phuong phap gia cong tia laser pptx

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT PHÚ LÂM
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
TIỂU LUẬN MÔN HỌC:
VIẾT BÁO CÁO VÀ THUYẾT TRÌNH
CHỦ ĐỀ:
CẤU TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP GIA
CÔNG BẰNG TIA LASER
GV: PHẠM THỊ VÂN ANH
SV: LÊ PHƯỚC LẬP
Tp.HCM ngày 24 tháng 5 năm 2012
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, tia laser được được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
kỹ thuật nói chung va trong cơ khí nói riêng. Nhưng có thể chúng
ta chưa hiểu biết nhiều về tia laser.
Bài này sẽ giới thiệu một số kiến thức về nguồn gốc và cấu tạo của
tia laser. Bài cũng giới thiệu về cách phân loại các tia laser và giới
thiệu cấu tạo của một số máy phát tia laser.
Một phần quan trọng nữa là ứng dụng tia laser vào lĩnh vực cơ khí.
Bài sẽ giới thiệu về ứng dụng tia laser vào gia công cơ khí nói
chung và gia công kim loại nói riêng.
2
3
I. KHÁI NIỆM VÀ CÁC TIA LASER ĐẦU
TIÊN.
I.1. Khái niệm.
- Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Hiện
nay thì laser có thể sử dụng trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệ
hàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia công chùm tia laser là quá
trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật
liệu.

- Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung. Năng
lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có
đường kính khoảng 0.01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần
triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công, nung nóng, làm chảy và bốc
hơi vật liệu.
4
- Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light
Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng
việt là máy phát lượng tử ánh sáng.
I.2. Một số tia laser đầu tiên.
Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là
loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser
hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11
năm 1960), laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào
năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm
General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng
thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,
…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser.
Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta
thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG
hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại
thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu
thuận tiện.
II. NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG LASER.
Máy gia công bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay
phương pháp này thực sự có giá trị trong gia công cơ khí.
Từ laser là viết tắt các chữ đầu của các từ “Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation” Sự khuyết đại ánh sáng bằng bức xạ của
chất phóng xạ. Loại vật liệu có thể gia công được làm từ tia laser không phụ
thuộc vào độ dài sóng. Năng lượng của chùm tia laser tập trung vào phần

nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó bay hơi đi. Máy gia công
bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình…
Gia công bằng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được
dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lý hoạt dộng của chùm tia
laser được trình bày trên hình 5.1:
5
2
5
4
1
3
Tia laser

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của chùm tia laser
1. Môi trường hoạt tính.
2.Nguồn ánh sáng kích thich.
3. Buồng cộng hưởng quang học.
4. Gương phản xạ toàn phần.
5. Gương phản xạ bán phần trong suốt.
Trên hình 1 có thể thấy một không gian quang học 3. Trong không
gian này ở hai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là môi
trường hoạt tính 1 (hay thanh laser), những nguyên tử trong môi trường này
bị kích thích bởi đèn số 2 ở trạng thái ổn định, những proton được phóng ra
và hướng vào trục quang học của thanh laser. Các proton này va chạm nhau
và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nối kết nhau về pha
cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyển
động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ
năng lượng để rời khỏi thanh laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở
lại và tiếp tục quá trình nhân proton. Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính
phản chiếu ở hai đầu ra thì hình thành một chùm tia nối tiếp nhau. Chùm tia

này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm, nếu
đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên
đến 8000
0
C trong 1ms.
Nguyên lý gia công của một loại máy điển hình:
- Hình 2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M:
6
Hình 2: Nguyên lý gia công chùm tia laser.
2)Buồng phản xạ ánh sáng.
3) Đèn phát xung.
4) Thanh hồng ngọc.
5) Gương phản xạ toàn phần.
6) Gương phản xạ 50%.
7) Thấu kính hội tụ.
8) Chi tiết gia công.
-Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ
thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn
phát xung 3 đặt ở trong bộ phận phản xạ ánh sáng 2. Bộ phận này có dạng
hình trụ với tiết diện mặt trụ ngang là
elíp. Khi đèn 3 phát sáng , toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt
thanh hồng ngọc 4. Những ion Cr
+3
của thanh hồng ngọc bị kích lên mức
năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử. Nhờ hệ dao
động của các gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua
7
thanh hồng ngọc và kích các ion Cr
+3
khác để rồi cùng phóng ra chùm tia

