Ứng dụng tia laser vào quá trình sản xuất đã nhanh chóng trở nên phổ biến và không thể thiếu trong lĩnh vực gia công cơ khí. Bạn đã có những hiểu biết gì về laser ? Cấu tạo của tia laser như thế nào? Nguyên lý hoạt động của nó ra sao mà lại được áp dụng phổ biến đến vậy ? Hãy cùng Cơ Khí Alpha Tech tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây nhé.
Mục lục bài viết
Tia laser là gì?
Khái niệm
LASER là viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Đúng như ý nghĩa của tên gọi. Tia laser thực chất là “một nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của môi trường vật chất”.
Nhìn chung, laser là loại ánh sáng đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác. Ngày nay người ta đã chế tạo ra được khoảng 500 loại tia laser khác nhau. Chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất cơ khí, công nghệ quân sự, viễn thông, đo lường, y tế… Nhưng ở bài viết này mình xin phép chỉ nói về tia laser sử dụng trong lĩnh vực gia công cơ khí nhé.
Nguyên lý gia công của tia laser
Tia laser có cường độ lớn, sự gắn kết cùng tính đẳng hướng và đồng nhất cao. Trong gia công cơ khí, người ta tập trung các tia laser này thông qua một thấu kính hội tụ để cắt và khắc vật liệu. Tại bề mặt gia công, chùm tia laser khiến nhiệt độ tăng nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn. Làm cho vật liệu bắt đầu tan chảy, bay hơi, trút bỏ hoặc đạt đến điểm bắt lửa. Đồng thời, phôi được cắt ra bằng cách đẩy phần vật liệu bị nóng chảy ra khỏi vùng cần gia công và tạo thành vết cắt laser.
>>Xem thêm: Cắt laser là gì? Công nghệ cắt laser có ưu điểm gì?
Các loại laser
Theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính. Chúng ta có thể chia laser thành bốn loại chính là laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng. Mỗi loại laser có những ưu điểm riêng cũng như khả năng làm việc trên các loại vật liệu là khác nhau. Nhưng về cơ bản các laser này đều có tính kinh tế và tuổi thọ làm việc rất cao.
Lịch sử phát triển của công nghệ cắt laser kim loại
Giai đoạn từ năm 1916 – 1960
| Năm 1916 | Albert Einstein đặt nền móng cho công nghệ laser. Khi ông dự đoán về hiện tượng “phát xạ kích thích” (phát xạ cảm ứng). Đây là nền tảng cho hoạt động của tất cả tia laser. |
| Năm 1939 | Valentin Fabrikant đưa ra giả thuyết về việc sử dụng phát xạ kích thích để khuếch đại bức xạ. |
| Năm 1950 | Charles Townes, Nikolay Basov và Alexander Prokhorov phát triển lý thuyết lượng tử về phát xạ kích thích. Và chứng minh sự phát xạ kích thích của vi sóng. Sau đó, họ nhận được giải thưởng Nobel về vật lý cho công trình đột phá này. |
| Đến năm 1959 | Sinh viên tốt nghiệp Đại học Columbia Gordon Gould đề xuất rằng phát xạ kích thích có thể được sử dụng để khuếch đại ánh sáng. Ông mô tả một bộ cộng hưởng quang học có thể tạo ra một chùm hẹp của ánh sáng kết hợp (coherent light) và gọi đó là LASER. |
| Năm 1960 | Theodore Maiman xây dựng nguyên mẫu hoạt động đầu tiên của laser tại phòng thí nghiệm nghiên cứu Hughes ở Malibu, California. Tia laser này sử dụng ruby tổng hợp làm môi trường hoạt động và phát ra chùm ánh sáng đỏ thẫm với bước sóng 694,3nm. Ứng dụng đầu tiên cho laser ruby là trong quân sự và thương mại với mục đích đo lường và khoan lỗ trên kim cương vì công suất cực đại của nó. |
Giai đoạn từ năm 1963 – đến nay
| Năm 1963 | Tia laser CO2 được phát triển bởi Kumar Patel tại phòng thí nghiệm AT&T Bell. Laser CO2 có giá rẻ hơn rất nhiều và đạt hiệu quả cao hơn laser ruby. Những yếu tố này giúp tia laser CO2 trở thành tia laser công nghiệp phổ biến nhất trong hơn 50 năm. |
| Những năm 1970 – 1980 | Các nhà khoa học tiếp tục cải tiến tia laser CO2. Cùng với sự phát triển của các loại laser mới đã mở ra các ứng dụng “Gia công cắt bằng tia Laser” đầu tiên. Hệ thống laser hai trục lần đầu được phát triển vào năm 1975 bởi Laser-Work A.G. Chúng được ứng dụng để cắt titan trong ngành hàng không vũ trụ, các vật liệu phi kim loại như vải, da, nhựa…
Chiếc máy này không thể nào đốt cháy được kim loại. Vào thời điểm đó, laser CO2 quá yếu để có thể cắt được kim loại. |
| Từ năm 1980 trở đi | Công nghệ cắt laser bắt đầu có những bước nhảy vọt đáng kinh ngạc. Những thí nghiệm mới, với nhiều sự kết hợp, chế tạo khác nhau mà các nhà khoa học đã phát minh ra được nhiều loại máy cắt laser hơn. Có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn và cắt được nhiều loại vật liệu hơn. Không chỉ cắt được các vật liệu phi kim, chúng đã có thể cắt và gia công được kim loại dày lên đến 35mm với các chi tiết đường cong vô cùng phức tạp. |
Các hình thức cắt bằng tia laser
Có 4 hình thức cắt bằng tia laser, đó là:
- Cắt laser hóa hơi.
