Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser

BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay tất cả các ngành nghề trên thế giới đã và đang phát triển một cách nhanh
chóng, trong đó đặc biệt là các ngành công, thương nghiệp đã có nhiều bước tiến triên
vượt bậc. Để có những thành tích như thế con người đã cho ra những đời máy tiên tiến,
làm việc hiệu quả đối với những vật liệu cứng trong ngành vật liệu và cơ khí. Người ta
kết hợp chúng lại gọi chung đó là các phương pháp gia công đặc biệt, trong đó phương
pháp cắt bằng tia laser được sử dụng rất nhiều hiện nay.
Phương pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phương pháp gia công
cổ điển như : Tiện, Phay, Bào, Khoan, Khoét, Doa, Mài, Xọc, Chuốt, . . . Vì gia công cổ
điển gia công không được hoặc gia công không đạt hiệu quả kinh tế – kỹ thuật đối với vật
liệu mới, do vật liệu mới có đặc điểm : Độ cứng và độ bền cao, Khả năng chịu và chống
mài mòn cao, chịu đựng tốt trong môi trường hoá chất, . . .
Phương pháp cắt bằng tia laser có khả năng cắt tất cả vật liệu mới với bất kỳ cơ
tính nào, gia công hầu hầu hết các chi tiết phức tạp, tiết kiệm được nguyên vật liệu, đạt độ
chính xác cao và hoàn toàn cơ khí hoá, tự động hoá.
Phương pháp cắt bằng tia laser được xây dựng tường minh về cơ sở lý thuyết,
nguyên lý làm việc, khả năng công nghệ, đặc điểm kỹ thuật, khả năng ứng dụng, . . . của
các phương pháp gia công mới, tạo điều kiện thuận lợi cho đọc giả quy hoạch ở thực tiễn
sản xuất.

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 10 năm 2013
Sinh viên
Lê Thanh Trí Thức
PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER
I. Khái niệm
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 1


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

- Laser được sử dụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà
trong tương lai gần trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật
trong gia công kim loại. Hiện tại thì có thể sử dụng thành công 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 laze 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. 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 ra tiếng Việt là máy phát lượng tử ánh sang.
II. Nguyên lý gia công
- Hình II.1 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M.

SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 2


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

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
9) Bàn gá
10) Tế bào quang điện
- Nguồn điện công nghiệp 1 quabiến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thống tụ. Điện áp
tối đa của tụ là 2 kV để 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 cắt ngang là elíp.
Khi đèn 3 phát sáng, toàn bộ năng lượng sẽ tạp 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 thanh hồng ngọc và kích các ion Cr +3 khác để rồi
cùng phóng ra chùm tia lượng tử. Gương 5 có độ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương
6 gần 50%. Nhờ đó, một mặt ta vẫn nhận được chùm tia lade 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
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 3


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy. Chùm tia
nhận được qua gương 6 sẽ 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 ba 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 trình 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.
+ Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong.
III. Cơ sở của phương pháp gia công bằng tia laser
- Năm 1954 N. Pronhorop thuộc viện Hàn Lâm Khoa Học Liên Xô và cùng lúc đó P.
Godon, H. J. Zeigiơ và C. H. Taun thuộc Trường Đại Học Colombia đã được giải thưởng
Nobel về việc lần đầu tiên trên thế giới đã chế tạo thành công máy phát lượng tử
-MASER mà về sau được thay thế bằng danh từ LASER (LIGH APLICATION BY
STIMULATED EMUSION OF RADIOTION)- Có nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng bằng
bức xạ cưỡng bức.
- Laser là một dụng cụ pháttia sáng, có thể ra phóng xạ song song cực mạnh. Về phương
diện quang học có thể hình dung nguồn sáng này như là một điểm sáng đặt trong vô cực,
nhỏ đến mức kích thước của một điểm chấm. Điểm ánh sáng lạ thường này phóng ra
năng lượng bằng những nguyên tử được kích thích trong trạng thái khá ổn định
(metastabil).
- Trên sơ đồ nguyên lí làm việc của laser có thể thấy một không gian quang học chứa

đựng thanh laser, không gian Laser này là một dụng cụ phát tia sáng, có thể ra phóng xạ
song song cực mạnh. Về phương diện quang học có thể hình dung nguồn sáng này như là
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 4


