các phương pháp gia công tiên tiến: gia công bằng tia laser
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (504.26 KB, 45 trang )
I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên
II.Nguên Lý Gia Công
III.Thiết Bị và Dụng Cụ
IV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ.
V.Đặc Điểm và Dụng Cụ.
!
!"#!$"%& '(
)*+,)**-'./+!+0
10+,2340 565+,,+!7.0+
0!&89!5:()*039;609
< :+/=30>9+&?+#(@
90 5 ')?+5A>3"23.9&
B>+>C"0! ,0 ,#&D-'#
E5F65 ',*0+,?+5 GH0AI&IJ
++300AG+,19K> ,30"L+M
656+A>3"23.9&/> 'NO63C
0PPQRSTP+U0Q+)R+00US)0V3
G)W39+>'(&
"#$
1; '+30X-+JYZI"[B+&D50!
\NTCV&DL0! ] '+>\N^
+ 1;"[_H9+`BTJJ-+JYZIV6H8+a
Page J
D0 1;"[_H9+30-+JYZJ6")b 1;"[
S0"8[_H9+R-+JYZc6Hdc3D)efP
1;"[_H9+-+JYZg65-+JYZX6H+0!-+
JYZZ6hiL>0/>L0!5:!0&
i:()*3.96A5 E-'&DGG)?
:3.9edc6D)afP0MD)aE>3
#+&034+0!G)?C3/?+
2F35/.9&
% &'
B>"?+ '!030-+JYZI63>>
>445W0H&
j3C< 1EjkP+U0">Q+)R+0
0US)0l^Q4> !""%#!E/5#!&0!3.95
: '+j*,30 ,)5&D-'E
?+.301=E?++013.9 5">
&B>" '()*006#m]6C6!0h
"?+#(@90 5 ')?+
5A>3"23.9&D>;@0!),E?+ '">
;X&J
Page c
"
(
)
!
*
+
,-(!Q \>;@0! ,E?+
J&BG0!H& c&D\H&
n&\,[N&
g&A#!01T ,A#!JIIoV
X&A#!"102T ,A#!XIoV&
;X&J5:/>+,Nn&0>[
HHATg3XV3<p+G0!HJT>
V6<>;(0+G>"WHH"[ q2c[!
r W6<00 '53F30*NE&
00>3!+3*500600>2
3Ls3LF&t>)u0 00
>: ,)N0*N3L1A#!00>5 E-
' :G=H2X61_!"WA#![!3*
K00&v ]#>;HA[ 1
+,?+2&?+>w +,/H,* :.
-'!+, :+6 M3.1!; :+>9 ,*
",! 55:; xIII
I
0J+&
./01234,5/26,3758.9:,59;.<=>3?@8<A208B,-+,-e
a8X&cy>;@O;+>vanBe
Page n
Hình 5.2
D>;@?+&
cV\A#!
nViq#
gV\N
XVA#!01
ZVA#!XIo
zV/H,*
xV
Page g
YV
10) "0 9
aD\ 99J"3C)_ '!3092*&i9
2 E*cv{ : L:45 9F q#n M[0",
.A#!c&,.>5)!*3F)9+M*
H&v qn60",-'w.!3WH5 M\
Ng&D<0
|n
E\N"WH;+%-'06*
#2pw<'(&DG9)0 ,E}X3Z6
<'(>w !L1\N3H0
|n
:
\?5?+'(&X5),A#!1YYo6_
Z1XIo&DG 56+,+M3b. '?+[H)F6+M
0AJo?+Xw '"0 9JI!3
92>: r" '-'E?+ ]=+>&
?+. 'Zw '."[9Nz3)*;
xT M;"+>YV5A-)>:N ,0n~6f6
•&
av.303WH1N92N3 ,
-'?+F6G#)*E?+6;4E9
2N32#&
- ty du€E?+303WH ' 0!
e
+ {.9p-'E?+3>:-'>
9-&
|i253.9F9 ,5:=3.9 5& 0!>
%3F>L903.C>9 2"WF!3L+,H0
)*E?+:j"L+M)*h
Page X
|=3.93 •>p=3?& 0!>%3F
>L9+"L+M)*> r0)*E
?+&
|{.9,)1?+)*#0
CDEFG
!A93?@8.HIJ
5L :K0!6GK0!
