Bài giảng Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser

cách mạng kỹ thuật trong gia cơng kim loại. Hiện tại thì cĩ thể sử dụng thành cơng trong việc gia cơng siêu tinh, trong cơng nghệ hàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia cơng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đĩ tia laser được dùng làm nĩng chảy và bốc hơi vật liệu. Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung. Năng lượng xung của nĩ khơng lớn, nhưng nĩ được hội tụ trong một chùm tia cĩ đường kính khoảng 0.01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia cơng, nung nĩng, làm chảy và bốc hơi vật liệu. Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng. I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nĩ là loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phịng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phịng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phịng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phịng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hĩa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,Điều này cho thấy nhiều loại cĩ thể tạo ra laser. Để sử dụng gia cơng vật liệu, laser phải cĩ đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia cơng vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia cơng kim loại thường dùng laser rắn vì cơng suất chùm tia tương đối lớn và cĩ kết cấu thuận tiện. II.NGUYÊN LÝ GIA CƠNG BẰNG CHÙM TIA LASER: Máy gia cơng bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay phương pháp này thực sự có giá trị trong gia cơng cơ khí. Từ laser là viết tắt các chữ đầu của các từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – Sự khuyết đại ánh sáng bằng bức xạ của chất phóng xạ. Loại vật liệu có thể gia cơng được làm từ tia laser khơng phụ thuợc vào đợ dài sóng. Năng lượng của chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó bay hơi đi. Máy gia cơng bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình Gia cơng bằng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bớc hơi vật liệu. Nguyên lý hoạt dợng của chùm tia laser được trình bày trên hình 5.1 2 5 4 1 3 Tia laser Hình 5.1. Sơ đờ nguyên lý hoạt đợng của chùm tia laser 1. Mơi trường hoạt tính. 2.Nguờn ánh sáng kích thich. 3. Buờng cợng hưởng quang học. 4. Gương phản xạ toàn phần (đợ phản xạ ánh sáng 100%) 5. Gương phản xạ bán phần trong suớt (đợ phản xạ ánh sáng 50%). Trên hình 5.1 có thể thấy mợt khơng gian quang học 3. Trong khơng gian này ở hai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là mơi trường hoạt tính 1 (hay thanh laser), những nguyên tử trong mơi trường này bị kích thích bởi đèn sớ 2 ở trạng thái ởn định, những proton được phóng ra và hướng vào trục quang họccủa thanh laser. Các proton này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nới kết nhau về pha cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyển đợng dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ năng lượng để rời khỏi thanh laserqua kính sớ 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá trình nhân proton. Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hình thành mợt chùm tia nới tiếp nhau. Chùm tia này sẽ đi qua mợt thấu kính hợi tụ để tập trung năng lượng tại mợt điểm, nếu đặt vật cần gia cơng tại tiêu điểm này thì nhiệt đợ cục bợ tại đó có thể lên đến 80000C trong 1ms. Sau đây là nguyên lý gia cơng của mợt loại máy điển hình: - Hình 5.2 chỉ ra nguyên lý gia cơng tia lazer trên máy K-3M: Hình 5.2 Nguyên lý gia cơng chùm tia laser. 2)Buờng phản xạ ánh sáng 3) Đèn phát xung 4) Thanh hờng ngọc 5) Gương phản xạ toàn phần 6) Gương phản xạ 50% 7) Thấu kính hợi tụ 8) Chi tiết gia cơng 9) Bàn gá 10) Tế bào quang điện -Nguờn điện cơng nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thớng tụ. Điện áp tới đa của tụ là 2KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở trong bợ phận phản xạ ánh sáng 2. Bợ phận này có dạng hình trụ với tiết diện mặt trụ ngang là elíp. Khi đèn 3 phát sáng , toàn bợ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hờng ngọc 4. Những ion Cr+3 của thanh hờng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuớng chúng sẽ phát ra những lượng tử. Nhờ hệ dao đợng của các gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hờng ngọc và kích các ion Cr+3 khác để rời cùng phóng ra chùm tia lượng tử. Gương 5 có dợ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương 