Chương 1: Công nghệ Laser pdf

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ LASER
I.1 Định nghĩa Laser.
Laser: nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức.
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.
I.2. Đặc điểm của Laser
Công suất của nguồn bức xạ rất lớn
Độ đơn sắc cao
Kích thước chùm tia nhỏ, hội tụ cao
Tần số ổn định
Thời gian 1 xung ngắn khoảng 1/10 giây
Bước sóng ngắn, dãy sóng bức xạ lớn
I.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát Laser.
1- Môi trường hoạt tính 5- Hệ thống gương
2- Nguồn áng sáng kích thích 6- Gương bán trong suốt
3- Tia áng sáng kích thích 7- Chùm tia Laser
4- Hộp cộng hưởng quang học 8- Gương phản xạ
I.4 Các bộ phận chính của máy phát Laser
I.4.1 Môi trường kích thích:
Là “trái tim Laser”: tạo ra sóng điện từ hoặc sóng ánh sáng
Các chất dùng làm môi trường hoạt tính:
Khí và hỗn hợp khí (Ne, He, CO2…)
Tinh thể (Rubi-hồng ngọc…), thủy tinh hợp chất
Chất lỏng: chất hữu cơ, vô cơ….
Chất bán dẫn: Ge, Si…
I.4.2 Nguồn kích thích:
Nguồn ánh sáng đèn
Dòng điện tần số cao
Dòng điện 1 chiều
Dòng điện tầng số thấp
I.4.3 Phần quang học:

Hệ thống gương: gương phản chiếu, lăng kính hoặc thấu kính
Thấu kính Lăng kính
I.5 Phân loại Laser
I.5.1 Laser rắn
a) Môi trường kích thích:
Rubi-hồng ngọc, thủy tinh hợp chất
b) Ưu điễm:
Làm việc với tầng số cao
Dẫn nhiệt tốt
Độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao
Giá thành rẻ, kích thước máy nhỏ gọn
c) Khuyết điễm:
Hiệu suất thấp: 5-7%
I.5.2 Laser bán dẫn
a) Môi trường kích thích:
Các loại bán dẫn loại N hay loại P
b) Ưu điễm:
Hiệu suất cao: 60-70 %
Dễ điều khiển, thể tích nhỏ
c) Khuyết điễm:
Công suất bức xạ nhỏ
Ứng dụng trong thông tin, truyền hình….
I.5.3 Laser thể khí
a) Môi trường kích thích
Laser CO2-N2
Laser CO2-Ne-He
Laser N2, Ar…
b) Ưu điễm
Tạo được các loại tia laser phù hợp với các loại vật liệu.
Hiệu suất: 20%

Tính đơn sắc cao, dễ chế tạo
c) Khuyết điễm
Chưa tìm ra được nhược điễm
Maựy phaựt
Tia laser
Cửỷa soồ
Ch a khớ
Gửụng phaỷn xaù
I.5.4 Laser lng
a) Mụi trng kớch thớch
Hn hp hu c kim loi v cht mu
Hn hp vụ c
b) u im
Khụng ũi hi gia cụng chớnh xỏc
D dng lm lnh hot cht
Cụng sut bc x v hiu sut khỏ cao
c) Khuyt im
Mụi trng hot tớnh d b phõn hu
ụi khi gõy hi cho c th con ngi.
I.5.5 Một số dạng laser khác
Laser khí động học: phương pháp giản nở khí đột ngột
Laser hóa học: các phản ứng hóa học để tạo ra vùng đảo mức năng lượng
Laser Gamma: là 1 loại laser có cấu tạo phức tạp, công suất lớn, bước sóng ngắn
Laser nghịch dảo thời gian: tia laser ra 2 đầu
I.5.6 Các thông số đặt trưng của 1 số loại Laser
Ảnh hưởng của tia laser tới cơ thể
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT BẰNG TIA LASER
II.1 Phân loại các phương pháp cắt bằng laser
Sơ đồ phân loại các phương pháp cắt bằng tia laser