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

một điểm sáng đặt trong vô cực, nhỏ đến mức kích thước của một điểm chấm. Điểm ánh
sáng lạ thường này phóng ra năng lượng bằng những nguyên tử được kích thích trong
trạng thái khá ổn định (metastabily chúng là ở hai phía là hai kính phản chiếu, và giữa
chúng là thanh laser, những nguyên tử của nó bị kích thích vào những trạng thái khá ổn
định, những photon được phóng ra. Photon phóng ra tứ phía nhưng trong số đó nhiều
photon hướngvào trục quang học của thanh laser. Trong lúc đó có những nguyên tử đang
ở trạng thái bị kích thích va chạm nhau, và do đó photon tiếp tục được phóng ra, những
photon này nối tiếp những photon trước về pha cũng như về hướng. Quá trình này tiếp
diễn cho đến lúc các photon chuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản
xạ trở lại, một phần của chúng rời bỏ đầu ra của thanh laser. Ở đây một bộ phận đi qua
kính phản chiếu bộ phận, còn bộ phận khác được phản xạ trở về thanh laser có một phản
chiếu 100%, mặt ra của nó định hướng cho những tia sáng đập lên nó.
- Khi tia sáng đã xuyên qua kính phản chiếu ở đầu ra, thì hình thành một tia nối tiếp nhau,
đã được chuẩn trực rất mạnh. Tia laser được hình thành như vậy có thể được sử dụng như
là một dụng cụ làm việc ở chế độ xung. Tia ánh sáng được điều chỉnh tiêu cự, hướng vào
mặt phẳng của vật gia công, tuỳ theo khả năng hấp thụ của vật liệu mà trên lớp bề mặt sẽ
có nhiệt độ cực cao. Ví dụ: chiếu vào một khối than tia laser trong chốc lát sẽ có một
ngọn lửa phụt lên cao và trong một mili giây nhiệt độ cục bộ có thể tăng lên đến 8000oC.
- Nói tóm lại, các photon trong điều kiện nào đó, có thể kích thích các nguyên tử của vật

chất và các phân tử hay nguyên tử này sẽ bức xạ ra các photon thứ cấp giống y như vậy.

Hình III.1:
Sơ đồ nguyên lý làm việc của laser
Các photon thứ cấp này cùng pha với các photon ban đầu. Như vậy trong vật chất có thể
xuất hiện quá trình nhận photon và bức xạ ra sóng điện từ với bước sóng nhất định. Đó là
nguyên lí chung của các loại laser.
- Các loại tia laser tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật, có thể ở trong các môi trường hoạt tính
khácnhau : môi trường khí, môi trường rắn, môi trường lỏng, môi trường bán dẫn.
+ Môi trường khí : Loại Laser khí được phổ biến khá rộng rãi, sự kích thích phóng điện
và điều khiển nó tương đối đơn giản. Có 3 loại laser khí : loại nguyên tử trung hoà, loại
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 5


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

ion hoá và loại phân tử. Hiện nay được dùng phổ biến nhất là laser CO2. Laser khí CO2
có thể dùng ở dạng tinh khiết và nếu thêm vào các khí N2 hoặc H2theo tỉ lệ nào đó thì sẽ
hạn chế được tổn thất do năng lượng bức xạ nhiệt và do đó hiệu suất của laser khí CO2
cũng có thể được tăng thêm.
+ Môi trường rắn: trong các tia laser rắn môi trường hoạt tính là chất rắn thường là hồng
ngọc nhân tạo (Meiman chế tạo ra năm 1960). Ngoài hồng ngọc ra người ta còn sử dụng
một số loại khác như : hợp chất thuỷ tinh Nê-ô-din Nd, Curopi-Eu.
+ Môi trường bán dẫn: Trên lý thuyết mỗi cặp electron và 2 lỗ trống gặp nhau, chúng sẽ
trung hoà với nhau và phát ra ánh sáng. Do hiệu suất của mỗi laser bán dẫn chúng ta có
thể biến đổi được công suất của chúng bằng phương pháp biến đổi dòng điện kích thích

vì vậy được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử.
- Laser dạng lỏng chưa ứng dụng được để gia công kim loại ngay cả ở trong phòng thí
nghiệm. Hiện nay người ta đang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng laser trạng thái rắn vào gia
công kim loại. Phần lớn laser trạng thái rắn dùng thanh rubin nhân tạo màu hồng (thanh
hồng ngọc). Theo sơ đồ khối thiết bị laser cho thấy vị trí đặt vật liệu laser trong hệ thống
thiết bị.

