Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------

NGUYỄN THÀNH CÔNG

TÔI BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG LASER CO 2
CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHÍNH XÁC & QUANG HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN VĂN VINH

HÀ NỘI 2010


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................. ……..v
Danh mục các bảng .................................................................................................. ……..v
Danh mục các hình vẽ và đồ thị .............................................................................……..vi
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1....................................................................................................................... 01
TỔNG QUAN VỀ LASER ............................................................................................ 01
1.1 Lịch sử phát triển nguồn sáng laser và ứng dụng trong tôi kim loại .........……..01
1.2 Cơ sở vật lý laser .........................................................................................................02
1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát laser…………………………….04
1.3.1 Hoạt chất ..............................................................................................................05
1.3.2 Buồng cộng hưởng ..............................................................................................05
1.3.3 Bộ phận kích thích ..............................................................................................05

1.3.4 Các loại nguồn phát laser ...................................................................................06
1.4 Các thông số cơ bản của chùm laser .........................................................................13
1.5 Các loại laser dùng trong công nghiệp .....................................................................14
1.5.1 Máy phát laser rắn...............................................................................................15
1.5.2 Máy phát laser khí...............................................................................................15
1.6 Ứng dụng laser trong công nghiệp ............................................................................16
1.6.1 Ứng dụng laser để cắt vật liệu ...........................................................................18
1.6.1.1 Giới thiệu chung ..........................................................................................18
1.6.1.2 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser ............................19
1.6.2 Ứng dụng laser để hàn vật liệu .........................................................................19
1.6.2.1 Giới thiệu chung ..........................................................................................19
1.6.2.2 Cơ chế hàn laser .........................................................................................21
1.6.3 Các ứng dụng khác .............................................................................................24
1.6.4 Ứng dụng laser để nhiệt luyện và xử lý bề mặt ............................................ .25
1.6.4.1 Giới thiệu chung .........................................................................................25
1.6.4.2 Các thông số công nghệ chủ yếu ..............................................................25

i


CHƯƠNG 2....................................................................................................................... 28
NHIỆT LUYỆN BẰNG TIA LASER ......................................................................... 28
2.1 Các phương pháp nhiệt luyện bề mặt bằng laser ....................................................28
2.1.1 Nhiệt luyện bằng tia laser...................................................................................28
2.1.2 Phân loại ..............................................................................................................28
2.1.3 Các phương pháp ................................................................................................29
2.1.4 Phân tích các phương pháp nhiệt luyện bằng laser. ........................................31
2.2. Tôi bề mặt bằng tia laser ...........................................................................................33
2.2.1 Các tham số chính ảnh hưởng chất lượng tôi bằng laser ..............................34
2.2.2. Một số vấn đề của Tôi bề mặt bằng laser........................................................35

2.3. Cơ chế nhiệt luyện bằng tia laser .............................................................................37
2.3.1 Sự tương tác giữa laser và kim loại ..................................................................37
2.3.2. Mô hình dòng nhiệt khi nhiệt luyện bằng laser ..............................................39
2.3.2.1. Cơ sở lý thuyết ...........................................................................................39
2.3.2.2. Mô hình nhiệt nhiệt luyện bề mặt bằng laser .........................................41
2.4. Lí thuyết chuyển đổi tổ chức của thép nhiệt luyện. ............................................43
2.4.1 Sự hình thành austenit ........................................................................................43
2.4.2 Các chuyển biến khi làm nguội .........................................................................45
2.4.3 Sự hình thành mactenit .......................................................................................47
2.5. Tôi tự ram bằng tia laser ...........................................................................................50
CHƯƠNG 3....................................................................................................................... 51
THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN BẰNG LASER CO2 ĐIỀU KHIỂN CNC .............. 51
3.1. Các linh kiện cấu thành máy laser CO2. .................................................................51
3.1.1. Đặc điểm của nguồn laser. ................................................................................51
3.1.2. Buồng cộng hưởng.............................................................................................52
3.1.3. Bộ phận kích thích và hoạt chất. ......................................................................54
3.1.4. Hệ thống làm mát. ..............................................................................................55
3.1.5. Máy laser CO2 CNC ..........................................................................................56
3.1.5.1 Nguyên lí thiết kế cấu hình máy cơ sở: ....................................................56

ii


3.1.5.2 Hệ thống máy laser .....................................................................................58
3.2. Máy laser LC1000CNC công suất 1000w ..............................................................61
3.2.1. Hệ thống laser FEHA ........................................................................................61
3.2.2. Cấu hình ..............................................................................................................62
3.2.3. Máy cơ sở............................................................................................................64
3.3. Hình ảnh máy laser CO2 ...........................................................................................65
3.4. Hệ truyền dẫn tia laser và đầu nhiệt luyện ..............................................................67