lượng tử. Gương 5 có dộ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương 6 gần 50%.
Nhờ đó, một mặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác
khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu
lại và qua hệ thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát
ra khỏi máy. Chùm tia nhận được qua gương 6sẽ được tập trung bởi hệ
quang học 7 và tác dụng lên chi tiết gia công 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả
năng di chuyển tọa độ theo 3 phương X, Y, Z.
-Khi tập trung tia laser vào vị trí gia công cần chọn hệ thống quang học và
chế độ gia công như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của
chùm tia, tiêu cự của hệ thống quang học và số xung laser.
- Quá trỉnh tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công được chia ra
các giai đoạn sau:
+ Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng
lượng này thành nhiệt năng.
+ Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó. Giai
đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về
một phía theo phương tác dụng của chùm tia kể từ bề mặt tác dụng …
+ Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công. Giai
đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay
đổi theo phương tác dụng của chùm tia laser.
III. PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY
LASER.
III.1. Các loại laser.
Có nhiều cách để phân loại Laser, thông thương người ta thườnng phân loại
laser theo vật liệu cấu tạo nên môi trương hoạt tính của chúng. Có thể chia
laser thành bốn loại chính như sau: laser rắn, laser bán dẫn. laser lỏng và
laser khí.
- Laser bán dẫn:
Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P.
Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý

thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên,
trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại
laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của
8
chúng chưa đạt được cao lắm. So với các loại laser khác như laser khí (hiệu
suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), nhưng công suất bức xạ của loại laser
bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể
khác.
- Laser rắn:
+ Trong laser rắn, môi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích
thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng
ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat
(Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các
thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật liệu thường dùng là hồng ngọc
nhân tạo.
+ Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Nhưng loại
laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều
lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong
công nghiệp, y tế, quân sự, …
- Laser khí:
Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định
hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Bước sóng
của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường
hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông
dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi,
đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, …
So với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất
cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của
sự phát xạ laser trong chất khí rất cao. Laser excimer là laser khí dùng trong
vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt.

- Laser lỏng:
+ Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường
hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ
kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố
hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng
lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi.
+ Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không
bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích.
+ Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy
nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao,
9
có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại
laser vơ cơ lỏng có thể cho cơng suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung.
+ Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ
thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tn theo nhiều biện pháp an
tồn phức tạp.
- Laser Gama:
+ Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có mơi trường
hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ
kim loại và chất màu.
+ Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số ngun tố hiếm như êropi. Mơi
trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng
kích thích, truyền lại cho các ngun tử êropi.
+ Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là mơi trường hoạt tính khơng
bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích.
+ Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vơ cơ để tránh sự phân hủy
nói trên. Loại laser chất lỏng vơ cơ có cơng suất bức xạ và hiệu suất khá cao,
có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim.
+ Chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con
người, do đó khi làm việc với nó phải tn theo nhiều biện pháp an tồn phức