Hình III.2 Sơ đồ khối thiết bị tia laser

a) Nguồn điện cao thế và tích trữ năng lượng
b) Biến áp
c) Thanh hồng ngọc
d) Đèn chớp
e) Tia laser
IV. Dụng cụ và thiết bị gia công
- Trên cơ sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm
3 bộ phận chính :
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 6


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

+ Đầu phát tia laser.
+ Bộ phận cung cấp điện và điều khiển.
+ Bộ phận gá đặt chi tiết gia công.
- Để tạo laser trên vật thể rắnta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chất khác

nhau hoặccác thuỷ tinh của các chất của các nguyên tố hiếm, ví dụ : tinh thể hồng ngọc
(rubi), thuỷ tinh neodim (Nd) .v.v.
- Có nhiều cách phân loại laser, nhưng thông thường người ta phân loại theo vật liệu cấu
tạo nên môi trường hoạt tính của chúng. Có 4 loại laser chính : laserrắn, laser lỏng, laser
khí và laser gama. Nhưng thông dụng nhấtlà laser rắn (laser hồng ngọc).

Hình IV.1

Laser khí CO2rất thích hợp trong việc gia công thuỷ tinh hấp thụ toàn phần bước sóng
10, 6ìm. Để cắt ống thuỷ tinh người ta gắn chúng lên giá đỡ có thể xoay xung quanh trục
của ống. Thời gian cắt phụ thuộc vào công suất của tia laser, chiều dài ống thuỷ tinh
nhưng mỗi xung thường không quá 1/10 giây. Bề mặt mối cắt không bị rạng nứt, điều này
rất quan trọng khi hàn kín các chi tiết thuỷ tinh với kim loại. Phương pháp này được ứng
dụng rộng rãi và có hiệu quả kinh tế cao trong công nghiệp sản suất thiết bị chân không,
đèn điện tử.
- Tập trung tia laser thông qua hệ thống lăng kín và chiếu lên một diện tích nhỏ thì có thể
khoan lỗ nhỏ trên vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. Về phương diện lý thuyết thì ở
điểm chiếu lên bề mặt vật liệu, đường kính (d) của chấm sáng cỡ bằng chiều dài sóng.
Thực tế có thể tạo ra chấm sáng có
đường kính 100-250 ìm. Cường độ ánh sáng đã được tập trung bằng lăng kính gấp 40 lần
cường độ ánh sáng mặt trời.
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 7


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

- Có thể khoan lỗ có đường kính 2-5 ìm bằng hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều
chỉnh cơ khí. Gia công lỗ lớn hơn vài mm, thì dùng một lăng kính. Kim loại ở lỗ gia công
bốc thành hơi kim loại, có thể điều chỉnh độ sâu của lỗ bằng cách điều chỉnh thời gian và
số lần xung phóng tia laser.
- Hiện nay người ta đã cải tiến và tạo ra máy gia công tia laser điều khiển bằng số. Đó
làmáy CNC, loại máy nàycho phép ta gia công chính xác và thuận lợi khi gia công những
hình dáng phức tạp. Máy tia laser thường được chế tạo theo dạng máy khoan, máy hàn,
máy cắt đứt. Các loại máy mới thường sự dụng ccông nghệ NC/CNC để điều khiển
chuyển
động của bàn máy mang phôi theo toạ độ X,Y. Khi cần thiết người ta cũng chế tạo máy
tia laze điều khiển CNC 3 toạ độ với việc sử dụng bộ nội suy đường thẳng và đường cong
...
V. Ưu - Nhược điểm - Phạm vi ứng dụng.
5.1 Ưu điểm
- Không cần dùng buồng chân không.
- Không có vấn đề điện tích trong môi trường.
- Không có phóng xạ rơnghen.
- Công suất bức xạ cao, quá trình cắt không phụ thuộc
vào cơ tính của phôi liệu, nên nó có thể khoan, hàn, cắt đứt các vật kiệu có độ bền cao,
phi kim loại, khó gia công bằng phương pháp truyền thống.
- Thời gian nung nóng vật liệu ngắn, vùng chịu tác động hẹp, vết cắt nhỏ, ít biến dạng,
nên đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công cao.
- Không dùng dụng cụ cắt, không có lực cắt.
- Cắt được những bề mặt phức tạp, ở vị trí khó tiếp cận.
- Chính những ưu điểm này mà phương pháp gia công
bằng tia laze đang được quan tâm phát triển chẳng những trong ngành chế tạo máy, mà
còn trong ngành truyền thông, y học, đo lường . . .
5.2 Nhược điểm
- Hiệu suất rất thấp (dưới 1%).
- Với một số loại tia laser, khó hoặc hoàn toàn không có khả năng điều chỉnh công suất

ra.
Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn so với tia điện tử.
- Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
*Cân nhắc ưu điểm và nhược điểm có thể khẳng định rằng gia công bằng tia laser sẽ trở
thành công nghệ rất quan trọng

SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 8


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

để gia công những lỗ đặt biệt và để cắt kim loại, nhờ có khả năng có thể nâng cao tần số
phát sung chùm tia laser với năng lượng 5–10 joule/xung và khả năng nâng cao hiệu suất
sử dụng của tia laser.
5.3Phạm vi ứng dụng
- Trong công nghiệp laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt… các loại vật liệu có
độ nóng chảy cao kể cả phi kim.
- Gia công bằng chùm tia lade rất có hiệu quả đối với lỗ nhỏ. Đường kính lỗ nhỏ nhất có
thể đạt 4:m. sử dụng chùm tia lade có thể gia công được các vật liệu khác nhau như kim
loại, thạch anh, kim cương, rubi, v.v Chiều sâu lỗ gia công có thể đạt 12,7 mm. Khi gia
công đường kính lỗ 0,1-0,2 mm thì độ chính xác có thể đạt 2-5 :m.
- Laser còn được dùng để kiễm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết
của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.
- Trong y khoa laser được ứng dụng trong việc giải phẩu, điều trị bệnh bong võng mạc
mắt, khoan răng, châm cứu.
- Ngoài ra laser còn thâm nhập vào cuộc sống của chúng

ta qua các băng từ, máy in laser, máy photo laser và nhiều ứng dụng khác nữa . . .
5.4 Các phương pháp chụp tia laser
• Dùng thấu kính hội tụ
Hình V.1. Các biện pháp tạo mật độ năng lượng cao dùng thấu kính cầu và thấu kính
hình trụ
1. Nguồn sang
2. Thấu kính hội tụ
3. Vật gia công
• Dùng thấu kính chiếu ảnh
Hình V.2 Tập trung chum tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ

PHẦN II

CẮT KIM LOẠI BẰNG TIA LASER
1. Nguyên lý cắt

Phần lớn các máy cắt laser trên thị trường hiện nay đều sử dụng laser CO2 hoặc laser
Nd:YAG với nguyên lý tương tự nhau. Nguyên lý cơ bản của quá trình cắt bằng tia laser
có thể được tóm tắt như sau:
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 9


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung
lên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính.

• Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ,
thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm).
• Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp lực
cao, đồng trục với chùm tia laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí này làm
tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.
• Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo
một quỹ đạo và sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di
chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hoặc chuyển động cơ khí
tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Cũng có máy thiết kế cả hai
loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di chuyển theo một phương và
chi tiết gia công được di chuyển theo phương còn lại. Các hệ thống tự động hóa
hoàn toàn cho phép cắt được các hình dáng 3D.
2. Cắt kim loại
Laser có thể cắt một dải rộng các loại
vật liệu nhưng phần lớn các hệ thống cắt
laser thương mại hiện nay được thực hiện
với kim loại. Cắt kim loại bằng laser đòi
hỏi chùm laser mật độ năng lượng cao
truyền năng lượng vào vùng cắt nhanh hơn
lượng nhiệt truyền ra ngoài. Kèm theo đó là
dòng khí hỗ trợ sẽ đẩy kim loại nóng chảy
ra khỏi vùng cắt.
•

SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 10


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Thép các bon là loại vật liệu kim loại dễ cắt nhất bằng laser. Các loại thép hợp kim thấp
như AISI 4140, 8620,… có điều kiện cắt tương tự như thép các bon. Hàm lượng hợp kim
trong thép tăng thì quá trình cắt trở nên khó khăn hơn. Với thép dụng cụ có hàm lượng
vonfram cao thì tốc độ cắt rất chậm và có xỉ.
Bảng 1. Các tốc độ cắt kim loại không chứa sắt của laser CO2 và Nd:YAG

Nhôm rất khó cắt bằng laser vì nhôm làm phản xạ một lượng lớn tia laser và lượng nhiệt
truyền vào chi tiết lớn và nhanh. Nếu điều chỉnh tiêu cự tia laser không đúng thì có thể
chùm tia bị phản xạ trở lại hệ thống phun gây hư hỏng các bộ phận quang học. Trong khi
đó đồng nguyên chất còn khó gia công hơn so với nhôm.