03.9/!0;+0!HEp&5:"0!
HeC6=3H&
K.HIJJL,
5:51N/E3F+\N&S G
\N0!'/&DG39!0E>'/
+,)u)3mL6;0!>>++,3WHN
0L343%)*. Laser thủy tinh hợp chất nêodim có công
Page Z
+,-(*C"
suất bức xạ lớn và tần số lặp lại cao. Công suất trung bình của chùm ánh sáng có thể
đạt đến hàng trăm KW trong một tương lai không xa.
Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5 ÷ 7%. Tuy nhiên, loại laser
rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lónh vực khác
nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân
sự, …
Trong các loại laser rắn, người ta chú ý nhiều nhất đến laser bán dẫn. Môi trường
hoạt tính của chúng là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali …).
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 chúng chưa đạt được cao lắm. Tất
nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất
5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, 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 được.
Ngoài ra, laser bán dẫn còn có đặc điểm là dễ điều khiển, có thể biến đổi công suất
bức xạ theo một quy luật cho trước một cách dễ dàng. Khi dòng điện đi qua một môi
trường hoạt tính bán dẫn bò biến thiên, thì công suất ra cũng sẽ biến thiên đúng như
vậy. Đặc tính này làm cho laser bán dẫn có một tầm quan trọng đặc biệt, nhất là trong
lónh vực truyền thông tin và vô tuyến truyền hình.
*Laser khí:
Cho đến năm 1961, laser khí mới ra đời nhưng không được chú ý nhiều, vì về công
suất bức xạ ánh sáng và hiệu suất làm việc nó còn kém xa loại laser ra đời trước đó
(laser hồng ngọc). Tuy nhiên, laser khí đã có nhiều hứa hẹn tốt đẹp về tính đơn sắc và
Page z
khả năng đònh hướng cao. Năm 1964, laser khí CO
2
xuất hiện, với một công suất rất
cao. Trong những năm gần đây, laser khí CO
2
(và hỗn hợp của nó) đã đạt được công
suất bức xạ tới hàng chục KW, trong chế độ làm việc liên tục, với hiệu suất 20%
Loại laser CO
2
khí động học có công suất bức xạ đến 100 KW.
Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng đònh hướng
cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải 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 …
*Laser lỏng:
Một trong những phương hướng 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. Các nguyên tử êropi bò kích thích và bức xạ ánh sáng với
bước sóng 0,61 µm (màu đỏ).
Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững,
chất hữu cơ bò 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, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với
hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần
500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun.
Page x
Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con
người, do đóù khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp.
Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng
của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn
giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser .
Các loại laser như đã nói ở trên đều cần nguồn cung cấp điện để tạo ra môi trường
hoạt tính. Nguồn điện năng được sử dụng có thể dưới dạng dòng điện cao tầng để ion
hóa hỗn hợp khí trong laser khí, hoặc dòng điện một chiều chạy qua lớp tiếp xúc P-N
trong laser bán dẫn, hoặc dưới dạng ánh sáng đèn chiếu sáng như trong các laser rắn
… Các phương pháp kích thích môi trường hoạt tính này đều có hiệu suất khá cao và
cho công suất bức xạ của laser lớn. Tuy nhiên, trong thực tế không phải nơi nào cũng
có nguồn điện năng. Như vậy, sự ra đời của laser khí động học và laser hóa học là
một giải pháp thực tế nhất.
*Laser Gama:
Trong những năm gần đây, ngành điện tử lượng tử đã phát triển rất mạnh. Sự phát
triển của nó gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, quang học, vật lý, hóa học
và nhiều lónh vực khoa học khác. Sự tương quan hữu cơ này đã thúc đẩy sự phát triển,
không những của chính bản thân kỹ thuật laser, mà còn những ngành có liên quan.
