Gia công laser là gì? Nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và các ứng dụng

Đăng bởi: Tinh Hà

Danh mục: Tin kỹ thuật

Gia công laser là gì?

Gia công laser là phương pháp gia công được thực hiện bằng chùm tia laser, trong đó năng lượng tập trung rất mạnh của tia laser sẽ làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu, cho phép thực hiện các ứng dụng cắt, hàn, xử lý bề mặt vật liệu… trong ngành công nghiệp cơ khí.

Một chùm tia laser có đường kính khoảng 0,01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây, tạo ra một nhiệt lượng cực lớn tác động lên bề mặt phôi, làm cho một phần vật liệu bị loại bỏ khỏi phôi do nóng chảy và hóa hơi. Về cơ bản, gia công tia laser sử dụng nhiệt lượng để loại bỏ vật liệu giúp tạo hình sản phẩm. Chúng có thể sử dụng được cho cả các vật liệu kim loại và phi kim.

Gia công laser được coi là một bước tiến lớn trong ngành gia công cơ khí, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, hiệu quả gia công và ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, điện tử, y tế… 

Nguyên lý hoạt động của gia công laser

Trước hết, một chùm tia laser năng lượng rất cao được tạo ra bởi các máy laser. Cách để tạo tia laser có thể được thực hiện như dưới đây.

Nguồn điện công nghiệp qua biến thế và nắn dòng sẽ được nạp vào hệ thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2kV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung đặt ở trong buồng phản xạ ánh sáng. Buồng này có dạng hình trụ với tiết diện cắt ngang là hình elip. Khi đèn phát xung phát sáng, toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồng ngọc. 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 phản xạ, những lượng tử này sẽ đi qua 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 phản xạ toàn phần (5) có độ phản xạ ánh sáng đạt 99%, còn gương phản xạ (6) là gần 50%. Do đó, một mặt phát sinh chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương phản xạ toàn phần (5) sẽ được tế bào quang điện thu lại và qua hệ 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 thấu kính hội tụ (7) và tác dụng lên chi tiết gia công được đặt trên bàn máy 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 sẽ trải qua các giai đoạn như sau:

• Chùm laser chạm vào bề mặt phôi, năng lượng của chùm tia laser được truyền qua bề mặt phôi và chuyển thành nhiệt năng. 

• Một phần vật liệu phôi nóng lên, nóng chảy. 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.

• Phần vật liệu nóng chảy hóa hơi và bị đẩy 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 laser.

• Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong. Quá trình lặp lại cho đến khi tạo hình sản phẩm theo mong muốn.

Ưu điểm của gia công tia laser

Gia công laser có những ưu điểm như sau:

• Có thể gia công tập trung vào một phạm vi đường kính rất nhỏ. Nó tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ, khoảng 100 MW trên một mm vuông diện tích.

• Có khả năng tạo ra một lỗ có độ chính xác rất cao.

• Máy gia công laser có khả năng cắt hoặc khắc hầu hết các loại vật liệu, trong khi gia công thông thường không phải vật liệu nào cũng cắt, khắc được.

• Không có tiếp xúc vật lý giữa thiết bị và phôi.

• Không dùng dụng cụ cắt , không có lực cắt.

• Cắt được những bề mặt phức tạp, ở vị trí khó tiếp cận.

• Đảm bảo độ chính xác gia công rất cao và chất lượng bề mặt hoàn thiện tốt hơn.

• Sự hao mòn trong gia công laser rất thấp và do đó nó giúp chi phí bảo trì thấp.

• Phù hợp nhất cho các vật liệu giòn với độ dẫn điện thấp.

Nhược điểm của gia công tia laser

Giống như bất kỳ phương pháp gia công nào cũng đều có hạn chế, dưới đây là những nhược điểm của gia công laser:

• Chi phí ban đầu cao, bao gồm những khoản đầu tư về máy móc, cũng như các phụ kiện đi kèm.

• Gia công laser đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo chuyên sâu để vận hành máy.

• Tỷ lệ sản xuất thấp vì nó không được thiết kế để sản xuất hàng loạt.

• Quá trình gia công đòi hỏi nhiều năng lượng. Không dễ để tạo các vết cắt sâu với những phôi có điểm nóng chảy cao và thường gây ra vết cắt hình nón.

Những ứng dụng của gia công laser

Gia công bằng tia laser được sử dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, đóng tàu, điện tử, thép và y tế để gia công chính xác các bộ phận phức tạp. 

Trong ngành công nghiệp nặng, nó được sử dụng để khoan, hàn điểm, cắt đứt vật liệu. Trong các ngành công nghiệp nhẹ, nó được sử dụng để khắc và khoan các kim loại. Trong ngành công nghiệp điện tử, nó được sử dụng để tạo mạch điện và tuốt dây (để nối hai đầu).