Các hợp kim đồng cũng có những ứng xử tương tự như nhôm. Các hợp kim nền co-ban
có độ cứng rất cao, có tính chịu nhiệt cao và tính chống mài mòn tốt. Tuy vậy chúng lại
rất dễ cắt bằng laser. Tuy nhiên cần phải xem xét các vết nứt tế vi sinh ra trên bề mặt chi
tiết khi cắt bằng laser.
Titan và hợp kim của nó có phản ứng với ôxy và nitơ để tạo thành các thành phần giòn
trên cạnh cắt. Điều kiện này nói chung là không thể chấp nhận được đối với các chi tiết
trong hàng không và y học làm bằng ti tan. Nếu cần thiết thì có thể dùng các loại khí trơ
như argon để có vết cắt chất lượng tốt hơn.
Dòng khí nén thổi vào thường là ôxy. Nhờ dòng khí này mà hệ số phản xạ của bề mặt
kim loại giảm xuống. Hơn nữa, khi bề mặt đạt đến trạng thái nhiệt độ cao, ôxy sinh ra
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 11


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

phản ứng tỏa nhiệt, thúc đẩy quá trình cắt. Khí nén thổi phần kim loại đã bốc hơi.. Để cho
quá trình cắt gọt đạt hiệu quả cao thì dòng khí thổi vào phải tạo thành dòng lên khu vực
gia công với kích thước lớn hơn vết chùm tia laser một ít. Dòng oxy áp suất thấp tạo ra
phản ứng tự cháy gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng vết cắt.
Trong một số trường hợp, tùy thuộc vào vật liệu chi tiết gia công mà người ta sử dụng khí
trơ thay cho ôxy. Khí này không tạo phản ứng cháy để gia nhiệt cho cho quá trình nhưng
vẫn có các chức năng như đã đề cập ở trên. Thông thường người ta sử dụng ôxy, nitơ,
argon để cắt tấm mỏng. Dùng khí heli để cắt titan, khí trơ áp suất cao để cắt thép không
gỉ và nhôm.
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 và kiểu di chuyển khi gia công
(tia di chuyển, phôi di chuyển, hay kết hợp sự di chuyển của cả hai). Một điều dễ thấy là
độ sâu cắt tỉ lệ thuận với năng lượng cắt và tỉ lệ nghịch với tốc độ cắt. Như vậy năng
lượng cắt gấp đôi sẽ tạo ra chiều sâu cắt gấp đôi. Do vậy bề dày cắt lớn nhất là hàm của
năng lượng cắt, tốc độ cắt và yêu cầu của chất lượng cắt. Hiện nay bề dày 25 mm được
xem là bề dày lớn nhất của các loại thép hợp kim mà người ta có thể cắt được. Khoảng bề
dày cắt có hiệu quả kinh tế cao nhất lên tới 12,5 mm. Các kim loại phản xạ ánh sáng laser
với phần trăm gia tăng tương ứng khi bước sóng của tia tăng với mật độ năng lượng cao
được tạo bởi các tia laser CO2 năng lượng cao sẽ khắc phục được những ảnh hưởng của
phản xạ này. Các tia laser bước sóng ngắn hơn như Nd: YAG sẽ không phải chịu những
ảnh hưởng này do bước sóng ngắn nên phần lớn năng lượng của chúng bị hấp thụ.
Khi cắt bằng laser, một thông số quan trọng là bề rộng vết cắt thông thường bằng hoặc
lớn hơn tia laser một chút, nên việc điều khiển tia laser rất quan trọng. Bề rộng đường cắt
là hàm số của các yếu tố như chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí đến
không gian và tốc độ cắt. Bề rộng vết cắt điển hình là 0,2mm trong khi đó cắt bằng oxyaxêtylen là 3mm.
Ứng với các chiều dày khác nhau thì cắt với tốc độ khác nhau. Tùy theo chiều dày mà
khoảng cách tập trung của tia laser phải được điều chỉnh để đạt hiệu suất cao nhất.

