Các Dạng Gia Công Tinh Trên Bề Mặt

Chương 9 CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT
9.1 Tôi bề mặt chi tiết bằng laser
Những laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép gia
công nhiệt bề mặt kim loại.
Ưu điểm:
- Có ưu việt đặc biệt với một số chi tiết có hình dạng không thích
hợp với phương pháp gia công nhiệt truyền thống khác.
- Tôi bề mặt: đốt nóng và làm nguội nhanh
- Tách oxit và các bụi trên bề mặt chi tiết.


Việc tạo lớp cứng mỏng bề mặt chi tiết bằng việc nung nóng và
làm nguội nhanh đóng vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo
chi tiết: như bề mặt bánh răng, rãnh then, các khớp rãnh, …
Quá trình tôi là xảy ra ở lớp kim loại nền cơ bản. Khi nung nóng
đến nhiệt độ chuyển pha của các cấu trúc austenit như là dung dịch
rắn cacbit trong thép, khi làm nguội nó tạo thành trạng thái bền
peclit với pherit hoặc xemetit, còn dung dịch rắn cacbit rất bền
trong sắt α gọi là mactenxit.
Tốc độ nguội của thép tùy thành phần của thép từ 30÷40 0C/giây
cho đến dưới 250 0C, thường sử dụng chất lỏng làm nguội.


Khi tôi laser: Phần lớn năng lượng bị hút vào kim loại để đốt nóng
bề mặt, còn phần kim loại còn lại thì làm nguội. Khi đó bề mặt bị
đốt nóng sẽ nguội đi. Trong khoảng thời gian đầu tiên, sự làm nguội
sẽ gần bằng:
T0
2τ
với T0: là nhiệt độ bề mặt
τ: độ dài xung đốt laser

Nhiệt độ phụ thuộc q của laser bán kính a theo trục z vuông
góc với bề mặt phẳng của môi trường bán cực:
Ttĩnh(z)=

q
k

(

z2 + a 2 − z

)


-Ánh sáng bị hấp thụ mạnh bởi kim loại ở bước sóng khả biến
-Sự hấp thụ bề mặt lại tăng với sự tăng nhiệt độ bề mặt và sự hình
thành màng ô xýt
Thép thường, bức xạ hấp thụ 8 kw/cm2 đốt lớp chiều sâu 0,5mm
đến nhiệt độ cao tới hạn, khi đó chuyển pha γ thành α ausetenit
(T≤9370C) trong thời gian khoảng 0,05 giây.
Nếu nhiệt từ chùm tia bị truyền sang các vùng khác do sự dẫn
nhiệt cao của vật liệu thì lớp bề mặt sẽ nguội rất nhanh tạo nên bề
mặt mactenxit.



Nhận xét:
+ Hiệu quả của quá trình tôi chịu ảnh hưởng rất lớn của độ phản xạ
bề mặt. Bước sóng λ=0,6µm với thép ở nhiệt độ thường hệ số hấp

thụ bề mặt nhỏ hơn 10% song nó tăng rất nhanh với sự tăng nhiệt
độ bề mặt.
+ Khi có lớp màng mỏng graphit nó làm tăng hệ số hấp thụ và tăng
hiệu quả quá trình tôi.
Quá trình gia công nhiệt các loại thép có thể tiến hành trong các
môi trường khác nhau: nước, khí… song tốt hơn cả là trong chất
lỏng.


Các nghiên cứu thực nghiệm cho các kết luận:
-Quá trình tôi chi tiết hấp thụ ít năng lượng nên không đốt nóng
chi tiết vì quá trình nung xảy ra nhanh.
-Dễ dàng tôi các bề mặt trong và ngoài. Sự tập trung năng lượng
trong vùng gia công có thể kiểm soát điều khiển được.
-Khả năng nhận được giải tôi và vùng tôi rất hẹp nhờ tiêu tụ, chắn
hoặc dùng maska chùm tia.
-Trong quá trình tôi không xảy ra quá trình hóa học độc hại cũng
như tiếng ồn và nhiệt độ cao tại vùng làm việc.
-Quá trình tôi xảy ra rất nhanh nên sự oxi hóa bề mặt và các phản
ứng hóa học khác là nhỏ nhất.


Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng: laser công suất cũng có
thể bóc các lớp oxit bề mặt để phục hồi lớp kim loại bề mặt bị khí
quyển tác dụng.
Ngoài ra laser cũng có thể thực hiện được các quá trình chế tạo
chi tiết có hình dạng yêu cầu từ hợp kim bột với nhiều ưu việt hơn
các phương pháp đốt nóng khác.
Nhược điểm: Với chi tiết đủ lớn buộc phải tôi điểm có điều khiển.

