Ứng dụng Laser trong kỹ thuật

1
ứng dụng laser

Ngay từ khi ra đời laser đã hứa hẹn nhiều ứng dụng trong kỹ thuật: Đo, cắt, khoan,
hàn, vạch dấu, Hơn 20 năm nay lĩnh vực áp dụng laser đã phát triển không ngừng.
1982: Giáo s Ohshiro (Nhật Bản) là ngời đầu tiên đã công bố việc sử dụng laser để
xử lý khối u trong Y tế. Phát minh này kéo theo việc hoàn thiện thiết bị, mở rộng
phạm vi áp dụng mà không qua bớc thử nghiệm trên động vật nh thờng làm trong
Y tế.
1986: Phát hiện qua thực nghiệm ở nhiều mẫu sinh thiết cho thấy rằng xử lý laser
không làm hoại tử các mô tế bào tại vùng xử lý do đó có thể dùng laser cho nhiều
mục đích khác nhau trong Y tế kể cả để nhổ lông vĩnh viễn
1994: Lần đầu tiên laser đợc sử dụng trong công nghiệp do đó việc hoàn thiện thiết
bị trở nên cấp thiết
1997: Laser đợc đa chính thức vào giáo dục ở bậc đại học.
1998: Thiết bị đo chiều rộng của xung laser đơn giản, dễ đo, giá rẻ: 10
-12
đến 10
-7
s
2000: Dụng cụ dạy học laser xuất hiện lần đầu tiên
2002: Thiết bị đo công nghiệp ra đời ở quy mô thơng mại quốc tế qua hợp tác Mỹ-
Hàn quốc (2002)
Thiết bị laser & đặc tính kỹ thuật
Sử dụng trực tiếp laser để cắt, khoan lỗ, hàn, kẻ dấu cho mọi loại vật liệu, thiết bị
gồm các loại sau:
Thiết bị dùng laser Nd: YAG dùng để cắt,
khoan có công suất từ 50W đến 400W
Thiết bị dùng laser Nd: YAG để hàn, thiết bị

có công suất từ 250W đến 400W cố định
hoặc di động
Thiết bị dùng laser CO
2
dùng để cắt và
khoan có công suất từ 150W đến 1 kW
Thiết bị kẻ dấu, tạo mác dùng laser Nd:
YAG
Thiết bị khoan + cắt dùng laser Nd:YAG
Các hệ thống thiết bị dùng laser trực tiếp
đều đợc trang bị bàn điều khiển CNC 2
hoặc 3 chiều nhận trực tiếp bản vễ từ
Autocad hoặc Solidworks
Các số liệu kỹ thuật:
Hệ thống đo đạc độ chính xác 0,1àm
Chiều rộng dao nhỏ nhất 20àm
Lỗ nhỏ nhất có thể khoan là 25àm
Các công nghệ phụ có thể áp dụng:
Nhiệt luyện, vê tròn góc, đánh bóng điện, khử bavia,
Sử dụng trực tiếp laser có u điểm:
Thiết bị đơn giản, công suất đảm bảo, vận hành an toàn, dễ kiểm tra





2
Cắt bằng tia laser
Chi phí cho dụng cụ cắt gần nh bằng không, có thể cắt lại khi cần, cắt nhanh. Hiện
nay tuy cắt bằng tia laser vẫn còn trong giai đoạn R&D nhng phát triển rất nhanh.

Chất lợng vết cắt rất cao ổn định thích hợp cho sản xuất hàng loạt và đơn chiếc.









Sử dụng thiết bị cắt laser trực tiếp có tốc độ cắt cao, chính xác dùng cho các loại
vật liệu dạng ống, tấm thanh bằng:
thép cacbon, thép không gỉ, Ni, Al, latông, Ti, Au, Cu
Thuỷ tinh, Al
2
O
3
, saphia
Nhựa urêtan, sợi thuỷ tinh, ABS, PS, teflon, caosu silicon, PC,
Vật liệu ceramic cắt bằng laser CO
2








ống thép không gỉ cắt bằng laser Nd:YAG

Vết cắt thép không gỉ bằng laser Nd:YAG










3
Nhựa PC cắt bằng laser CO
2



Thuỷ tinh silicat cắt bằng laser CO
2
Hợp kim Ti cắt bằng laser CO
2

Tấm latông cắt bằng laser Nd:YAG Thuỷ tinh silicat vi cắt bằng laser














Ưu điểm nổi bật của cắt bằng tia laser là thời gian chờ cắt bằng không, chi phí dụng
cụ bằng không, vật liệu đợc sử dụng tối u, cắt nhanh, linh động đặc biệt là vật liệu
dạng tấm và tấm hình.