3. Cắt phi kim
Các loại vật liệu vô cơ phi kim loại có áp suất bay hơi thấp và tính dẫn nhiệt kém. Bên
cạnh đó chúng còn có tính chất hấp thu ánh sáng mạnh. Những tính chất này tưởng như là
những điều kiện tốt cho cắt bằng laser nhưng thực ra một số vật liệu vô cơ như gốm, thủy
tinh lại có điểm nóng chảy rất cao và tính kháng nhiệt kém nên cắt chúng bằng laser lại
khó hơn so với cắt kim loại.

SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 12


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Khi chịu tác động nhiệt của tia laser, giấy, gỗ và các vật liệu xenlulô phải trải qua một
quá trình bốc hơi được gây ra bởi sự cháy. Tốc độ cắt phụ thuộc vào năng lượng laser, bề
dày vật liệu, các thành phần khí, nước trong vật liệu. Các vật liệu polyme nhiệt dẻo được
cắt bởi sự nóng chảy và áp lực đẩy các vật liệu nóng chảy ra khỏi vùng cắt. Tốc độ cắt
cũng phụ thuộc vào năng lượng laser, bề dày vật liệu, áp suất khí được dùng để thổi.
Các polyme có thể được cắt bằng sự đốt cháy hay phân rã hoá học bao gồm các chất nhiệt
dẻo chịu nhiệt, êpoxi, phenol...Tốc độ cắt được quyết định bởi năng lượng laser. Tốc độ
cắt cho các loại chịu nhiệt cao hơn so với các loại polyme khác do sự thay đổi pha để bốc
hơi.
Các vật liệu composit có thể dễ dàng cắt, nhưng vết cắt tạo ra có chất lượng cao hay
không còn phụ thuộc vào tính nhạy về nhiệt của loại vật liệu kết hợp. Nói chung, thực
nghiệm cho thấy việc cắt vật liệu composit bằng quá trình cắt khác có dòng chất lỏng áp
suất cao có hiệu quả hơn là cắt bằng laser.
Các quá trình cắt phi kim bằng laser chỉ đòi hỏi một năng lượng vừa phải. Vì thế giới hạn

duy nhất đến chiều sâu cắt là yêu cầu chất lượng của vết cắt. Trong thực tế, phần lớn các
ứng dụng cắt bằng laser dùng cho vật liệu có bề dày bé hơn 12 mm.
Vật liệu gốm được cắt bằng phương pháp thông thường bằng cưa kim cương. Mặc dù
chất lượng bề mặt vết cắt cao nhưng tốc độ cắt rất thấp, điển hình khoảng 20mm/ ph. Cắt
bằng tia laser cho phép đạt tốc độ cắt đến 1.200mm/ph mà chất lượng vết cắt vẫn đảm
bảo.
4. Các loại máy cắt laser
4.1.
Máy cắt kim loại bằng nguồn laser Features
PE-M700 dùng nguồn Laser 700W có thể cắt được rất nhiều loại vật liệu kim loại, đặc
biệt là những loại vật liệu khó gia công theo phương pháp truyền thống (phay, dập...) như
vật liệu siêu cúng,vật liệu cực mỏng, chi tiết cực nhỏ hay chi tiết yêu cầu độ tinh xảo cao.
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 13


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Máy PE-M700 là sự kết hợp hoàn hảo của nguồn Laser, hệ thống quang học và bộ điều
khiển CNC, Được kết hợp với máy tính thông qua phần mếm CAD nên chi tiết cắt đạt độ
chính xác cao, đường cắt nhỏ và không bị biến dạng.
Vật liệu có thể cắt được: 7.0 mm với thép carbon, 5 mm với Inox, 3 mm với
aluminum, nhôm, đồng thau và nhiều loại vật liệu khác.

Ứng dụng
Máy được ứng dụng nhiều trong ngành cơ khí chính xác, ngành công cụ dụng cụ, chế tao
máy, quảng cáo trang trí, ô tô, đóng tàu ...