3.5 Hệ điều khiển CNC .....................................................................................................67
3.5.1 Các nút điều khiển mở rộng...............................................................................68
3.5.2 Phần điều khiển các đèn báo tín hiệu ...............................................................68
3.5.3 Các công tắc phụ .................................................................................................69
3.5.4 Lệnh lập trình công nghệ cho nguồn phát laser ..............................................69
3.5.5 Các thông điệp báo lỗi khi vận hành máy ........................................................69
3.6 Điều khiển công suất ..................................................................................................71
CHƯƠNG 4....................................................................................................................... 73
THỰC NGHIỆM NHIỆT LUYỆN BẰNG TIA LASER ........................................ 73
4.1 Giới hạn của luận văn .................................................................................................73
4.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm. .....................................................................................74
4.2.1 Hệ thống LC1000- CO2 -CNC ...........................................................................74
4.2.2 Hệ thống gá chi tiết nhiệt luyện ........................................................................77
4.2.2.1 Nhiệt luyện chi tiết phẳng ..........................................................................77
4.2.2.2 Phần mềm nhiệt luyện ................................................................................78
4.2.2.3Thiết bị đo nhiệt độ ......................................................................................79
4.2.2.4 Hệ thống đo kiểm mẫu ...............................................................................80
4.2.2.5 Hình dạng hình học mẫu ............................................................................80
4.2.2.6 Vật liệu gia công .........................................................................................80
4.3 Thiết kế thí nghiệm .....................................................................................................81
4.3.1 Nội dung thí nghiệm ...........................................................................................81
4.3.1.1 Tuyển chọn tham số thí nghiệm ................................................................81

iii


4.3.1.2 Kế hoạch thí nghiệm ...................................................................................82
4.3.1.3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm .................................................................83
4.3.1.4 Thí nghiệm giai đoạn 1: .............................................................................84
4.3.1.5 Thí nghiệm giai đoạn 2 ...............................................................................84

CHƯƠNG 5....................................................................................................................... 87
PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM .............................................................. 87
5.1 Phân tích và đánh giá chung ......................................................................................87
5.2 Công nghệ của nhiệt luyện bằng laser ......................................................................88
5.2.1 Ảnh hưởng các tham số công nghệ lên chất lượng nhiệt luyện ....................88
5.2.2 Khả năng ngăn thất thoát carbon.......................................................................91
5.2.3 Ảnh hưởng sự quét bề mặt nhiệt luyện ...........................................................93
5.3 Kết luận phần thực nghiệm ........................................................................................94
5.4 Quy trình nhiệt luyện bằng laser ...............................................................................95
KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP ................................. 97
Kết luận ...............................................................................................................................97
Phương hướng nghiên cứu tiếp: .......................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................99
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 101

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
c

Vận tốc ánh sáng



Bước sóng (m)

v

Tần số của bức xạ điện tử (Hz)

h

Hằng số Planck

D

Đường kính chùm khi chưa hội tụ

f

Tiêu cực của thấu kính.

DOF

Chiều sâu hội tụ

dmin

Đường kính hội tụ

I0

Cường độ tia tới



Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào môi trường

q

Điện tích đơn vị

k

Hệ số dẫn nhiệt

T

Nhiệt độ

x

Phương truyền

Heatvào

Nhiệt trước khi truyền qua phần tử.

Heatra

Nhiệt sau khi truyền qua phần tử.

Heatnhiệt tích

Nhiệt được giữ lại trong phần tử.

Heatnhiệt sinh ra

Nhiệt phát sinh ra trong phần tử.

T0

Nhiệt độ ban đầu
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Một số loại laser thường dùng trong công nghiệ p
Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật của LC1000C02-CNC
Bảng 4.2 :Đặc tính vật liệu thí nghiệm nhiệt luyệ n

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser
Hình 1.2. Dải bước sóng của các loại laser thường gặp
Hình 1.3 Sơ đồ mức năng lượng của laser Ruby
Hình 1.4 Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong tinh thể Nd:YAG
Hình 1.5: Sơ đồ mức năng lượng laser CO2
Hình 1.6: Sơ đồ mức năng lượng laser – He
Hình 1.7. Profile của chùm laser hội tụ
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý máy phát laser rắn (Ruby laser)
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser CO2
Hình 1.10: Phân loại tổng quát các ứng dụng của laser
Hình 1.11. Phân loại ứng dụng của laser theo sự chuyển biến pha
Hình 1.12: Sơ đồ hình thành dòng chảy lỏng trong vũng hàn
Hình 1.13: Tiện kim loại có hỗ trợ bằng tia laser
Hình 2.1 : Đồ thị năng lượng laser theo chiều sâu vật chất
Hình 2.2: Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt bằng laser
Hình 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng- thời gian tương tác của laser với kim loại