tạp.
+ Về ngun lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser
khác. Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong mơi trường hoạt tính của loại
laser này phức tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn.
tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó
chưa được phổ biến rộng rãi.
III.2. Cấu tạo máy laser.
Những nguyên tử, cũng tương tự như phân tử, cũng có cấu trúc năng
lượng, các mức đó mang tính chất lượng tử, khoảng cách các mức cũng cố
đònh với từng loại phân tử. Nhờ đó mà các phân tử đều có thể bức xạ điện
tử nếu chúng bò kích thích. Muốn cho các nguyên tử phát ra ánh sáng
(sóng điện từ nói chung) chúng phải được kích thích, tức là electron phải
được đẩy lên mức năng lượng cao hơn. Có thể dùng: đốt nóng, dùng ánh
sáng mạnh chiếu vào, dòng điện đi qua. Khi nhận năng lượng này
electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng sống tạm một thời gian
ở mức năng lượng mới và sẽ trở về mức năng lượng cũ và phát ra ánh
sáng. Do đặc điểm bức xạ tự phát nên trong một thời điểm electron
chuyển mức năng lượng bức xạ ra proton khác tạo nên một quá trình vô
10
cùng nhanh. Khi các electron chuyển mức năng lượng thì quá trình bức xạ
sẽ dừng lại, do đó chúng ta phải có nguồn kích thích năng lượng từ bên
ngoài để tiếp tục đẩy các electron lên mức cao hơn.
Tóm lại tia laser truyền đi đơn sắc, song song với độ phân kỳ lớn, độ sáng
cao, tiêu biểu cho sự khuyếch đại ánh sáng bởi sự bức xạ được kích hoạt.
Máy laser là một bộ phận tạo ra bức xạ ánh sáng với các mức năng lượng
lớn và có thể điều khiển được. Khi chiếu vào một vật liệu mức năng
lượng này đủ lớn để gây ra hiệu ứng cục bộ. Sức nóng của tia laser được
điều khiển để ra kết quả mong muốn ở vùng cụ thể và đảm bảo biến
dạng là nhỏ. Dưới đây là nguyên lý máy laser:
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý máy laser.

III.2.1. Mơi trường hoạt tính
- Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh
sáng. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là
chất lỏng, chất rắn, khí. Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là:
+ Chất khí: N
2
, H
2
, CO
2
+ Chất rắn: Tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh …)
11
Nguồn sáng
Nguồn sáng
Bàn
Hệ thống
làm mát
Nguồn
điện
Băng bảo vệ
Tia laser
Đồ gá
Kim
loại
bay hơi
Chi tiết
Độ dài tiêu
cự
Gương phản
xạ bán

phần
Gương
phản xạ
toàn phần
Thấu
kính
+ Chất lỏng: các dung dòch sơn, chất hữu cơ, vô cơ.
- Môi trường hoạt tính của chất khí thường được sử dụng trong laser có
công suất lớn, phương pháp kích thích đơn giản.Đối với laser rắn dạng
tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật, dạng tâm …
Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài.
Mơi trường hoạt tính khí:
+ Loại laser khí được sử dụng tương đối phổ biến vì việc kích thích phóng
điện và điều khiển tương đối dễ dàng. Ta có thể chia làm 3 loại laser khí:
nguyên tử trung hòa, loại ion hóa, loại phân tử.
+ Phần cơ bản của máy laser là ống kính làm bằng thủy tinh hay sứ chứa
môi trường khí, hai đáy của ống hình trụ làm bằng muối đá hay axê
magali cho ánh sáng đi qua với bước sóng 0,16 µm để làm giảm sự mất
mát do sự phản xạ trở lại từ bề mặt các cửa sổ. Các cửa sổ này nếu đặt
nghiêng với trục của ống 1 góc Bruster thì không bò phản xạ lại. Để kích
thích sự phóng điện bằng dòng điện một chiều hay xoay chiều tần số
thấp, đưa hai cực vào ống và nối chúng với nguồn điện áp. Với dòng điện
xoay chiều tần số cao, chỉ cần kích thích sự phóng điện bằng cách đưa
điện áp đến hai vành kim loại áp vào thành ngoài ống. Để tạo sự phản
hồi dương ở hai đầu ống khí, đặt hai gương quang học tạo thành hệ cộng
hưởng mở mang tên Phabripero. Hai gương này phải song song và vuông
góc trục ống. Nhờ hệ thống như gương này Proton sinh ra do bức xạ sẽ di
chuyển qua môi trường hoạt tính nhiều lần. Một trong hai gương sẽ là
gương trong suốt.
12