9.2 Gia công tạo hình bề mặt
Là phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện của chùm tia laser
được xác định bởi một mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia công với tỷ lệ
cần thiết để nhận được hình ảnh lặp lại dạng của mặt nạ. Đây gọi là
phương pháp chiếu hình để tạo các màng định hình trong công
nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác hoặc in chữ và số lên bề mặt
nhạy cảm với ứng suất cơ học và áp lực dễ bị phá hủy hoặc thay đổi
cấu trúc.
Ví dụ: Vi mạch ,tấm mỏng gốm đơn tinh thể hoặc đầu từ là vật liệu
pherit. Người ta dùng laser để đốt cháy lớp bề mặt tạo số qua mặt nạ
mà không phá hủy nó.


Phổ hấp thụ của gốm chỉ với những bước sóng nhỏ hơn 1,1µm
còn với bước sóng dài hơn nó trở nên trong suốt.
Ánh sáng nhìn thấy được hấp thụ trên gốm ở độ sâu gần 0,1µm.
,năng lượng bị hấp thụ trong vài pico giây và chuyển thành nhiệt.
-Tia laser sẽ đốt nóng vật tạo ra sự giãn nở nhiệt và ứng suất.
-Khi đó sự truyền nhiệt từ vùng chiếu sáng đến các vùng lân cận
cần phải giảm cực đại bằng cách dùng laser xung.
- Nếu xung laser dài 1ms thì chỉ xảy ra sự truyền nhiệt trong thời
gian đó.
- Hiệu ứng tác động của tia laser phụ thuộc vào năng lượng của
nó.


Với gốm, năng lượng laser bị hấp thụ chậm và khi xung đủ năng
lượng thì xảy ra sự nóng chảy cục bộ, khi tăng năng lượng xung thì
nhiệt động sẽ tăng lên đến điểm bay hơi vật liệu.

Khi mật độ công suất đạt 108 w/cm2 thì nhiệt độ có thể đạt tới 1010
0
C/s còn gardien nhiệt độ đến 10-6 0C/cm, cần khoảng 5ns thì bề mặt
chi tiết đạt đến nhiệt độ bay hơi, sau 50ns thì vật liệu bắt đầu nóng
chảy ở độ sâu 2µm. Vật liệu bay hơi thì có hệ số hấp thụ cao hơn
khi nó ở trạng thái rắn. Sự bay hơi sẽ lần lượt từng lớp


.

Hình trên lỗ maska được chiếu lên bề mặt gia công, mặt nạ thường
làm bằng đĩa molipden Ф76mm và dày 0,1mm, các số được đục
trên vành đĩa và bằng cách quay người ta sẽ đưa nó vào vị trí cần
thiết khi chiếu. Các laser thường sử dụng: Rubi, neodim, thủy tinh
và YAK


Một số nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình bay hơi:
- Sự phân bố cường độ trong tiết diện ngang chùm tia không đều
gây nên sự tác động không đồng nhất lên vật liệu gia công. Đồng
thời do sự phân bố cường độ đó theo luật Gauss nên chiều sâu bay
hơi vật liệu sẽ giảm từ tâm ra ngoài, khắc phục điều này hết sức
phức tạp.


Do sự phân bố cường độ không đồng đều, nên tại các điểm cường
độ tăng cao sẽ nứt hoặc vết lõm trên bề mặt gia công do không
đồng chất vật liệu laser và hệ quang.
Để làm đồng đều cường độ tia, người ta dùng phương pháp tia
laser được mở rộng và đi vào một thấu kính đặc biệt mà mặt trước

của nó như một mặt tán xạ sẽ phân tán phần cường độ mạnh nhất
theo nhiều góc đi vào bề mặt gia công.


Phương pháp: in litô laser để tạo dưỡng quang học: để làm dưỡng
quang tốn thời gian và có nhiều khuyết tật.
Phương pháp laser đốt cháy lớp màng phủ làm dưỡng loại trừ được
phương pháp in chụp quang học đồng thời còn có khả năng kiểm tra
kích thước hình trên dưỡng quang ở tỷ lệ thực và rút ngắn thời gian
chế tạo.
Quá trình đôt: Để tạo các ảnh cỡ micro có 3 phương pháp tạo hình
bằng hệ quang để tạo litograph:
- Phương pháp chiếu hình
- Phương pháp chùm công tua
- Phương pháp chiếu công tua


.


.