Chiều dày tấm cắt có thể tới 20mm đối với thép cacbon trung binh và 12 mm đối với thép
không gỉ vết cắt chất lợng cao, song song không gợn với độ chính xác 0,2mm. Linh động
đối với các sản phẩm cắt hình phức tạp. Sản phẩm cắt có thể lấy đợc cả 2 nửa, vết cắt hẹp,
dùng máy tính còn linh động và tiết kiệm vật liệu hơn nữa. Khí bảo vệ cho phép chánh oxy
hoá kim loại




4







nguyên lý cắt bằng tia laser
Nhờ thấu kính hội tụ mật độ năng lợng tia laser tại vùng cắt cao, vật liệu bị nóng chảy, bay
hơi một phần, dòng khí nén N
2
hoặc O
2
thổi trực tiếp với áp lực cao vào vùng nóng chảy đẩy
kim loại bắn ra ngoài. Vết cắt càng hẹp khi điểm cắt càng gần tiêu cự .

Dùng khí thổi oxy
Dùng khí thối O
2
(hình a với laser 1,8kW) có oxy kích thích tốc độ cắt tăng, do tăng
nhiệt hoá học
Dùng khí thổi nitơ
Dùng khí thối N
2
ngăn ngừa oxy hoá kim loại, thích hợp cho cắt thép không gỉ (hình
b với laser 1,8kW)
Hàn
Hàn bằng tia laser nhanh nên nhiệt ít truyền ra xung quanh do đó ít ảnh hởng xấu
tới vùng xung quanh, vết hàn đều, đẹp lì, độ sâu đều. Có thể hàn trong khí bảo vệ
hoặc trong hộp khí trơ.
Để nâng cao chất lợng mối hàn cần chọn vật liệu hàn thích hợp, công nghệ hàn tốt:
Dễ hàn tốt đối với vật liệu cùng loại: Thép không gỉ 304SS lên 304SS (hay 304L)
Ti lên Ti, thép cacbon lên thép cacbon (%C<0,2),
Hàn đợc các vật liệu khác loại hoặc tính hàn kém: HK nhôm 4047 lên HK nhôm 6061, W
lên W, thép không gỉ 304SS lên W, thép không gỉ 316SS lên thép không gỉ 316SS (hoặc
316L)

Hàn nắp HK nhôm 4047 lên hộp HK nhôm 6061


Laser và
khí thổi O
2
Hớn
g
cắt
a) b)


5

Khoan laser
Sơ đồ máy khoa laser CNC: TC5000R bàn rộng 3000x1500

Kỹ thuật khoan mới nhất đều dựa trên thiết bị CNC, nhờ điều khiển theo chơng trình
khoan laser chính xác, đờng kính lỗ khoan khác nhau, phân bố bất kỳ.













Tạo lỗ lới xàng bằng tia laser
Cũng nh cắt khoan laser hầu nh không có chi phí dụng cụ, có thể sửa chữa thay đổi
đờng kính (to lên) rễ ràng, nhanh. Đờng kính lỗ có thể rất nhỏ 25 đến 150 àm. Các thiết bị
khoa hiện nay thờng làm việc với CNC 2 hoặc 3 trục thẳng hoặc quay làm vciệc với laser
CO
2
công suất từ 150W đến 1kW, hoặc laser Nd:YAG
cho các loại vật liệu sau:
thép cacbon, thép không gỉ, hợp kim Al, Cu và latông,
Ni, Ti,
ceramic (AlN, thuỷ tinh, Al
2
O
3

), polyme (acrilic,
polyimide, PC, )
Chú ý phải thiết kế lỗ côn L/D nằm trong giới hạn cho
phép vì chùm tia laser hội tụ xiên. Theo định luật
thumb : độ côn nhỏ nhất là 2,5% chiều dày (xem hình
bên)




2,5%
D
L


6
Vạch dấu bằng tia laser
Ngoài việc dùng laser để cắt, hàn, khoan ngời ta còn dùng laser để vạch dấu: ghi mác, tên
sản phẩm, công ty, chỉ tiêu kỹ thuật lên các vật liệu: polyme, kim loại, ceramic dùng laser
Nd:YAG - 45W (xem hình (a) lên thuỷ tinh silicat, lên hợp kim Al anôt hoá màu vàng (b) lên
hợp kim Al anôt hoá màu đen (c) và lên thép dụng cụ (d)




(a) (b) (c) (d)