Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo dành cho Giáo viên, sinh viên chuyên ngành cơ khí, chế tạp máy - Giáo trình công nghệ Laser.
Chơng sở Lý thuyết Cắt Laser 4.1 Sơ lợc trình cắt laser Y tởng sử dụng nguồn lợng ánh sáng để cắt kim loại xuất dùng tia sáng mặt trời để nhen lửa hay đốt giấy Từ nghiên cứu thiết bị laser nh bị hút sù hÊp dÉn cđa nã HiƯn c¾t b»ng laser đà trở thành thông dụng số nớc Ơ Nhật gần 80 % nguồn laser sử dụng cho cắt loại vật liệu công nghiệp Trong thực tế có nhiều phơng pháp cắt nh : cắt khí, cắt siêu âm, cắt hồ quang plasma, cắt tia nớc áp suất cao, Trong năm gần ngời ta đà bắt đầu sử dụng laser để cắt tất vật liệu với độ cứng 4.1.1 - Lịch sử phát triển giai đoạn phơng pháp cắt CC Cat Năm - Nớc - laser - Plasma - Oxy_axêtylen Hình 4.1 Lịch sử phát triển phơng pháp cắt [12], A - Những phát minh sở nguyên lý gia công; B - Phác thảo công nghệ; C - Khuynh hớng công nghệ máy công nghiệp; D - Quá trình ứng dụng phát triển công nghiệp; E - Giai đoạn tối u hoá trình ; F - Giai đoạn muồi cho tơng lai công nghiệp 4.1.2 Bảng so sánh đặc tính phơng pháp cắt phạm vi ứng dụng (xem bảng 4-1) 39 Bảng 4-1 Đặc tính Cắt phạm vi ứng dụng Cắt Plasma Cắt Oxy C2H2 tia laser Vật liệu cho Thép thép hợp kim , hợp Tất loại vật liệu Tất cảc loại vật trình cắt kim có từ tinbhs không dẫn điện liệu kim loại phi từ tính kim loại (KL, vải, platic, ) Chiều dày cắt 30 - 40 mm ( đạt 0,6 - mm (cho đên 000 mm ) ChiỊu dµy tèi −u - 300 mm 150 - 200mm) đạt 15 mm - 600 mm - 0,4 - 30 ThÐp th−ßng - mm cắt kim loại - 0,4 15,0 ( thép inóc 0,4 20,0 HK nhôm Chiều dày - mm cắt (kim loại) 100cm/ph S= 3mm 120 àm hệ số hấp thụ tăng lên Thép không gỉ : 1,2 - 1,5 lần Sắt kỹ thuật : 2,5 - 2,8 lần - Bề mặt có sơn phủ vật liệu hấp thụ đặc biệt hay bột kim loại hệ số hấp thụ tăng từ : 2,0 - 2,5 lần Mức độ phản xạ nguồn nhiệt laser từ bề mặt vật rắn gia công đợc xác định hệ số phản xạ Hệ số phản xạ phụ thuộc : + Loại vật liệu; + Chiều dài bớc sóng xạ laser; Bảng 4-3 Hệ số phản xạ số chất hoạt tính [6] (àkm) Au Cr Ag Ni Ar 0,488 0,415 0,437 0,952 0,579 Rubin 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676 YAR-Nd 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741 CO2 10,60 0,975 0,984 0,989 0,942 Vật liệu Giá trị nhiệt tới hạn số chất mà không xảy phá huỷ bề mặt : Bảng 4-4 [6] Vật liệu Ag Al Au Cr Cu Fe Mg Ferit 51 E* 6400 2400 3500 220 2600 300 970 40 KW/cm2 Q1 Q PX Q PXKK QTS H×nh 4-12 Qr Sơ đồ phân bố lợng gia công kim loại - Chùm tia laser; - Vật liệu kim loại; - Vùng bị chùm tia tác động tạo nên lỗ; - Kim loại nóng