- Cắt laser nóng chảy.
- Cắt laser khí.
- Kiểm soát việc cắt và đánh dấu bằng tia laser hay còn gọi là khắc laser.
Cắt laser hóa hơi
Chùm tia laser với mật độ năng lượng cao được sử dụng để đốt nóng phôi. Nhiệt độ tăng nhanh làm vật liệu đạt đến điểm sôi trong một khoảng thời gian rất ngắn. Khi đó vật liệu bắt đầu bốc hơi để tạo thành hơi. Các hơi này được đẩy ra với tốc độ cực nhanh. Từ đó hình thành nên các vết rạch trên bề mặt vật liệu.
Laser hóa hơi chủ yếu được sử dụng để cắt kim loại cực mỏng và phi kim. Vì khi cắt hóa hơi, vật liệu bị đốt nóng sẽ ngay lập tức bốc hơi lên. Mép cắt sẽ không bị tạo sỉ, cong vênh hay biến dạng.
Cắt laser nóng chảy
Trong cắt laser nóng chảy, vật liệu nhanh chóng nóng chảy do bị đốt nóng bằng các tia laser. Ngay lập tức các khí không bị oxy hóa như Ar, He, hoặc N2… được phun ra bởi vòi phun cùng trục với chùm tia laser. Khiến cho kim loại lỏng bị đẩy ra bởi áp lực mạnh mẽ của khí, tạo thành một vết cắt.
Cắt nóng chảy bằng laser không đòi hỏi sự hóa hơi hoàn toàn của kim loại. Vì thế năng lượng cần thiết để cắt laser nóng chảy chỉ bằng 1/10 so với quá trình cắt hóa hơi.
Hình thức này chủ yếu được sử dụng để cắt các vật liệu không oxy hóa hoặc kim loại hoạt động. Chẳng hạn như thép không gỉ, titan, nhôm và hợp kim nhôm.
Cắt laser khí
Nguyên lý cắt laser khí tương tự như cắt nóng chảy. Nó sử dụng tia laser làm nguồn đốt nóng và sử dụng oxy cùng các loại khí hoạt động khác như N2 hoặc Khí nén làm khí cắt. Một mặt, khí được bơm vào từ bình xịt phản ứng oxy hóa với kim loại để giải phóng một lượng lớn oxy hóa. Mặt khác, oxit nóng chảy được đẩy ra khỏi khu vực phản ứng, tạo thành một vết cắt kim loại.
Vì phản ứng oxy hóa trong quá trình cắt tạo ra rất nhiều nhiệt. Nên năng lượng cần thiết cho quá trình này chỉ bằng 1/2 so với cắt nóng chảy. Tuy nhiên, tốc độ cắt của nó lớn hơn rất nhiều so với hai hình thức trên.
Hiện nay, cắt laser khí chủ yếu được sử dụng để cắt thép và các vật liệu kim loại dễ bị oxy hóa khác.
Khắc bằng laser
Khắc laser sử dụng tia laser với mật độ năng lượng cao để quét đánh dấu lên bề mặt vật liệu. Hoặc làm nóng vật liệu thành một rãnh nhỏ. Sau đó áp dụng một áp lực nhất định, vật liệu sẽ bị nứt một đường thẳng dọc theo khe.
Trong 4 hình thức cắt laser trên thì 3 hình thức đầu là phổ biến hơn cả. Chúng được dùng để cắt các kim loại đen. Cho tốc độ cắt nhanh và độ dày có thể đạt tới 30 mm hoặc cao hơn. Đối với các kim loại sáng màu hiệu ứng cắt của laser có kém hơn một chút. Và để cắt các kim loại này máy cắt laser phải có công suất rất cao và cần được trang bị gương phản xạ.
Xem thêm: Những câu hỏi về cắt Laser kim loại thường gặp
Các công nghệ cắt laser hiện nay
Phần cốt lõi của cắt laser là các máy phát laser. Hiện nay có 3 máy phát laser chính là laser CO2, laser fiber và disk laser.