Hình 2.4: Một số chi tiết được nhiệt luyện bằng laser
Hình 2.5: Thể hiện va chạm của tia X với bề mặt vật chất E-biên độ, -tần số , zkhoảng dịch chuyển theo hướng va chạm
Hình 2.7: Tuần tự hấp thụ nhiệt khi công suất hấp thụ thay đổi
Hình 2.8: Biểu đồchuyển biến mác thép khi nhiệt luyện
Hinh 2.10:Biểu đồ chuyển biến khi nhệt luyện bằng laser
Hình 3.1: Nguyên lí hệ thống laser
Hình 3.2: Kiểu hệ thống Laser CO2
Hình 3.3 : Quá trình kích thích thích phân tử hoạt chất
Hình 3.4: Cấu hình một số máy bằng tia laser Hình 3.5: Hình ảnh cắt laser
Hình 3.6: Bàn cắt của máy laser
Hình 3.7 : Kết cấu đầu laser CO2

vi


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi. Các kết
quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất
kỳ công trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Người thực hiện

Nguyễn Thành Công


LỜI NÓI ĐẦU
Laser là một phát minh vĩ đại nhất của con người trong thế kỷ XX. Kỹ thuật laser
đã có những bước phát triển vượt bậc, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ
thuật và công nghệ. Từ những ứng dụng đơn giản trong đồ dùng gia dụng hàng ngày
đến các ứng dụng hữu ích trong công nghệ y sinh, các ứng dụng quan trọng trong công

nghiệp truyền thông, khoa học quân sự, khoa học vật liệu… Hiện nay, trên thế giới các
phương pháp gia công không truyền thống ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt
là các phương pháp gia công bằng tia, trong đó tia laser được tập trung nghiên cứu phát
triển và đã phát huy được hiệu quả ứng dụng to lớn trong các ngành công nghiệp. Lợi
dụng khả năng sinh nhiệt của laser khi tương tác với vật liệu, người ta đã sử dụng lase r
để nhiệt luyện bề mặt. Khả năng tích hợp nguồn laser trên máy cơ sở CNC bổ sung cho
phương pháp công nghệ lợi thế gia công tự động. Ưu điểm quan trọng nhất của nhiệt
luyện bằng laser là khả năng tăng cứng các bề mặt tuyển chọn chịu mài mòn. Ngoài ra,
nhiệt luyện bằng laser được cho là có các lợi thế:
Chi tiết bị biến dạng tối thiểu
Tăng độ cứng, độ mài mòn và giảm tính dòn của chi tiết .
Khả năng nhiệt luyện chi tiết mỏng và siêu mỏng
Khả năng điều khiển quá trình nhiệt luyện
Không bắt buộc công đoạn làm nguội riêng biệt
Không cần xử lí sau nhiệt luyện.
Nắm bắt và tiến tới làm chủ công nghệ nhiệt luyện bằng laser CO2 là một nhiệm
vụ không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn là đưa laser đến gần
với thực tế sản xuất công nghiệp.
Nhiệm vụ của luận văn đặt ra:
-

Tìm hiểu laser và các ứng dụng của laser trong công nghiệp

-

Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện bằng laser


-

Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến quá trình nhiệt luyện trên thép dụng cụ để chế tạo các chi tiết khuôn.

Vì lĩnh vực của đề tài còn nhiều mới mẻ và phức tạp, kiến thức hiểu biết của bản
thân còn nhiều hạn chế nên bản luận văn này còn có những hạn chế. Tôi mong được
các Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp góp ý, bổ xung để bản Luận văn được hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Vinh, Thầy đã dẫn dắt và định hướng,
truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong học tập cũng như nghiên cứu, giúp tôi
hoàn thành luận văn này. Tôi cũng chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn
Cơ khí chính xác và Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã truyền đạt kiến
thức cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Và tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện
máy và Dụng cụ Công nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm đào tạo và các bạn đồng nghiệp tạo
điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Hà nội, ngày

tháng

năm 2010

Tác giả

Nguyễn Thành Công


Hình 3.8: Sơ đồ lắp giương trong buồng cộng hưởng
Hình 3.9: Sơ điều khiển của hệ laser
Hình 3.10: Sơ đồ cấu hình máy cơ sở
Hình 3.12: Minh hoạ một số cụm của máy cơ sở
Hình 3.13: Minh họa điều khiển CNC

Hình 3.14: Đầu ra Puls
Hình 3.15: chế độ inchv /dechv
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm
Hình 4.2: Đầu phun nhiệt luyện laser
Hình 4.3: Chi tiết chọn thí nghiệm
Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán Quét bề mặt
Hình 4.5: Kinh hiển vi Axiovert
Hình 5.1: Tiết diện ngang vết nhiệt luyện với CO2
Hình 5.2: Vết nhiệt luyện
Hình 5.3: Diễn biến độ cứng dọc vết tôi theo ảnh hưởng của công suất
Hình 5.4: Quan hệ độ cứng và độ thấm tôi-công suất laser
Hình 5.5: Quan hệ tốc độ- độ cứng theochiều sâu thấm tôi- ảnh hưởng của tốc độ
Hình 5.6: Tế vi SKD11 (200X)nhiệt luyện
Hình 5.7: Tế vi SKD11 luồng Ni 2 bar (200X)
H ình 5.8: Độ cứng -chiều sâu thấm tôi của miền nhiệt luyện quét tia l aser
Hình 5.9 : Biên của vùng chèn nhiệt