6 gần 50%. Nhờ đó, mợt mặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại và qua hệ thớng chuyển đởi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy. Chùm tia nhận được qua gương 6sẽ được tập trung bởi hệ quang học 7 và tác dụng lên chi tiết gia cơng 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả năng di chuyển tọa đợ theo 3 phương X, Y, Z. -Khi tập trung tia laser vào vị trí gia cơng cần chọn hệ thớng quang học và chế đợ gia cơng như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của chùm tia, tiêu cự của hệ thớng quang học và sớ xung laser. - Quá trỉnh tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia cơng được chia ra các giai đoạn sau: + Vật liệu gia cơng hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng. + Đớt nóng vật liệu gia cơng tới nhiệt đợ có thể phá hỏng vật liệu đó. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đới bị giới hạn về mợt phía theo phương tác dụng của chùm tia kể từ bề mặt tác dụng + Phá hỏng vật liệu gia cơng và đẩy chúng ra khỏi vùng gia cơng. Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luơn luơn thay đởi theo phương tác dụng của chùm tia laser. + Vật liệu gia cơng nguợi dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong Hình 5.3. Cắt bằng tia laser III.THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ: III.1.Các loại Laser: Cĩ nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thơng thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên mơi trương hoạt tính của chúng. Cĩ thể chia laser thành ba loại chính như sau: laser rắn, laser lỏng và laser khí. *Laser rắn: Cĩ thể nĩi rằng phần quan trọng nhất của laser là laser với trái tim hồng ngọc. Ra đời sau laser hồng ngọc là hàng loạt các laser hợp chất. Nhờ việc chế tạo thủy tinh hợp chất một cách dễ dàng và khá rẻ tiền, nên loại laser này ngày càng chiếm một vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau. Laser thủy tinh hợp chất nêodim có công suất bức xạ lớn và tần số lặp lại cao. Công suất trung bình của chùm ánh sáng có thể đạt đến hàng trăm KW trong một tương lai không xa. Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5 ¸ 7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, Trong các loại laser rắn, người ta chú ý nhiều nhất đến laser bán dẫn. Môi trường hoạt tính của chúng là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali ). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5¸7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được. Ngoài ra, laser bán dẫn còn có đặc điểm là dễ điều khiển, có thể biến đổi công suất bức xạ theo một quy luật cho trước một cách dễ dàng. Khi dòng điện đi qua một môi trường hoạt tính bán dẫn bị biến thiên, thì công suất ra cũng sẽ biến thiên đúng như vậy. Đặc tính này làm cho laser bán dẫn có một tầm quan trọng đặc biệt, nhất là trong lĩnh vực truyền thông tin và vô tuyến truyền hình. *Laser khí: Cho đến năm 1961, laser khí mới ra đời nhưng không được chú ý nhiều, vì về công suất bức xạ ánh sáng và hiệu suất làm việc nó còn kém xa loại laser ra đời trước đó (laser hồng ngọc). Tuy nhiên, laser khí đã có nhiều hứa hẹn tốt đẹp về tính đơn sắc và khả năng định hướng cao. Năm 1964, laser khí CO2 xuất hiện, với một công suất rất cao. Trong những năm gần đây, laser khí CO2 (và hỗn hợp của nó) đã đạt được công suất bức xạ tới hàng chục KW, trong chế độ làm việc liên tục, với hiệu suất 20% Loại laser CO2 khí động học có công suất bức xạ đến 100 KW. Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước *Laser lỏng: Một trong những phương hướng mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Các nguyên tử êropi bị kích thích và bức xạ ánh sáng với bước sóng 0,61 mm (màu đỏ). Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun. Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đóù khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser . Các loại laser như đã nói ở trên đều cần nguồn cung cấp điện để tạo ra môi trường hoạt tính. Nguồn điện năng được sử dụng có thể dưới dạng dòng điện cao tầng để ion hóa hỗn hợp khí trong laser khí, hoặc dòng điện một chiều chạy qua lớp tiếp xúc P-N trong laser bán dẫn, hoặc dưới dạng ánh sáng đèn chiếu sáng như trong các laser rắn Các phương pháp kích thích môi trường hoạt tính này đều có hiệu suất khá cao và cho công suất bức xạ của laser lớn. Tuy nhiên, trong thực tế không phải nơi nào cũng có nguồn điện năng. Như vậy, sự ra đời của