Máy phát
Tia laser
Cửa
sổ
Ống chứa khí
Gương phản xạ
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý laser khí.
Mơi trường hoạt tính rắn:
Muốn laser trạng thái rắn phù hợp tốt nhất là dùng loại ống thủy tinh
Neon đen làm ống dẫn chùm laser. Các đầu cuối của ống được cấu tạo
hai gương phản xạ. Một mặt gương phản xạ toàn phần, mặt còn lại là
phản xạ bán phần cho phép chùm tia laser xuyên qua khi mật độ chùm tia
laser đạt đến mức độ nhất đònh. Chùm tia laser đầu được kích thích bằng
bóng đèn có cường độ cao. Các gương đặt trong ống laser – ống dao
động, quang học được dùng để phản xạ và hội tụ ánh sáng trong môi
trường dung môi.
Mơi trường hoạt tính bán dẫn:
Môi trường hoạt tính trong laser gồm có hai phần loại bán dẫn P và N.
Phần thực tế làm việc với lớp chuyển tiếp P-N, lớp này mỏng cỡ vài µm,
loại bán dẫn phù hợp nhất cho mục đích này là hợp chất khí (axêtic gali).
Cho dòng điện chạy qua lớp này kích thích năng lượng cao. Trên lý
thuyết mỗi cặp electron và hai lỗ trống gặp nhau chúng sẽ trung hòa với
nhau và phát ra ánh sáng. Do hiệu suất của laser bán dẫn đạt 70% hơn
hẳn các loại laser khác. Đối với laser bán dẫn chúng ta biến đổi được
công suất của chúng bằng phương pháp biến điện kích thích.

13
Tia laser
Lỗ trống
Cặp lỗ trống điện tử

Dòng điện tử
Lớp công tác
Electron
P
N
nh sáng phản
xạ lại từ gương
Môi trường
hoạt tính
Mặt gương
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động laser bán dẫn.
III.2.2. Nguồn kích thích.
Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở
mức năng lượng cao. Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho
môi trường hoạt tính một năng lượng. Có nhiều phương pháp để kích thích
môi trường hoạt tính.
Hình 6. Các loại nguồn kích thích.
Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser
rắn, nguồn ánh sáng gồm một hay nhiều đèn xenon. Để tập trung ánh
sáng từ các đèn lên môi trường hoạt tính người ta dùng hệ thống gương
phản chiếu. Đối với thanh hoạt tính hình trụ hệ thống gương hình ellipe.
Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn.
14
Gương phản chiếu
Thanh hoạt tính
A
C
B
D
Hình 7. Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P.

Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta
thường dùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion
hóa. Đối với dòng điện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện
cực trực tiếp vào môi trường khí.
Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt
tính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được
ánh sáng phải tạo nên một phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học
đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc.
15
Phôi
Vòi phun trong
Khí cắt áp
suất cao
Vòi phun ngoài
Khí cắt áp
suất thấp
Thấu kính hội tụ
Tia laser
Hình 8. Vòi phun khí điển hình.
Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt
phản chiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi.
Một trong hai gương kia phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp
gương làm bằng kim loại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong
laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống. Đối với laser rắn gương
hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính. Ngoài các gương nói
trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như
lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng.
Hình 9. Bộ cộng hưởng quang học.
Vậy về nguyên lý, gia công bằng tia laser rất đơn giản. Bằng cách tập trung
năng lượng tại một điểm trong vùng gia công, mật độ năng lượng tại điểm đó

sẽ tăng lên rất cao, và do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao. Tùy theo mục
đích và yêu cầu kỹ thuật mà nhiệt độ sẽ được đều chỉnh cho phù hợp.
16
V
2
V
1
V
2
V
1
Môi trường hoạt tính
Lăng kính
Gương phản
xạ
Nguồn điện và
mạch đònh thì
Lăng kính hoặc
gương phản xạ
Hệ thống làm mát
Đèn ống
Gương phản xạ
bán phần
Laser rắn
hoặc khí
Tia laser đi ra
Bao kín với bề mặt bên
trong phản xạ được
Hình 10. Sơ đồ máy laser khí.
III.2.3. Các bộ phận máy laser.

Máy phát tia lase:
Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục. Tuỳ theo
nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ,
và chế độ hoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung.


Bộ hội tụ tia:
Đây là bộ phận rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser
tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ
tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ.
17
Đèn kích thích
Thấu kính
Chi tiết
Chùm tia hội tụ
trên chi tiết
ng xả hay bộ dao
động quang học
Đầu phản xạ có
gương ở cuối
đường zíc-zắc
Tia laseer đi ra
Hình 11. Máy tạo laser năng lượng cao HL 4006 D.
Hình 12. Sơ đồ máy laser rắn.
Bộ lọc:
Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có
nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước
sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo
nguyên tắc phản xạ ánh sáng.
* Một số máy phát laser.

Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 5.14 giới thiệu
sơ đồ máy phát laser hồng ngọc.
Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn
bức xạ được cung cấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện. Mặt khác
thanh hồng ngọc được đặt trong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được
làm sạch. Thanh hồng ngọc được đặt cố đònh bằng một lò xo. Khi làm
việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra và hướng ra
ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc.
18
5
10
4
6
7
8
9
2
3
1
Bộ cung cấp và điều khiển
điện.
Buồng phản xạ ánh sáng.
Đèn phát xung.
Thanh hồng ngọc.
Gương phản xạ toàn phần.
Gương phản xạ bán phần.
Thấu kính hội tụ.
Chi tiết.
Bàn gá.
Tế bào quang điện.

Hình 13. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M.
Thanh hồng ngọc 8 có ∅ = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha
phản xạ có đặt 1 đèn xung dùng khí trơ xênon 7 dạng bút chì dài 76
(mm), được cấp 1 dòng điện xung từ phía ngoài gồm tụ điện 4 với điện
dung 400 µF và cuộc cảm 3 được nối với biến thế 6 tạo xung với điện thế
14 (kV). Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụ phóng.

a. Với đèn bức xạ chuyên dùng. b. Với gương phản xạ hình elíp.
Hình 14. Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác.
Khi một vật bò kích thích bởi một nguồn năng lượng từ bên ngoài, các
nguyên tố hoạt tính trong năng lượng đó được đưa lên một mức năng
lượng cao hơn, nhưng ở mức năng lượng này độ bền vững rất kém nên
khi ngưng kích thích thì chúng có xu hướng tụt xuống mức năng lượng
thấp hơn. Lúc đó thế năng của chúng giảm đi, đồng thời mỗi nguyên tử
hoạt tính phát ra 1 hoặc 2 lượng tử tuỳ theo quá trình tụt xuống là tự phát
hay cưỡng bức.
19
6
4
3
5
7
8
1
2
Trên cơ sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận
chính:
- Đầu tia phát laser.
- Bộ phận cung cấp và điều khiển điện.
- Bộ phận gá đặt chi tiết gia công.

Để tạo tia laser trên vật thể rắn ta có thể sử dụng các tinh thể của các
khoáng chất khác nhau hoặc thủy tinh với các tạp chất của các nguyên tố
hiếm, ví dụ: tinh thể hồng ngọc (rubi), thủy tinh nêodim (Nd), …
Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1 cho
trong hình 15.
Hình 15. Sơ đồ máy phát laser kiểm MLC-1.
* Các phương pháp tập trung chùm laser.
Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vò trí gia công tùy thuộc vào
mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Hiện nay
thường dùng các biện pháp sau:
Dùng thấu kính hội tụ.
Khi dùng thấu kính cầu (hình 5.17a) thì tia laser tập trung trên bề mặt
gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu cung
20
4
7
3
2
1
5
6
Máy phát quang lượng tử.
Màng ngăn.
Ống ngắm.
Vật kính của kính hiển vi.
Tấm kính bảo vệ.
Chi tiết gia công.
Bộ nguồn
cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình
dạng yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối

hàn có hình dáng phức tạp.
Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 5.17b) vết tập trung sẽ có dạng dài,
hẹp để gia công các rãnh hẹp, …
Phương pháp này có ưu điểm là tập trung toàn bộ năng lượng chùm tia
vào vò trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân bố không đều, càng xa
tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bò côn hoặc hẹp dần
theo chiều sâu.
Hình 16. Các biện pháp tạo mật độ năng lượng cao dùng thấu kính
cầu và thấu kính hình trụ.
1. Nguồn sáng. 2. Thấu kính hội tụ. 3. Vật gia công.
Dùng hệ thống chiếu ảnh.
Để khắc phục nhược điểm trên, đồng thời dễ dàng tạo ra những mặt
đònh hình phức tạp có kích thước nhỏ có thể sử dụng phương pháp tập
trung chùm tia bằng hệ thống những thấu kính và màn chắn tương tự như
hệ thống chiếu ảnh (hình 5.38). Với phương pháp này có thể tạo ra vết
tập trung có hình dạng bất kỳ, mật độ năng lượng phân bố đều hơn nên
hạn chế được nhược điểm trên, nhưng một phần năng lượng chùm tia bò
mất mát qua các màn chắn, làm giảm hiệu suất năng lượng chùm tia.
21
1
2 3
3
2
1
a
b
F
’
F
’’