chảy; - Chùm tia PLASMA phản xạ gia công; Ql - lợng chùm tia LASER; Qpx - Năng lợng phản xạ; Qpxkk - Năng lợng phản xạ vào không khí; Qbt - Năng lợng mát kim loại bắn toé; Qts - Năng lợng truyền vào sâu kim loại; Qr - Năng lợng tiêu tốn bề mặt rÃnh sâu kim loại; Nếu mật độ nhiệt vợt giá trị tới hạn vật liệu xảy trình phá huỷ bề mặt 52 Khái niệm phá huỷ bề mặt khái niệm để hiểu có tính tơng đối Bởi tác dụng nguồn nhiệt lên kim loại gây trình vật lý, liên quan với trình khuyếch tán , hay kết hợp làm cho cấu trúc bị biến đổi Phá huỷ kim loại với di chuyển phần thể tích kim loại bốc Phá huỷ bề mặt kim loại vùng cắt để tạo nên vết lõm, lỗ pha kim loại nóng chảy bị chèn đảy dới áp lực kim loại hay tác dụng khác Đối với kim loại dòn , dới tác dụng tạo nên vết nứt (P 242 -G ) Mô hình trình hình thành vết lõm hay tạo lỗ thể nh− sau : Theo Lý thut ph¸ hủ nhiƯt C¸c nghiên cứu phá huỷ kim loại đợc đề cập khoảng mật độ nhiệt 106 - 109 W/cm2 Theo c¸c lý thut vỊ ph¸ hủ bỊ mặt kim loại di chuyển lớp kim loại bay bề mặt Vận tốc lớp bay h¬i [8] : qo V= ρ ( L B + 2,2 KT * ) m LB - NhiƯt ho¸ Ro - Hằng số phân tử khí R = 8,3145 J/oK (trang 25) Qo - MËt ®é nhiƯt chïm tia bøc x¹ K - H»ng sè Bosman K = 1,380658 10 -23 J/(mol.oK Lý thuyÕt khÝ ®éng häc bay [8] Theo lý thuyết trình phá huỷ vật liệu xảy nhờ hệ thống phơng trình khí động học mật độ dòng vợt giá trị tới hạn bốc ( Mật độ nguồn nhiệt phải lớn qo >= 106 w/cm2 Thuyết bay khối [8] 53 Sơ đồ phụ thuộc thời gian tồn mầm bọt khí kim loại lỏng mật độ nguồn nhiệt : , s (gi©y) -4 10 -5 10 -6 10 10 10 10 q, W/cm H×nh : 4-13 Sù phơ thc thêi gian mÇm bät khÝ kim loại lỏng [8] R(q) àm 100 50 6,0 6,5 7,0 lgq w/cm2 54 H×nh 4-14 Sù phụ thuộc bán kính mầm bọt khí mật ®é nhiƯt gia c«ng Cu) [8] - ∆T = oC - ∆T = 0,5 oC - T = 0,2 oC Tăng mật độ công suất nhiệt làm giảm thời gian xung làm giảm lớp kim loại lỏng đạt trạng thái bốc Trên đồ thị thấy mật độ nhiệt vào khoảng 108 w/cm2 thời gian vào khoảng 10-7 sec Tăng nhiệt độ nhiệt lớp kim loại lỏng làm tăng không phát triển mầm bọt khí làm bắn toé lớp chất lỏng cách mảnh liệt mà làm tăng xung ¸p lùc øng víi c¸c pik cđa c¸c xung xạ qo 106 w/cm2 Với 10-2 - 10-3 cm (δ - chiỊu dµy líp chÊt lỏng) Với bốc nhanh làm cho nhiệt độ bề mặt giảm xuống cách đột biến, dẫn đến áp lực phản lực giảm mạnh , tạo điều kiện cho vài vị trí có nhiệt độ cao xuyên sâu vào kim loại tạo nên bùng nổ kim loại nhiệt Lớp kim loại bị tống mÃnh liệt nhiệt độ đạt giá trị tới hạn Phá huỷ bề mặt hiểu : giá trị nguồn nhiệt để nhiệt độ bề mặt kim loại đà đạt đến giá trị Tonc hay Tobh sôi ( để bốc ) áp suất bình thờng Để đạt đợc nhiệt độ nóng chảy Tnc ta cố thể tính theo mô hình nung nóng vật bán vô với nguồn nhiệt có cờng độ không đổi Nguồn nhiệt cần để đạt đợc nhiệt độ nóng chảy Tnc theo [6] : (1) qc = 0,885.Tnc λ (a.