4.1.2. Thông số chủ yếu
• Mã máy: PE-M700
4.1.1.

•
•
•

Nguồn Laser: Nd+3：YAG
Công suất nguồn laser: 700W
Bước sóng: 1064 nm

•
•
•

Tốc độ cắt tối đa: 15-30mm/s（1mm Inox）
Độ dày vật liệu cắt:
+0.1-6mm Thep carbon
+0.2-4mm Thép hợp kim Inox
+ 0.2-2 mm Aluminum, đồng
• Vùng làm việc: 500mm×500mm, 700mm×700mm, 1000mm×1000mm,
1500mm×1500mm, 2500mm×1200mm, 3000mmx1500mm
• Độ dày đường cắt: > 0.4 m
• Độ chính xác cơ khí : 0.05 mm
• Hệ thống truyền động: Motor kỹ thuật số Servo
• Độ chính xác lặp lại: 0.02 mm
4.2.
Máy cắt laser khổ rộng SH-G2512
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 14


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Máy cắt khổ rộng 1200mm x 2500mm có những tính năng ưu việt hơn các dòng máy
thông thường - Máy thiết kế vùng cắt hết khổ so với các loại vật liệu thông thường như
mica, gỗ...giúp giảm thiểu việc hoa hụt vật liệu trong quá trình chia nhỏ khi sử dụng máy
kích thướt nhỏ. - Màn hình hiển thị rộng cho phép hiển thị cả thời gian và thông số khắc.
Kết nối USB, bộ nhớ lưu trữ đến 256Mb cho phép máy hoạt động mà không cần máy
tính- Ống phóng cùng di chuyển trên hệ thống khi máy làm việc, do đó hạn chế việc sai
tia laser và hao hụt năng lượng khi khắc và cắt ở tầm xa. -Công suất nguồn 80W -150W
(tuỳ chọn) mica 20mm chỉ một lần cắt
Application:
Ứng dụng rộng rãi trong ngành quảng cáo, khắc cắt trang trí nội ngoại thất, ngành
giầy da may mặc túi sách...
Parameter:
• Công suất nguồn: 80W-150W (tuỳ chọn)
• Loại laser: Laser CO2 giải nhiệt bằng nước
• Nguồn điện cung cấp: AC 220, 50HZ/ AC110, 50HZ
• Vùng làm việc: 1200mm x 2500mm
• Tốc độ khắc cực đại: 1000mm/s
• Độ chính xác lập lại: < 0.01mm
• Ký tự nhỏ nhất có thể khắc: Chữ hoa 3x3mm, latinh 2x2mm
• Nhiệt độ môi trường hoạt động: 50C-350C
• Độ phân giải: < 4500dpi
• Bộ điều khiển công nghệ mới: DSP

• Kết nối máy tính: USB (hoạt động không cần máy tính)
• Bàn làm việc: Bàn tổ ông/ Thanh cắt Aluminium ( tuỳ chọn)
• Hoạt động trên: Windows 2000/ Windows XP
• Cách giải nhiệt: Giải nhiệt bằng nước và có hệ thống bảo vệ ống phóng
SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 15


BT.CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

GV: TS.ĐINH MINH DIỆM

Hỗ trợ các file định dạng: (BMP, GIF, JPGE, PCX, TGA, TIFF, PLT, CDR, DMG,
DXF, PAT, CDT, CLK, DEX, CSL, CMX, AI, WPG, WMF, EMF, CGM, SVG,
SVGZ, PCT, FMV, GEM, CMX)
Sử dụng trực tiếp trên phần mềm: CorelDraw, Autocad Độ sâu vật liệu cắt:
020mm(tuỳ vào vật liệu)
Đóng kiện: gỗ
Phụ kiện tuỳ chọn: Bình giải nhiệt cao cấp/ Thấu kính hội tụ nhập từ USA/ Hai đầu khắc/
mô tơ servo/ đèn đỏ định vị
Trọng lượng:820kg Kích thước máy: 2700x1300x1100mm
KẾT LUẬN
Sau một thời gian tìm hiểu về đề tài phương pháp gia công bằng tia laser em cảm
•

thấy đây được coi là một trong những phương pháp gia công đặc biệt nó được ứng dụng
vào hầu hết trong tất cả các ngành hiện nay của đất nước nói riêng và của thế giới nói
chung.
Phương pháp gia công bằng tia laser có thể gia công bất kì các loại vật liệu nào

mặt khác nó còn được ứng dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ hóa học,
công nghệ vật liệu, công nghệ năng lượng và các lĩnh vực khác trong y tế, nghệ thuật,
kiến trúc…
Do kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên trong bài báo cáo này em chỉ tìm hiểu
những vật liệu cắt bằng laser như kim loại, gỗ, kính và tìm hiểu về một số nghệ thuật điêu
khắc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tailieu.vn , Laser.vn, Baigiang.violet, youtube.com
2. PGS.TS. Đinh Minh Diệm_ Các Phương Pháp Gia Công Đặc Biệt

SVTH: LÊ THANH TRÍ THỨC

Trang 16