vii


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LASER
1.1 Lịch sử phát triển nguồn sáng laser và ứng dụng trong tôi kim loại
Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission
of Radiation (Sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích của bức xạ). Lase r là
ánh sáng có các tính chất đặc biệt, là sóng điện từ ở vùng nhìn thấy được. Lịch sử
loài người phải mất một quãng thời gian dài để thấy rõ ánh sáng có tính chất sóng hạt. Năm 1704, Newton mô tả ánh sáng là một dòng của các hạt. Thực nghiệm giao
thoa của Young năm 1803 và sự khám phá tích phân cực của ánh sáng chứng minh
rằng ánh sáng có tính chất sóng. Sau đó, lý thuyết điện từ của Maxwell đã diễn tả

ánh sáng là sự dao động nhanh của trường điện từ bởi các hạt dao động tạo ra.
Nền tảng ban đầu của lý thuyết Laser được Einstein đưa ra, khi Ông cho rằng
ngoài bức xạ tự phát, còn tồn tại một dạng bức xạ khác là bức xạ cưỡng bức. Sau
đó, vào năm 1928, Kopfermann và Heidenburg giới thiệu thực nghiệm đầu tiên
chứng minh cho sự tiên đoán của Einstein. Năm 1960, Maiman lần đầu tiên công bố
Laser Ruby. Tiếp theo là sự phát triển của rất nhiều nghiên cứu cơ bản về Laser từ
năm 1962 - 1968. Hầu như tất cả các loại Laser quan trọng gồm Laser bán dẫn,
Laser Nd: YAG (Neodymium doped - Yttrium Aluminium Garnet), Laser khí CO2,
Laser màu và các loại Laser khí khác được phát minh trong giai đoạn này. Sau năm
1968, các loại Laser hiện có được thiết kế và sản xuất với độ tin cậy và tuổi thọ lớn
nhất. Vào giữa những năm 1970, có thêm nhiều loại Laser tin cậy được chế tạo đ ể
ứng dụng vào thực tiễn sản xuất như cắt, hàn, khoan và khắc dấu. Trong suốt những
năm 1980 và đầu năm 1990, Laser được khám phá các ứng dụng liên quan đến bề
mặt như: xử lý nhiệt, tôi, khắc dấu...
Trước 1970, rất khó tìm thấy những tài liệu tham khảo côn g bố về nhiệt luyện
bằng tia laser. Ở Mỹ các nhà nghiên cứu thép đã sử dụng laser ruby để nhiệt luyện
cứng thép (Speich et al. 1966, Speich và Fischer 1965, Speich và Szimae 1969). Họ
là những người đầu tiên ở Hoa Kỳ sử dụng tôi cứng bằng laser trong nghiên cứu
luyện kim có điều khiển. Các nghiên cứu này chú ý đến việc sử dụng các lớp phủ

1


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
không phản xạ và phân tích đặc tính của dòng nhiệt. Một số miêu tả về nhiệt luyện
bằng tia laser được tìm thấy trong tài liệu tham khảo của Nga (Veiko et la. 1969;
Mirkin và Philipetskii 1968; Barchukov và Mirkin 1969, Mirkin 70,73; Moisa 1974;
Annenkov et la. 1974 ). Tuy nhiên nhiệt luyện bằng laser được ứng dụng trong thực
tế sản xuất thực sự chỉ bắt đầu vào khoảng những năm 73 tại Hãng General Motor,
với những công việc chế tạo gắn với nhiệt luyện bằng tia laser tại Trung tâm nghiên

cứu/thiết kế chế tạo phần dẫn động ô tô tại thành phố Saginaw (Saginaw Steering
Gear Devision). Cùng với việc ứng dụng là các công trình nghiên cứu khoa học phát
triển phương pháp, cải thiện thiết bị. Trong 5 năm sau, những công việc này đã
được phát triển rất mạnh mẽ các Hãng sản xuất công nghiệp lớn và các nhà sản xuất
laser. Một số Hãng lớn đã sẵn sàng theo đuổi các ứng dụng laser trong công nhiệp,
kể cả những ứng dụng ngoài nhiệt luyện. Những nghiên cứu về nguồn laser nhiều
kilowatt của Hãng Ford Motor với các phòng thí nghiệm công nghệ của Mỹ
(Baardsen et la.1973 Yesiki và Schmatz 1975) để hàn các chi tiết lớn của máy móc
tự động tạo điều kiện phát triển nhiệt luyện bằng laser nhanh hơn. Sự hợp tác giữa
các Hãng sản xuất lớn với các nhà sản xuất laser đã giúp cho phát triển ứng dụng
nhiệt luyện bằng laser và phổ biến phương pháp từ ý tưởng đến kỹ thuật nhanh
hơn .
1.2 Cơ sở vật lý Laser
Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission
of Radiation. Về bản chất, Laser là chùm bức xạ điện từ đơn sắc, hội thụ tập trung
có bước sóng trong phạm vi từ cực tím đến hồng ngoại. Laser có thể thực hiện trong
dải công suất từ rất thấp (~mW) đến rất csao (1-100kW), mật độ công suất có thể
đạt tới 10 12 W/cm2, với kích cỡ vết gia công chính xác và thời gian xung/ tương tác
rất ngắn (đến 10 -13 - 10 -15 giây) trên các loại chất nền qua nhiều loại môi trường.
Laser được phân biệt với các dạng bức xạ điện từ khác ở các đặc điểm chính là tính
liên kết chặt chẽ (kết hợp), quang phổ thuần nhất (đơn sắc) và khả năng lan truyền
theo đường thẳng (tính định hướng cao).