Laser CO2
Nguyên lý hoạt động của máy cắt công nghệ laser CO2 là sử dụng điện áp phân cực có hiệu điện thế lớn để kích thích khí CO2 trong ống dẫn. Khi quá trình chuyển hóa nhận được nguồn năng lượng đủ lớn, chùm tia laser CO2 sẽ được tạo ra. Chúng có năng lượng và nhiệt độ rất cao, có thể dễ dàng cắt, khắc, nung chảy hoặc đốt cháy vật liệu.
Laser CO2 được coi là công nghệ cắt laser cổ điển. Chúng còn có một tên gọi khác là laser thể khí. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả với kim loại có độ dày trên 5mm. Với độ dày này thì máy cắt laser CO2 sẽ cho đường cắt thẳng, ngọt, tốc độ nhanh, và độ chính xác cao hơn hẳn các công nghệ khác.
Laser fiber
Về bản chất, cắt laser fiber ứng dụng công nghệ sợi quang fiber cùng hệ thống truyền động có tốc độ cao. Các sợi cáp quang trộn với các nguyên tố đất hiếm như: Erb, Yb, Nd, Dy, Pr, Tm và Ho. Khi có ánh sáng kích thích từ các diode. Các nguyên tố đất hiếm sẽ phát ra tia laser ngay trong sợi cáp quang được dẫn thẳng đến đầu cắt laser mà không cần qua các gương phản xạ như đối với laser CO2. Đây cũng là lý do vì sao laser fiber có thể cắt được các kim loại sáng màu mà công nghệ CO2 không thể cắt được.
So với Laser CO2, công nghệ Fiber laser ra đời sau và yếu thế hơn khi gia công các loại vật liệu dày. Tuy nhiên, so về tốc độ và bề mặt cắt các vật liệu mỏng thì công nghệ laser fiber hơn hẳn. Nếu so với máy CO2 laser có cùng công suất 4kW, máy fiber laser cắt nhanh gấp 3 lần khi cắt các vật liệu nhẹ, mạ kẽm hoặc inox có độ dày 1mm. Nhanh gấp 2 lần khi cắt vật liệu tương tự có độ dày trên 2mm.
Máy laser fiber còn có thể cắt nhôm, đồng, đồng thau và các hợp kim của đồng mà không gặp vấn đề gì. Chính vì thế không khó để nhận ra lý do vì sao laser fiber lại phát triển mạnh mẽ như vậy.
Disk laser
Khá mới mẻ ở Việt Nam, nhưng Disk Laser đã có nhiều năm được ứng dụng và phát triển ở thị trường nước ngoài như: Anh, Đức, Mỹ…
Giống như laser fiber, Disk laser cũng được phát triển lên từ laser thể rắn. Nhưng thay vì giảm đường kính và tăng chiều dài của thanh Nd:YAG để tạo ra laser fiber. Thì làm ngược lại, sẽ tạo ra được Disk Laser.
Ưu điểm của Disk Laser là công suất vượt trội và giải pháp chống tia phản xạ. Nghĩa là nếu cắt đồng và nhôm, hay một số kim loại sáng màu khác, lựa chọn tối ưu sẽ là máy cắt Disk Laser. Disk Laser cũng cắt được đa dạng vật liệu hơn. Một máy cắt sử dụng công nghệ Disk laser có thể vừa cắt kim loại vừa cắt được phi kim. Trong khi đó, để cắt kim loại và phi kim cần phải có hai máy laser fiber khác nhau. Nhưng máy cắt Laser Disk rất phức tạp, khó sử dụng và chi phí vận hành rất cao.
Kết luận
Cắt khắc bằng laser đã trở nên quá quen thuộc với chúng ta. Nhưng lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ cắt laser là cả một câu chuyện dài không phải ai cũng biết. Hy vọng qua bài viết này, các bạn đã hiểu thêm về tia laser là gì? Đồng thời có thêm những hiểu biết thú vị về tia laser này đã được ứng dụng như thế nào trong lĩnh vực gia công cơ khí. Nếu như có ý kiến đóng góp. Hãy để lại comment dưới đây nhé. Cơ khí Alpha Tech sẽ rất vui khi nhận được những phản hồi tích cực của bạn.
CÔNG TY TNHH CƠ KHÍ CHÍNH XÁC ALPHA TECH VIỆT NAM
- Địa chỉ: Lô 3 KCN Di Trạch, huyện Hoài Đức, TP. Hà Nội, Việt Nam
- Điện Thoại:0902 132 912 – 024 3200 8308
- Email:kinhdoanh@alpha-tech.vn/Lamnn@alpha-tech.vn
Tài liệu tham khảo: https://www.ulsinc.com/learn/history-of-lasers.
