6 lần so với CO2 và N2) nên He có vai trị dẫn
nhiệt, giảm nhiệt độ khi phóng điện vì thế cho phép hỗn hợp khí làm việc được với
dịng phóng điện cao hơn. Ngồi ra He cịn tham gia vào q trình hồi phục nức
laser dưới.
Bước sóng của laser CO2 là 9,6µm và 19,6µm, tuy nhiên xác suất dịch
chuyển 10,6µm lớn hơn rất nhiều lần so với dịch chuyển 9,6µm.
1.4.3.2 Laser He-Ne.
Là loại laser khí được sử dụng rất rộng dãi, được sản xuất với quy mơ cơng
nghiệp. Laser He-Ne có thể phát xạ ở 3 bước sóng khác nhau: 1,15; 3,39; 0,63µm,
bước sóng hay sử dụng là 0,63µm. Sơ đồ mức năng lượng được mơ tả như hình
dưới.
Energy
[eV]

21
20

He atom

1

(2 S)

o

(2 S)

Ne atom

3s

M

M

Atomic
collisions

3.39

m

1
4

10
632.8 nm
543.5 nm

2s

2p

1.15 m

19

3p

Laser
transition

1
4
10

Pumping by
electron impact

Fast decay

18
1s

17

M

Collisions with the
discharge tube walls

0

Hình 1.5: Sơ đồ mức năng lượng của laser He-Ne.
1.5 Các thông số cơ bản của chùm laser.
Theo tiêu chuẩn ISO/DIS 11146, là tiêu chuẩn đầu tiên quy định về các đặc
trưng của chùm laser, các thông số cơ bản mô tả chùm laser là:

20


•

Công suất laser và năng lượng xung.
Profile của chùm laser khí chưa hội tụ.
Profile của chùm laser hội tụ.
Đường kính hội tụ:

Với chùm hình trụ và laser đơn mode:
(1-1)

dmin = 2,44ƒλ/D

Khi kể dến thông số chất lượng chùm tia M2 = 1/K (sự phân kỳ của chùm):
dmin = 4M2ƒλ/πD

(1-2)

Trong đó: λ- Bước sóng; D- đường kính chùm tia khi chưa hội tụ; ƒ- tiêu
cự của thấu kính.
• Chiều sâu hội tụ:
Là khoảng cách mà trong phạm vi đó chùm laser hội tụ có cùng cường độ,
được định nghĩa là khoảng cách mà tại đó đường kính điểm hội tụ thay đổi trong
khoảng -5% đến +5%. Phương trình biểu diễn chiều sâu hội tụ (Depth ofFocus –
DOF) là:
DOF = ±0,8π(d2 min/M2λ)

(1-3)

Sự phân cực và thông số chất lượng chùm tia K = 1/M2

Hình 1.6: Profile của chùm laser hội tụ
Như vậy. Đường kính hội tụ và chiều sâu hội tụ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
kích thước tiết diện ngang và sai số hình dáng theo chiều dọc trục của vết gia công.

21


Cụ thể trong gia công bằng laser, dmin và DOF sẽ ảnh hưởng đến độ rộng mạch cắt
và độ côn của rãnh.
1.6 Các loại máy laser dùng trong công nghiệp.
Cấu tạo của máy laser trong công nghiệp để gia công vật liệu bao gồm các bộ
phận chính sau:
-

Đầu phát laser.
Bộ phận cung cấp và điều khiển nguồn năng lượng.
Bộ phận gá đặt và dịch chuyển chi tiết gia công.

1.6.1 Máy phát laser rắn.

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser ruby

22


1.6.2 Máy phát laser khí.

Hình 1.8: Sơ đồ ngun lý máy phát laser CO2

1.7 Quá trình tương tác giữa chùm tia laser và vật liệu gia công.
Gia công bằng laser là một q trình gia cơng bằng nhiệt. Hiệu quả của q
trình phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu, trong một phạm vi nhất định, phụ
thuộc nhiều vào các đặc tính quang hơn là đặc tính cơ học của vật liệu.
Gia công vật liệu bằng laser là việc sử dụng chùm laser có mật độ năng
lượng cao hội tụ trên bề mặt chi tiết, kết quả là vật liệu chi tiết xảy ra các giai đoạn:
nung nóng, chảy lỏng, có thể bốc hơi và kết tinh lại. Nhiệt độ của q trình có liên
quan đến kích thước của chi tiết gia công, ứng suất, sự thay đổi pha và cấu trúc của
tinh thể sau cùng. Do vậy, sự biến thiên theo thời gian của trường nhiệt độ trong quá

23


trình tương tác laser – vật liệu gia cơng là yếu tố có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng
đến chất lượng của q trình gia cơng.

Khi chùm tia laser đập vào vật liệu gia cơng, ở đó xảy ra các giai đoạn theo
trình tự như sau:
1. Vật liệu gia cơng nhận năng lượng của chùm tia laser, năng lượng này
chuyển thành nhiệt lượng.
2. Nung nóng vật liệu gia cơng đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha
của nó.
3. Tiếp tục nung nóng vật liệu và làm chuyển pha: chảy lỏng, cháy, bốc hơi
và thoát ra khỏi bề mặt gia cơng.
4. Sau đó vật liệu nguội nhanh.
Q trình (1) và (4) xảy ra trong thời gian cực ngắn, không làm ảnh hưởng
đến năng suất gia công nhưng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia cơng. Tuỳ theo
mục đích gia cơng mà q trình tương tác trên tồn tại cả 4 giai đoạn hoặc khơng có
giai đoạn (3). Năng suất, chất lượng và hiệu quả của q trình gia cơng chủ yếu phụ
thuộc vào giai đoạn (2) và (3) quyết định.
1,7.1 Phương trình truyền nhiệt tổng quát.
Dựa vào định luật 1 của nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt trong
khơng gian 3 chiều có dạng:
(
1-4)
: Là khối lượng riêng của vật liệu chi tiết.
c(T): là nhiệt lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu.
k(T): là hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ.
Q(x,y,z,t): là sự tiêu thụ nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích vật rắn trong
một đơn vị thời gian.
T=T(x,y,z,t): là sự phân phối nhiệt độ trong vật liệu phụ thuộc vào thời gian
3 chiều.
t: thời gian.

24