2


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
Cơ sở lý thuyết của Laser chính là tiền đề của Einstein, phát triển vào năm 1917
để dẫn ra công thức phát xạ của Planck. Theo Enstein, khi có tương tác giữa ánh
sáng với các nguyên tử vật chất sẽ xảy ra các hiện tượng: nguyên tử hấp thụ một

lượng tử ánh sáng và xảy ra hai loại bức xạ khác nhau là bức xạ tự phát và bức xạ
cưỡng bức của một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh sáng khác
trong nguyên tử đã được kích thích. Chẳng hạn, xét với một nguyên tử với tâm hạt
nhân được bao quanh bởi các điện tử. Các điện tử này quay xung quanh hạt nhân ở
một số giới hạn các quỹ đạo có thể. Mỗi một điện tử có thể thay đỗi quỹ đạo của nó,
kết quả của sự thay đổi mức năng lượng là phát xạ ánh sáng (photon) khi điện tử đó
di chuyển về phía hạt nhân và hấp thụ ánh sáng (photon) khi điện tử di chuyển về
phía ngoài, ra xa hạt nhân. Cùng với mỗi sự dịch chuyển là một giá trị xác định của
năng lượng và bước sóng.
Theo thuyết nguyên tử, các hạt (nguyên tử, các ion và các phân tử) chỉ có thể
tồn tại ở những trạng thái năng lượng gián đoạn. Trong điều kiện thường, các
nguyên tử nhận trạng thái ổn định với mức năng lượng thấp hay tồ n tại ở trạng thái
cơ bản. Ở trạng thái đó, chúng có thể hấp thụ bức xạ của một điện trường nếu các
lượng tử năng lượng hv của điện từ trường này vừa đúng bằng hiệu số năng lượng
giữa hai trạng thái nguyên tử. Ta có thể viết:
E  E2  E1  hv 

hc



 mc 2

Quá trình hấp thụ này có thể biểu diễn như sau:
A*  hv  A**

Với

A* là nguyên tử ở trạng thái có mức năng lượng thấp
A** là nguyên tử ở trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn

Ở đây, c là vận tốc ánh sáng (c = 3.10 8 m/s trong môi trường tự do),  là bước
sóng (m), v là tần số của bức xạ điện tử (Hz) và h là hằng số Planck (h= 6.6/10 34Js).
Nguyên tử không tồn tại lâu ở trạng thái kích thích với mức năng lượng E 2, mà dịch
chuyển trở về mức E1 ban đầu. Trong quá trình trở về này, nguyên tử sẽ bức xạ ra

3


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
một lượng tử năng lượng (photon) chính bằng E = hv. Bức xạ đó gọi là bức xạ tự
phát. Tức là:
A**  A*  hv

Photom có thể va chạm với một nguyên tử đã kích thích và dẫn đến sự thay đổi
mức năng lượng của nguyên tử này. Theo Einstein, nguyên tử đó có thể hấp thụ
photon để dịch chuyển lên một mức năng lượng cao hơn hoặc sẽ dịch chuyển xuống
mức năng lượng thấp hơn. Với khả năng thứ hai, nguyên tử sẽ phát xạ ra một
photon thứ cấp.
Có thể mô tả quá trình đó như sau
A** + hv1  A* +hv1 + hv2
Với

hv1 là photon va chạm
hv2 là photon bức xạ kích thích

hv2 có giá trị đúng bằng hiệu năng lượng của trạng thái đầu và trạng thái cuối
của dịch chuyển.
Quá trình này được gọi là sự bức xạ kích thích.
Với một hệ môi chất gồm hạt bị bức xạ cưỡng chế bởi một nguồn kích thích,

nhờ có hệ gương quang học tạo ra sự phản xạ hay chuyển động qua lại của các hạt
trong môi chất, sự bức xạ kích thích của các hạt sẽ xảy ra liên tục và mãnh liệt. Khi
số hạt ở trạng thái kích thích nhiều hơn số hạt ở trạng thái cơ bản (hay nồng độ của
mức trên lớn hơn nồng độ của mức dưới - đạt được phân bố đảo) hệ sẽ phát ra một
bức xạ kích thích mạnh - bức xạ đó gọi là Laser.
1.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát laser
Một máy phát Laser có thể được mô tả đơn giản như hình 1.1.
NGUỒN BỨC XẠ KÍCH THÍCH