τ i )1 / Thời gian để đạt đợc nhiệt độ nóng chảy Tnc : 55 m = Bảng 4-5 0,79.Tnc 2 q o a giá trị mật độ nhiƯt tíi h¹n cđa mét sè chÊt q (1 ) [8] λ a w/(cm.oc) 3,89 cm2/s 1,12 C 1083 ThÐp 0,51 0,15 1535 Ni 0,67 0,18 1453 Ti 0,15 0,06 1800 1,69 0,65 3380 Tên kim loại Đơn vị Cu Tnc o W 1,41 0,55 2600 Mo Cr 0,70 0,22 1830 Al 2,09 0,87 660 τi qc(1) s 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 w/cm2 1,1.104 3,5.107 3,5.103 1,8.105 6,5.103 2,0.105 3,0.104 1,0.105 2,0.104 6,2.105 1,3.103 4,4.105 7,7.103 2,7.105 4,2.103 1,3.105 Nguồn nhiệt cần để đạt đợc nhiệt độ sôi TB theo [8] lµ : ( 2) qc TB - Nhiệt độ sôi qc(2) = 0,885.T B (a. i )1 / τi - Thêi gian mét xung; - mật độ công suất nhiệt tới hạn để đạt nhiệt độ sôi ; Nguồn nhiệt cần để đạt đợc nhiệt độ bay TBH theo [6] : qc(3) = .L (a/i)1/2 56 Bảng 4-6 Mật độ nhiệt tới hạn q(3) [8], ρ.L KJ/cm3 42,88 a cm2/s 1,12 ThÐp 54,76 0,15 Ni 55,3 0,18 Ti 44,27 0,06 Tên kim loại Đơn vị Cu 95,43 0,65 W Mo 69,05 0,55 Cr 54,17 0,22 Al 28,09 0,87 τi S 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 10-3 10-8 qc(3) w/cm2 1,4.106 4,6.108 6,7.105 2,1.108 7,5.105 2,4.108 3,4.105 1,1.108 2,4.106 7,7.108 1,6.106 5,1.108 8,4.105 2,5.108 8,6.105 2,7.108 Mật độ nhiệt qc(3) cao L a cao thời gian xung nhỏ Đối với phần lớn kim loại thoả mản bất đẳng thức : qc(1) < qc(2) < qc(3) hay (qc(nc) < qc(s«i) < qc(bay hơi) Trong công nghiệp thiết bị laser để gia công cắt hay khoan khoét lỗ : chân kính đồng hồ, khuôn kéo từ kim cơng, hay kim loại cứng đòi hỏi độ xác gia công Đối với vật liệu phi kim loại : Với mật độ nhiệt q > qc(2) vật liệu nóng chảy bay Khi gia công, nhiệt độ bề mặt T* phải thoả mản : 57 T* > Tnc ; T* > Ts«i Khi gia c«ng phần kim loại lỏng bị đảy khỏi vệt nung nóng chảy dới áp lực vùng gia công Một phần lớn bám lại thành lỗ kết tinh thành dới đáy sau tác dụng xung Điều xảy mật độ nhiệt bị phân tán chùm tia sâu vào kim loại Kết làm giảm tốc độ bay 4.7.2 Sơ đồ trình hình thành lỗ gia công Khi có chùm tia tác dụng Sau chùm tia tác dụng a/ b/ a/ b/ c/ c/ d/ d/ d/ Kkhi chùm tiađang tác dụng 58 Sau thơi tác dụng chùm tia H×nh 4-15 a/ Khi qo < q Sơ đồ hình thành lỗ gia công [5], [8] Thì làm nóng chảy bề mặt kim loại Đây trình ảnh hởng lớn đến trình gia công lỗ hay cắt Khi qo >= q Bắt đầu trình bay Dới áp lực bề mặt kim loại lỏng bắt đầu võng xuống Mật độ nguồn nhiệt lớn