Hình 9.5
(a): màng Fe2O3
1000A0
30×30mm2
(b): màng Cr 800A0
30×28mm2

9.3 Một số dạng ứng dụng gia công với laser.
Cắt ống thủy tinh thành mỏng
Trong công nghệ chế tạo dụng cụ, ví du: ống điện tử chân
không … cần phải cắt không được khuyết tật các ống thủy tinh.
Ví dụ ống Ф20 với chiều dày thành 0,75mm.
Cơ chế của việc cắt này là phân bố có hướng của ứng suất nhiệt
đàn hồi xuất hiện trên thủy tinh do tác dụng của gradien nhiệt
lớn.


Ứng suất bên trong bề mặt trụ G tăng theo công thức:

β ET
G=
2( 1 − P)

Ở đây:

β: Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính
E: Modun đàn hồi
P: Hệ số Poatxong
T: Nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép (đối với các
mác thủy tinh đã cho) hơn 5 lần.

Nhận xét: Tùy theo mức độ tăng của ứng suất, độ nhám của bề mặt
thay đổi từ cấp: 4÷13


Nhờ bức xạ laser có thể cắt các tấm thủy tinh, gốm và ống thạch
anh

Ngoài ra phương pháp này còn cho phép cắt ống thủy tinh trong quá
trình kéo ống liên tục với tốc độ cao.
Phương pháp laser do không có tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và thủy
tinh nên không xuất hiện trong thủy tinh và dụng cụ những ứng suất
phụ.
Không có các yếu tố va chạm cơ học , khả năng điều chỉnh và
khống chế mức độ tác động lên thủy tinh độ ổn định quá trình cắt, là
ưu điểm của phương pháp này.


9.3.2Bóc các màng cách ly, cách điện từ dây dẫn.
Làm sạch màng cách điện từ dây dẫn mỏng là một vấn đề của công
nghệ chế tạo điện tử, các phương pháp cơ, hóa không đảm bảo độ
tin cậy làm sạch.
Công nghệ làm sạch dây khỏi màng mỏng, dựa trên tính chất: nhờ
laser CO2 có bước sóng 10,6µm bị hấp thụ tốt bởi điện môi và bị
phản xạ mạnh từ kim loại, laser CO2 liên tục công suất 25w, dây
dẫn đưa vào qua mặt phẳng tiêu tụ nhờ thấu kính gốm quang học
ZnS xảy ra sự đốt cháy chất cách điện, lõi kim loại không bị phá
hủy do độ phản xạ cao.
Tốc độ dịch chuyển dây tùy thuộc vào đường kính của nó, công suất
laser, độ dày.


Đồ thị hình 9.6 mô tả sự phụ thuộc của tốc độ tách lớp phủ cách
điện, từ dây dẫn với đường kính khi công suất laser 16 và 19w


9.3.3 Cắt điện trở
Bằng laser CO2 công suất không lớn người ta cắt tạo điện trở bằng

cách bóc lớp điện tử trên lõi gốm, khi đó lõi gốm vừa quay vừa
chuyển động tịnh tiến theo đướng xoắn ốc.
Ưu việt của phương pháp này so với mài bằng đá mài tròn là:
- Giảm kích thước điện trở (với đá mài kích thước điện trở phải đủ
lớn).
- Có thể cắt nhanh sơ bộ để tạo độ chính xác cho điện tử.
- Không có bụi do việc cắt lớp điện tử gây ra nên không gây chập
giữa các vòng điện trở.
- Tốc độ cao có năng suất cao gấp 5 lần.


Ví dụ: Dùng laser đơn mốt liên tục với đường kính chùm ra 10mm,
tiêu tụ bằng thấu kính gốm quang học (ZnS) tiêu cự 50µm, đường
kính vết hội tụ trên nửa chiều rộng phân bố Gauss gần 120µm, công
suất ra 12w khi cắt điện trở Cr đường kính 7,5mm dài 19,5mm. Khi
nhận 3 giá trị đầu 40, 10, 1Ω, lớp điện tử tạo bằng khuếch tán Crom
trên lớp bề mặt gốm, độ sâu khuếch tán 10÷20µm và nồng độ hạt
Crom thay đổi theo chiều sâu và cực đại trên bề mặt, tạo ra điện tử
22,5; 5,1; 0,51 Ω/cm.


Các nghiên cứu về sử dụng laser CO2 đê cắt các màng kim loại cho
phép giải thích những khả năng và khó khăn khi chế tạo điện trở.
Ví dụ: Khi cắt các màng từ nhôm và vàng thì bề rộng vết cắt thay
đổi từ 200-600µm tùy thuộc vào vận tốc chuyển động của laser.
Tốc độ cực đại đến 650cm/phút.
Còn tốc độ cực tiểu là sự xuất hiện các vết nứt… trong vùng
ảnh hưởng nhiệt 1,5÷2 rộng hơn vết nứt.
Vậy cần chọn tốc độ thích hợp để giảm vùng ảnh hưởng nhiệt.