HOẠT CHẤT

LASER

BUỒNG CỘNG HƯỞNG

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser

4


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
1.3.1 Hoạt chất
Là các môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Tương
ứng với mỗi loại vật chất mà ta có các loại Laser với bước sóng khác nhau. Có thể
phân loại hoạt chất ra thành các nhóm sau:
- Hoạt chất là chất khí
+ Các khí đơn nguyên tử
+ Các ion khí đơn nguyên tử
+ Các khí phân tử như CO2, N2
+ Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như He - Ne, hay các hỗn hợp khí phân tử

như CO2 - N2 - He, CO - N2...
- Hoạt chất là chất rắn: Ruby, Nd - YAG
- Hoạt chất là chất lỏng
1.3.2 Buồng cộng hƣởng
Vai trò của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể
chuyển động qua lại nhiều lần, nhờ đó bức xạ được khuếch đại lên gấp bội.
Cấu tạo của buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ, một gương có hệ số phản
xạ rất cáo (đến 99,99%) và một gương có hệ số phản xạ thấp hơn, nhờ đó tia laser
có thể thoát ra ngoài qua gương này.
Có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu trúc
của các gương phản xạ: buồng cộng hưởng phẳng với 2 gương phản xạ phẳng:
Buồng cộng hưởng Farby - Perot với các gương phẳng tròn đặt song song; Buồng
cộng hưởng cầu đồng tiêu với các gương cầu cùng bán kính và chung tiêu điểm.
1.3.3 Bộ phận kích thích
Bộ phận kích thích hay còn gọi là bơm có chức năng cung cấp năng lượng cho
hoạt chất để tạo ra sự nghịch đảo độ tín luỹ trong hai mức năng lượng nào đó của
hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tuỳ theo mỗi loại laser, có nhiều loại
kích thích khác nhau, cụ thể:
- Kích thích bằng ánh sáng (còn gọi bơm quang học)

5


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
- Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong
điện trường, năng lượng được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình
va chạm.
1.3.4 Các loại nguồn phát Laser
Hiện tại có rất nhiều loại laser khác nhau, được thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2. Dải bước sóng của các loại laser thường gặp
Bảng 1.1. Một số loại laser thường dùng trong công nghiệp
Loại laser
Excimer
(KrF)

Bước sóng
(m)
0.249

Ruby

0.697

He-Ne

0.63

Nd-YAG

1.064

Ứng dụng
Các ứng dụng y học/
gia công vật liệu/ nhuộm màu
Đo lường, các ứng dụng trong y học, gia công các
vật liệu vô cơ
Chỉ thị điểm sáng, đo lường chiều dài/vận tốc, thiết
bị căn chỉnh song song
Gia công vật liệu/ kỹ thuật phân tích

6


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
Nd-Glass

1.06

Đo chiều dài và vận tốc

Diode

1.06

Gia công vật liệu - cắt, hàn

CO2

10.6

Gia công vật liệu - cắt, hàn

Laser rắn
Laser rắn là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn, gồm một chất nền và
các tâm hoạt chất được đưa vào dưới dạng tạp chất. Chất nền có thể là đơn tinh thể
hoặc vô định hình. Thông dụng nhất là các tinh thể oxid có cấu trúc trật tự, ví dụ
tinh thể Al2O3 với tạp chất là ion Cr 3+ ; hoặc Y3 Al5 O12 và YalO3 với tạp chất là ion
Nd3+ ; hoặc tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất là ion Dy2+ (dyplozi)
Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn rất lớn, thường trong khoảng từ 10 17 - 1020/cm3,

lớn hơn khoảng 100- 1000 lần so với chất khí. Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch
đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí, vì vậy cùng một sông suất thì laser
rắn có thanh hoạt chất nhỏ hơn.
Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn so với chất khí, tiêu hao do tán xạ
lớn, do vậy hệ số phẩm chất của laser rắn nhỏ, góc mở của tia laser do nhiễu xạ là
lớn (vài chục phút, trong khi góc mở của laser khí chỉ vài chục giây).
Trong laser rắn, các hạt sẽ tương tác với nhau do vậy các mức năng lượng
thường có độ rông lớn, vạch bức xạ tự phát và bức xạ laser thường có dải phổ rộng.
Với chất vô định hình, độ rộng vạch bức xạ tự phát khoảng vài chục A0, của chất
đơn tinh thể khoảng vài A0, với laser khí chỉ vài phần mười A0 .
Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, thường dùng bơm quang học bằng
cách chiếu sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu
cho mức laser trên nhờ đó tạo ra nghịch đảo nồng độ. Hiệu quả của bơm quang học
phụ thuộc vài hai yếu tố:
- Bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng thời
không bị chất nền hấp thụ.
- Hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt chất
saukhi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển về mức laser trên.