vết lõm tăng , bay tăng mạnh, tạo nên áp lực lớn để chèn , ép kim loại khỏi vùng tác dụng thẳng hớng chùm tia Chuyển động lớp kim loại lỏng xảy cách từ từ b/ Kim loại lỏng liên kết với sức căng bề mặt Khi tăng mật độ dòng kim loại lỏng bắt đầu chảy rối phần giọt kim loại lỏng bị tách khỏi liên kết trên, chuyển động theo dọc thành lỗ kim loại kết tạo nên khoảng trống kim loại c/ Với mật độ khoảng 106 - 107 w/cm2 kim loại lỏng không đảy hết nên cuối bị kết tinh lại lớp bề mặt Thời gian xung `10-3 sec với chiều dầy kim loại gia công 0,3 mm d/ Khi mật độ nhiệt tăng cao q 5.107 w/cm2, tốc độ dòng kim loại lỏng chảy rối tăng lên mÃnh liệt hình thành tia kim loại lỏng bắn hình thành lỗ hình Kết nghiên cøu cho thÊy : S = 0,3 mm τ = 10-5 sec rf = 180 - 200 àm Bán kính tiêu điểm chùm tia d = 10-3 cm ( d - Đờng kính lỗ gia công) Nếu tính thời gian bốc theo thuyết lớp đẳng hớng dừng th× : S = 0,3 mm τo = h/vo δ - Chiều dày kim loại; vo - Tốc độ ph¸ hủ vËt liƯu; cm/sec 59 Vo = qo ρ L B vo = 102 h = 0,3 mm qo = 106 - 107 w/cm2.Th× : τo = 3.10-4 sec cm/sec Vì không tính đến điều kiện ảnh hởng thực nên phá huỷ kim loại thời gian thực tế so với tính toán Từ điều kiện cân giọt kim loại lỏng rÃnh để tạo nên lỗ ta có bán kính lỗ : 3p p 3σ + + R =4 ρg 16 pg ρg (cm) P - ¸p lùc phản lực kim loại gây ( KG/cm2) ; Với = 10 gam/ cm3; Sức căng bề mặt = 1.103 Din/cm2 (1Din = 10-5 Niutơn) Thì R = 10-3 cm 4.7.3 Sơ đồ hình thành mép cắt 60 Hình 4-16 Sơ đồ hình thành dịch chuyển mép cắt [13] 12345- Chùm tia laser Khí cắt Vật cắt Kim loại nóng chảy Xỷ cắt 4.8 Chế độ cắt số vật liệu Bảng 4-7 Số TT Chế độ cắt vật liệu phi kim loại laser - CO2 [6] Tên vật liệu Chiều dày cắt Công suất Vận tốc mm W mm/s Cao su 2.0 100 31.7 K¸c t«n 19.4 200 1.6 Nilon 0.76 200 101.6 Da 3.2 200 10.5 Th¹ch anh 32 500 12.3 Acbo-miăng 10 500 0.83 Sợi 0.45 500 666.6 V¶i thủ tinh 5.0 800 12.5 Pha nhe 6.4 850 90.1 10 Ke mic 65 850 10.0 11 Plek xi lác 10 900 58.3 12 Sợi thuû tinh 2500 16.6 61 13 Thuû tinh 32 5000 76.1 62 ... ThÐp 54, 76 0,15 Ni 55,3 0,18 Ti 44 ,27 0,06 Tên kim loại Đơn vị Cu 95 ,43 0,65 W Mo 69,05 0,55 Cr 54, 17 0,22 Al 28,09 0,87 τi S 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 ... Đơn vị Cu Tnc o W 1 ,41 0,55 2600 Mo Cr 0,70 0,22 1830 Al 2,09 0,87 660 τi qc(1) s 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 1 0-3 1 0-8 w/cm2 1,1.1 04 3,5.107 3,5.103 1,8.105... d - đờng kính chùm tia; 42 Hình 4. 4 Sơ đồ trình cắt laser CNC [13] P 72 - Nguån laser; - ThiÕt bÞ bắn chùm tia laser; - Nớc làm mát - May đo nhiệt lợng; - Gơng dẫn hớng; - ThÊu kÝnh héi tơ -