L
1
F F
1
L
4
D
M
D
D
o
D
1
2
3
4
5
1
Hình 17. Tập trung chùm tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ.
Kích thước gia công phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, mật độ
năng lượng chùm tia, tính chất của hệ thống tập trung năng lượng, thời
gian tác dụng chùm tia vào vật gia công hoặc số lượng xung, …
Sau khi tập trung, mật độ năng lượng của chùm tia phân bố không đều
trên vết tập trung của nó. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả thì
mật độ năng lượng của chùm tia sau khi tập trung phân bố theo quy luật
chuẩn (Gauss).
Hình 18. Sự phân bố mật độ năng lượng của chùm tia tại vò trí tác
dụng.
Hiện nay, gia công lỗ nhỏ bằng chùm tia laser rất có hiệu quả. Đường
kính lỗ nhỏ nhất có thể đạt đến d = 4 µm. Nhờ laser không những có thể

gia công được kim loại, mà còn gia công được lỗ nhỏ d = 0.025÷0,25 mm
trên những thạch anh, sứ, thủy tinh …
- Các thơng số và khả năng cơng nghệ.
Do laser có tính đònh hướng và khả năng hội tụ cao nên có thể dùng để
gia công các vật liệu rắn như thép không rỉ, titan và hợp kim titan,
vonfram, thủy tinh, sứ …
22
D
o
F q
o
2r
o
r
r
q
Khi tập trung laser thành một điểm, ta có thể khoan được các vật liệu
có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính từ 100 µm đến 250 µm. Cường
độ ánh sáng đã được tập trung bằng lăng kính lớn gấp 40 lần cường độ
ánh sáng mặt trời. Để khoan những lỗ nhỏ hơn phải dùng hệ thống lăng
kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh cơ khí, khi đó có thể gia công được các
lỗ hay rãnh có đường kính từ 2 đến 5 µm.
Quá trình gia công bằng tia laser có thể tách làm hai pha:
- nh sáng laser bóc đi lớp bề mặt có khả năng phản chiếu lớn.
- Sau đó vật liệu có màu tối hơn hấp thụ năng lượng của chùm tia
laser.
Trong giai đoạn sau quá trình phát sáng tăng lên rất nhanh và nhiệt độ
tỏa ra mọi hướng từ lỗ khoan. Từ đó có thể thấy rằng đường kính của các
lỗ sẽ lớn hơn đường kính của tia laser. Sự khác biệt càng lớn nếu thời
gian chiếu một xung càng dài. Tuỳ thuộc vào tốc độ cung cấp năng lượng

mà quá trình đun nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi có thể diễn ra hay không.
Quá trình điều chỉnh này thông thường được diễn ra bằng cách thay đổi
thời gian xung của tia laser.
Biến thiên của năng lượng và thời gian xung có thể biểu thò bằng một
tập hợp đường cong phù hợp với các đặc tính của vật liệu.
Năng lượng tích lũy trong nguồn phát có thể tối đa là 6000 W.s và đỉnh
cao của công suất là 5000 W. Đối với laser hồng ngọc thì năng lượng bức
xạ là 30 J, thời gia kéo dài xung được điều chỉnh trong các mức 1,3,5,7 …
ms. Tần số xung là 12 xung/phút.
Hình 19. Quan hệ giữa năng lượng và thời gian xung.
1. Bốc hơi. 2. Nóng chảy. 3. Nung nóng
23
1
2
3
Với laser CO
2
người ta có thể gia công đồng thời 4 tấm vật liệu 5x5 cm
với tốc độ cắt gần 10 m/phút. Năng lượng bức xạ của các máy phát laser
kiểu công nghiệp không lớn lắm, thường từ 10 ÷ 100 J và hiệu suất
khoảng từ 0,1 ÷ 1%.