7


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
Laser Ruby
Laser Ruby là laser đầu tiên được chế tạo bởi Maiman vào năm 1960. Laser
Ruby được sử dụng rộng rãi do độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt. Thành phần của
Ruby là các tinh thể oxid nhôm Al 2 O3 (chất nền) được cấy các ion Cr 3+ (tâm hoạt
chất). Thông thường hoạt chất laser Ruby là tinh thể ruby màu hồng nhạt chứa
0,05% Cr (1,6.10 19 ion/cm3).

Phổ bức xạ của Laser ruby từ 0,691 đến 0,697 m.
Hình1.3.

a. Sơ đồ mức năng lượng laser Ruby
b. Phổ hấp thụ của tinh thể Ruby
c. Phổ bức xạ của ion Crom trong tinh thể ruby

8


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
Laser Nd-YAG

Hình 1.4.

a. Sơ đồ mức năng lượng của ion Nd trong tinh thể Nd:YAG
b. Ba nhóm phổ hấp thụ của ion Nd
c. Phổ bức xạ của ion Nd

Laser rắn Nd-YAG được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hoạt chất là tinh thể
Y3 Al5 O12 (Yttrium Aluminium Garnet) có pha các tạp chất là ion Nd 3+ là tâm hoạt
chất.
Laser Nd-YAG có ngưỡng kích thích khá thấp, độ dẫn nhiệt cao, cho phép phát
xạ ở chế độ xung tần số cao và chế độ phát liên tục. Hiệu suất của Laser Nd-YAG
khá cao, cỡ vài phần trăm.
Bước sóng của laser Nd - YAG khoảng 1.064 m
Laser lỏng
Laser lỏng là những loại Laser sử dụng hoạt chất là chất lỏng
So với Laser rắn là Laser khí, Laser lỏng có các ưu điểm sau:
- Không phải gia công hoạt chất chính xác như đối với Laser rắn

9


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
- Có thể dễ dàng tạo được công suất lớn theo ý muốn bằng cách tăng nồng độ
tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất.
- Dễ làm lạnh hoạt chất
Tuy nhiên, do Laser lỏng có hệ số dẫn nhiệt khá lớn nên hoạt chất bị nóng
nhanh, vì vậy không ổn định về tần số và công suất phát.
Laser lỏng gồm có các loại chính sau:
- Laser chelate hữu cơ - đất hiếm
- Laser vô cơ oxy chloride - Neodym - Selen
- Laser mầu (Dye laser), là loại Laser hiện nay đang sử dụng rộng rãi
Các loại Laser trên đều được kích thích bằng bơm quang học dạng đèn xung
quanh hoặc bằng Laser rắn dưới dạng xung.
Với Laser màu, hiệu suất có thể đạt tới ~ 25%, công suất ở chế độ xung có thể
lên đến hàng chục Mega Watts (MW), ở chế độ liên tục khoảng 10 W.
Laser khí
Laser khí là những loại Laser sử dụng hoạt chất và chất khí. Chất khí có thể bao
gồm những chất khí tồn tại ở nhiệt độ thường và cả hơi vật chất tạo thành do sự
nung nóng, ví dụ hơi kim loại. Áp suất làm việc của môi trường khí thường nhỏ, vài
mmHg.
Laser khí có thể được chia thành 3 loại:
- Laser khí nguyên tử với tâm hoạt chất là nguyên tử, ví dụ như Laser He-Ne.
- Laser khí ion, với tâm hoạt chất là ion, ví dụ như Laser Ar
- Laser khí phân tử, với tâm hoạt chất là phân tử, ví dụ như Laser CO2 , Laser
N2...
Các loại Laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục, gần như liên tục, hoặc
xung tuỳ theo chế độ phóng điện chất khí sử dụng, như: phóng điện hồ quang (arc

discharge), thường dùng cho Laser ion: phóng điện phát sáng (glow dischage),
thường dùng cho Laser phân tử và nguyên tử.
Nghịch đảo nồng độ trong Laser khí được hình thành ở những trạng thái kích
thích của nguyên tử hoặc phân tử, được thực hiện bằng phóng điện chất khí trong

10


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
ống Laser. Dưới tác dụng của dòng điện qua chất khí, các điện tử và ion tự do được
hình thành. Các điện tích này được gia tốc trong điện trường và có động năng lớn.
Ở đây, chuyển động của ion thường không đóng vai trò quan trọng, vì chỉ các điện
tử tự do mới dẫn đến kích thích nguyên tử khi va chạm. Với phóng điện khí áp thấp,
động năng trùnh bình của điện tử lớn hơn nhiều của nguyên tử và ion, các điện tử
đạt được phân bố cân bằng về vân tốc sau một khoảng thời gian rất ngắn. Đặc điểm
của Laser khí là độ hạt của chất khí nhỏ, nên nồng độ hạt kích thích nhỏ vì vậy
tương tác của các hạt trong môi trường chất khí rất yếu, bởi vậy sẽ có những vạch
bức xạ và thấp thụ hẹp. Ưu điểm của Laser khí là có độ đồng nhất quang học rất
cao, bởi vậy góc mở cửa Laser khí rất nhỏ (Vài chục giây)
Sự khích thích nguyên tử khí trong phóng điện được thực hiện nhờ hai quá trình cơ
bản là:
- Va chạm loại 1 giữa điện tử - nguyên tử đối với chất khí một thành phần.
- Va chạm loại 2 hay còn gọi là truyền năng lượng công hưởng đối với hỗn
hợp khí nhiều thành phần.
Sự hồi phục của các nguyên tử từ trạng thái kích kích về trạng thái năng lượng
thấp hhơn và trạng thái cơ bản thông qua 4 quá trình khác nhau:
- Va chạm giữa nguyên tử kích thích và điện tử trong đó nguyên tử truyền
năng lượng của mình cho điện tử (va chạm loại 2).
- Va chạm nguyên tử - nguyên tử trong hỗn hợp khí nhiều thành phần.
- Va chạm giữa nguyên tử với thành ống phóng điện.