Có thể nói rằng, sự ra đời của laser Gamma là sự kết hợp hài hòa giữa yêu cầu cần
có một nguồn ánh sáng điện từ đơn sắc, có công suất lớn với bước sóng < 10
7
cm và
sự phát minh ra hiệu ứng Mesbauer. Với bước sóng này, laser Gamma cho phép
nghiên cứu đặc điểm cầu trúc của thế giới vi mô, và mở ra nhiều triển vọng mới trong
ngành sinh học, hóa học vật lý và kỹ thuật …
Page Y
Năm 1972 – 1973, nhà bác học Xô Viết lỗi lạc, viện só Viện Hàn lâm Khoa học Liên
Xô đã đặt nền móng cho một phương hướng nghiên cứu laser mới – laser Gamma. Cơ
sở vật lý của laser Gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá trình bức
xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia Gamma với độ phẩm chất rất lớn. Trong laser
Gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân
phóng xạ. Hạt nhân sẽ bức xạ tia Gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng
lượng cao xuống các mức năng lượng thấp hơn. Hiện tượng bức xạ tia Gamma này gọi
là hiện tượng phân rã Gamma.
Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các notron, proton hay tia
Gamma.
Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác (laser
khí, laser rắn …). Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi 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. Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ
hồng ngoại cho đến bước sóng một vài Amstrong (A
o
). Tuy nhiên trong tương lai, khó
mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser.
Sự ra đời và phát triển rất mạnh của kỹ thuật laser đã góp phần rất lớn vào việc giải
quyết nhiều vấn đề kỹ thuật và nghiên cứu khoa học.
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,
Page JI
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 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:
Page JJ
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
Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý máy laser.
*Máy laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau:
III.2.1.Môi 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 …)
+ 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.
* Môi 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
Page Jc
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.
Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý laser khí.
*Môi trường hoạt tính rắn:
Page Jn
Máy phát
Tia laser
Cửa
sổ
ng chứa khí
Gương phản xạ
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.
*Môi 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.
Page Jg
Tia laser
Lỗ trống
Cặp lỗ trống điện tử
Dòng điện tử
Lớp công tác
Electron
D
nh sáng phản
xạ lại từ gương
Môi trường
hoạt tính
Mặt gương
Hình 5.6. 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 5.7. 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.
Page JX
Gương phản chiếu
Thanh hoạt tính
P
‚
Hình 5.8. 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.
Page JZ
Phôi
Vòi phun trong
Khí cắt áp
suất cao
Vòi phun ngoài
Khí cắt áp
suất thấp
Thấu kính hội tụ
Tia laser
Hình 5.9. 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 5.10. 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
Page Jz
{
c
{
J
{
c
{
J
Môi trường hoạtH
Lăng H
Gương phản
#ƒ
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.
Hình 5.11. Sơ đồ máy laser khí.
III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm:
+ Máy phát tia laser: 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.
Page Jx
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 5.12. Máy tạo laser năng lượng cao HL 4006 D.
+ 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.
Hình 5.13. Sơ đồ máy laser rắn.
Page JY
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
+ 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.
a. 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.
Page cI
X
JI
g
Z
z
x
Y
c
n
J
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 5.14. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M.
Trên hình 5.15 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác.
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.
Hình 5.15. Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác.
Page cJ
Z
g
n
X
z
x
J
c
a. Với đèn bức xạ chuyên dùng. b. Với gương phản xạ hình elíp.
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.
Trên cơ sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận chính:
a Đầu tia phát laser.
a Bộ phận cung cấp và điều khiển điện.
a 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 5.36.
Page cc
g
z
n
c
J
X
Z
Máy phát quang lượng tử.
Màng ngăn.
ng ngắm.
Vật kính của kính hiển vi.
Tấm kính bảo vệ.
Chi tiết gia công.
Bộ nguồn
Hình 5.16. Sơ đồ máy phát laser kiểm MLC-1.
b. 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 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.
Page cn
J
c n
n
c
J
.
M
Hình 5.17. 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.
Hình 5.18. Tập trung chùm tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ.
Page cg
„
…
„
……
J
„ „
J
g
‚
B
‚
‚
0
‚
J
c
n
g
X
J
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) như hình 5.39.
Hình 5.19. 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 …
IV.Các thông số và khả năng công 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 …
Page cX
‚
0
„
0
c
0