Hình 20. Quan hệ giữa các yếu tố công nghệ.
Trên hình 20. Trình bày mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ.
a. Quan hệ chiều dài tấm đồng có thể hàn được với thời
gian tồn tại của xung laser khi đường kính vết hàn n =
0,7 mm.
b. Quan hệ của năng lượng chùm tia với dây hàn.
IV.1 Các đặc tính về nhiệt của phơi
Khi một tia laser chiếu vào phôi, sự chuyển đổi năng lượng ban đầu

thành dạng nhiệt có giới hạn ở một lớp vật liệu rất mỏng (100 ÷ 200 A
c
).
Năng lượng vừa hấp thụ sẽ chuyển đổi thành nhiệt năng sẽ làm thay đổi
trạng thái vật lý của phôi và phụ thuộc vào mật độ năng lượng của tia.
Một phần vật liệu sẽ nóng lên chảy ra và bốc hơi. Hình 5.48 thể hiện
phần trăm hấp thu năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ với những thay đổi
khác nhau của vật liệu.
Sự nóng lên, chảy ra và bốc hơi của vật liệu dưới tác động của tia laser
phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt và lượng nhiệt trên 1 đơn vò thể tích có trên
24
0,2
5
0,3
7
0,5
0
0,6
3
10
-
4
2.10
-
3
5.10
-
3
10
-2

10
0
1
0
1
0,
1
25.10
-4
25.10
-3
0,2
5
2,5
E
(J)
S
(mm)
d
(mm)
s
vật liệu. Tốc độ nung nóng tỉ lệ nghòch với nhiệt lượng trên một đơn vò
thể tích, vì thế yếu tố quan trọng của dòng nhiệt là độ khuyếch tán nhiệt
của vật liệu gia công. Giá trò này quyết đònh đến tốc độ mà một vật liệu
sẽ nhận và truyền dẫn năng lượng và độ khuyếch tán nhiệt cao sẽ cho
nhiệt độ xuyên nóng chảy lớn hơn với nguy cơ rạn nứt nhỏ.
Hình 21. Cường độ hấp thụ năng lượng laser theo nhiệt độ.
Lượng nhiệt được tạo bởi tia laser trên bề mặt sẽ bò giảm nhanh theo
hướng chiều sâu bên trong của vật liệu, và vì vậy tốc độ nguội nhanh. Ở
một số kim loại tốc độ này là 10

6

o
C/s. Sự nguội nhanh này tạo ra kết quả
là các ảnh hưởng do nhiệt nhỏ nhất, vì sự khuyếch tán nhiệt chậm hơn sự
lan truyền từ vùng được xử lý. Tuy nhiên sự nguội nhanh có thể tạo ra các
hiệu ứng xấu ở một số kim loại. Làm nguội nhanh ngăn cản sự trộn lẫn
đều về hóa học và các mối hàn dễ gãy.
IV.2. Các thơng số trong cắt laser đối với kim loại.
- Năng lượng của tia laser được hấp thụ bởi mặt phẳng của kim loại được
gia công và năng lượng này sẽ được chuyển vào vùng cắt dưới dạng
nhiệt, năng lượng này sẽ gia tăng nhiệt độ tới điểm nóng chảy và bay hơi.
Một dòng khí có áp suất cao được thổi vào vùng cắt để thổi kim loại nóng
chảy và hơi kim loại ra khỏi vùng nóng chảy. Di chuyển tia laser dạng
liên tục hay dạng xung dọc theo một quỹ đạo ta sẽ nhận được một vết cắt.
- Bề rộng của vết cắt, chất lượng của cạnh cắt, các phụ phẩm (như xỉ) tập
trung phụ thuộc vào sự lựa chọn tia, chất lượng tia, năng lượng phân bố
25
Vùng xử lý
nhiệt
Vùng hàn Vùng cắt
10
7
10
5
100
50
10