- Bức xạ tự phát
Laser CO2
Laser CO2 là loại laser phân tử rất thông dụng, công suất chùm bức xạ có thể từ
vài W đến 25kW thậm chí đến 100kW. Bởi vậy laser CO2 được sử dụng rộng rãi để
gia công, hàn và xử lý bề mặt.
Môi trường hoạt chất của laser CO 2 thường là hỗn hợp khí CO2 + N2 hoặc CO2
+ N2 + He (với tỷ lệ tương ứng: 0,8: 1:7), có thể thêm vào một số khí khác như Xe,
H2O, H2 v.v...

11


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
N2 có vai trò chính là truyền năng lượng cộng hưởng cho phân tử CO 2 mức laser
trên, tạo nên nghịch đảo độ tích lũy cho laser CO 2 . Ngoài ra, N2 còn có tác dụng
làm rỗng mức laser dưới, vì thế nghịch đảo nồng độ luôn ở mức cao.
Do có độ dẫn nhiệt cao (cao hơn khoảng 6 lần so với CO2 và N2) nên He có vai
trò dẫn nhiệt, làm giảm nhiệt độ khí phóng điện vì thế cho phép hỗn hợp khí làm
việc được với dòng phóng điện cao hơn. Ngoài ra, He còn tham gia vào quá trình
hồi phục mức laser dưới.
Bước sóng của laser CO2 là 9,6 và 10,6 m, tuy nhiên xác suất dịch chuyển 10,6 m
lớn hơn rất nhiều lần so với dịch chuyển 9,6 m.

Hình 1.5: Sơ đồ mức năng lượng laser CO2

12


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
Laser He- Ne

Hình 1.6: Sơ đồ mức năng lượng laser - He
Là loại laser khí được sử dụng rất rộng rãi, được sản xuất với quy mô công
nghiệp. Laser He-Ne có thể phát xạ ở 3 bước sóng khác nhau: 1.15, 3.39, 0.63 m.
Bước sóng hay sử dụng là 0.63 m. Sơ đồ mức năng lượng của laser He - Ne như
hình vẽ 1.6.
1.4 Các thông số cơ bản của chùm laser
Theo tiêu chuẩn ISO/DIS 11146, là tiêu chuẩn đầu tiên quy định về các đặc
trưng của chum laser, các thông số cơ bản để mô tả chùm laser là:
- Công suất laser và năng lượng xung
- Profile của chùm laser khi chưa hội tụ
- Profile của chùm laser hội tụ.
+ Đường kính hội tụ.
Với chùm hình trụ và laser đơn mode: dmin = 2.44f/D

(1.1)

Khi kể đến thông số chất lượng chùm tia M 2 = 1/K (sự phân kỳ của chùm):
dmin = 4M2f/D

(1.2)

13


Tôi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
 - bước sóng, D - đường kính chùm khi chưa hội tụ, f- tiêu cực của thấu
kính.
+ Chiều sâu hội tụ : là khoảng cách mà trong phạm vi đó chùm laser hộ tụ có
cùng cường độ, được định nghĩa là khoảng cách mà tại đó đường kính điểm hội tụ

thay đổi từ -5% đến +5%. Phương trình biểu diễn chiều sâu hội tụ (Depth of Focus DOF) là:
DOF = 0.08(d2min /M2)
- Sự phân cực và thông số chất lượng chùm tia K = 1/M 2

Hình 1.7. Profile của chùm laser hội tụ
Như vậy, đường kính hội tụ và chiều sâu hội tụ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích
thước tiết diện ngang và sai số hình dáng theo chiều dọc trục của vết gia công. Cụ
thể trong khoan laser, dmin và DOF sẽ ảnh hưởng đến đường kính lỗ và độ trụ của lỗ.
1.5 Các loại Laser dùng trong công nghiệp
Cấu tạo của máy laser công nghiệp để gia công vật liệu gồm các bộ phận chính sau:
- Đầu phát laser
- Bộ phận cung cấp và điều khiển nguồn năng lượng
- Bộ phận gá đặt và dịch chuyển chi tiết gia công.

14