II.2 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng chùm tia Laser
II.3 Đặc điểm của quá trình cắt bằng tia Laser
Cắt được tất cả vật liệu, hợp kim, có từ tính hay không có từ tính
Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh, độ chính xác cao
Gia công bất kỳ hình dạng, mép cắt sạch
Quá trình cắt diễn ra nhanh chóng
Rất ít gây biến dạng đến chi tiết
Năng suất cao, không gây ồn
Chiều dày cắt từ 10-20 mm
II.4 Đặc tính của thiết bị cắt bằng tia Laser
Đặt tính về thiết bị: loại máy phát, loại nguồn,dạng xung,độ dài bước sóng………
Đặt tính về dịch chuyển: tốt độ dịch chuyển, vị trí tiêu điễm
Đặt tính của khí cắt : thành phần khí hổ trợ, cắt có khí nung hay không nung
Đặt tính vật liệu: tính truyền dẫn nhiệt, đặt tính quang học ( hấp thụ bức xạ, khả
năng phản xạ)
II.5 Các phương pháp cắt bằng tia Laser
II.5.1 Phương pháp đột biến về nhiệt
Lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại 1 điểm rất nhỏ trên bề mặt vật cắt và liên
tục phát triển với tốc độ cao ( cở m/s) gây nên sự gãy đột biến tạo nên rảnh cắt
Dùng để cắt vật liệu giòn
II.5.2 Phương pháp cắt bằng khoan
Dùng tia laser khoan các lổ sâu hoặc không sâu, sau đó bẻ gãy bằng cơ học
Dùng để cắt vật liệu giòn
II.5.3 Phương pháp nóng chảy,đốt cháy và thổi; phương pháp nóng
chảy và thổi
Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi: làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau đó
thổi các sản phẩm cháy bay đi tạo thành rảnh cắt
Phương pháp nóng chảy và thổi: nung nóng chảy vùng bị cắt rùi dùng khí áp suất
cao thổi chúng ra khỏi vùng cắt tạo thành rảnh cắt

II.5.4 Phương pháp bay hơi
Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rảnh cắt
II.5.5 Phương pháp cắt nguội
Dùng laser có dãy tầng số vùng cực tím có năng lượng siêu cao để cắt
Chất lượng mép cắt rất cao
Dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật
II.6 Các quá trình xảy ra khi cắt vật liệu
a) Sự truyền nhiệt cho vật liệu gia công
Một phần được phản xạ trở lại
Một phần được vật liệu gia công hấp thụ
b) Sự truyền nhiệt bức xạ lên vật liệu gia công
Khả năng hấp thụ năng lượng được thể hiện qua công thức:
Hệ số hấp thụ A của 1 số vật liệu
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG TIA LASER TRONG NGÀNH CƠ KHÍ
III.1 Gia công cắt các loại kim loại
Cắt bằng tia laser kết hợp nung Cắt bằng tia laser kết hợp nung nóng sơ bộ bằng chùm tia laser
nóng sơ bộ bằng ngọn lửa
1-chùm tia laser 1-chùm tia laser 6-gương hội tụ
2-thấu kính hội tụ 2-bộ tách chùm tia laser 7-chùm tia laser cắt
3-đầu cắt 3-thấu kính hội tụ 8-đầu cắt
4-mỏ nung 4-chùm tia laser nung nóng sơ bộ 9- vật cắt
5-vật cắt 5-gương
Ngoài ra người ta còn sử dụng khí hổ trợ trong quá trình cắt:
Nung nóng vật liệu,oxy hóa kim loại vùng cắt,hạn chế khả năng phản xạ…
Thổi các vật liệu bị cháy ra khỏi vùng cắt, làm sạch mép cắt…
Chế độ cắt của vật liệu kim loại ( tham khảo)
III.2 Gia công cắt các vật liệu phi kim loại
Thường dùng khí hổ trợ khi cắt
Phạm vi ứng dụng của các loại laser khi cắt vật liệu phi kim loại
Chế độ cắt của 1 số vật liệu phi kim loại

III.3 Gia công lỗ bằng tia Laser
Đột lỗ thường ( độ chính xác thấp)
Đột lỗ chính xác:
Đột lỗ cạn: h/d <1
Đột lỗ sâu: h/d
Với: : năng lượng 1 xung.
: nhiệt luyện bay hơi
: bán kính vùng bị chùm tia tác dụng (mm)
n: số xung tác dụng lên vùng gia công
Bảng giá trị h và d một số vật liệu khi tiêu điễm nằm trên bề mặt gia công
III.4 Hàn bằng tia Laser
1-tủ điều khiển 5-chùm tia laser 9-thấu kính hội tụ
2-nguồn điện 6-gương phản xa 10-chi tiết
3-đầu laser 7-gương lọc 11-bàn đặt chi tiết
4-hệ thống làm mát 8-hệ thống quang sát
III.5 Quét xử lý bề mặt
III.6 Gia công lớp phủ bề mặt kim loại
III.7 Trong nhiệt luyện
1-chùm tia laser
2-gương phản xạ
3-bề mặt gia công
CHƯƠNG IV KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA LASER
a) Laser trong gia công vật liệu, trong công nghệ vật liệu
Khắc, cắt Khoan
Hàn
Biến cứng bề mặt
Hợp kim hóa bề
Máy hàn
Welding laser ALDT 30
The AL 75

Máy cắt, khắc

Máy cưa

Máy khoan