laser khí động học và laser hóa học là một giải pháp thực tế nhất. *Laser Gama: Trong những năm gần đây, ngành điện tử lượng tử đã phát triển rất mạnh. Sự phát triển của nó gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, quang học, vật lý, hóa học và nhiều lĩnh vực khoa học khác. Sự tương quan hữu cơ này đã thúc đẩy sự phát triển, không những của chính bản thân kỹ thuật laser, mà còn những ngành có liên quan. Có thể nói rằng, sự ra đời của laser Gamma là sự kết hợp hài hòa giữa yêu cầu cần có một nguồn ánh sáng điện từ đơn sắc, có công suất lớn với bước sóng < 107 cm và sự phát minh ra hiệu ứng Mesbauer. Với bước sóng này, laser Gamma cho phép nghiên cứu đặc điểm cầu trúc của thế giới vi mô, và mở ra nhiều triển vọng mới trong ngành sinh học, hóa học vật lý và kỹ thuật Năm 1972 – 1973, nhà bác học Xô Viết lỗi lạc, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô đã đặt nền móng cho một phương hướng nghiên cứu laser mới – laser Gamma. Cơ sở vật lý của laser Gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá trình bức xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia Gamma với độ phẩm chất rất lớn. Trong laser Gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân sẽ bức xạ tia Gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng lượng cao xuống các mức năng lượng thấp hơn. Hiện tượng bức xạ tia Gamma này gọi là hiện tượng phân rã Gamma. Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các notron, proton hay tia Gamma. Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác (laser khí, laser rắn ). Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài Amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser. Sự ra đời và phát triển rất mạnh của kỹ thuật laser đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật và nghiên cứu khoa học. III.2.Cấu tạo máy laser: Những nguyên tử, cũng tương tự như phân tử, cũng có cấu trúc năng lượng, các mức đó mang tính chất lượng tử, khoảng cách các mức cũng cố định với từng loại phân tử. Nhờ đó mà các phân tử đều có thể bức xạ điện tử nếu chúng bị kích thích. Muốn cho các nguyên tử phát ra ánh sáng (sóng điện từ nói chung) chúng phải được kích thích, tức là electron phải được đẩy lên mức năng lượng cao hơn. Có thể dùng: đốt nóng, dùng ánh sáng mạnh chiếu vào, dòng điện đi qua. Khi nhận năng lượng này electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng sống tạm một thời gian ở mức năng lượng mới và sẽ trở về mức năng lượng cũ và phát ra ánh sáng. Do đặc điểm bức xạ tự phát nên trong một thời điểm electron chuyển mức năng lượng bức xạ ra proton khác tạo nên một quá trình vô cùng nhanh. Khi các electron chuyển mức năng lượng thì quá trình bức xạ sẽ dừng lại, do đó chúng ta phải có nguồn kích thích năng lượng từ bên ngoài để tiếp tục đẩy các electron lên mức cao hơn. Nguồn sáng Nguồn sáng Bàn Hệ thống làm mát Nguồn điện Băng bảo vệ Tia laser Đồ gá Kim loại bay hơi Chi tiết Độ dài tiêu cự Gương phản xạ bán phần Gương phản xạ toàn phần Thấu kính Tóm lại tia laser truyền đi đơn sắc, song song với độ phân kỳ lớn, độ sáng cao, tiêu biểu cho sự khuyếch đại ánh sáng bởi sự bức xạ được kích hoạt. Máy laser là một bộ phận tạo ra bức xạ ánh sáng với các mức năng lượng lớn và có thể điều khiển được. Khi chiếu vào một vật liệu mức năng lượng này đủ lớn để gây ra hiệu ứng cục bộ. Sức nóng của tia laser được điều khiển để ra kết quả mong muốn ở vùng cụ thể và đảm bảo biến dạng là nhỏ. Dưới đây là nguyên lý máy laser: Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý máy laser. *Máy laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau: III.2.1.Môi trường hoạt tính: Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là chất lỏng, chất rắn, khí. Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là: + Chất khí: N2, H2, CO2 + Chất rắn: Tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh ) + Chất lỏng: các dung dịch sơn, chất hữu cơ, vô cơ. Môi trường hoạt tính của chất khí thường được sử dụng trong laser có công suất lớn, phương pháp kích thích đơn giản. Đối với laser rắn dạng tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật, dạng tâm Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài. * Môi trường hoạt tính khí: Loại laser khí được sử dụng tương đối phổ biến vì việc kích thích phóng điện và điều khiển tương đối dễ dàng. Ta có thể chia làm 3 loại laser khí: nguyên tử trung hòa, loại ion hóa, loại phân tử. Phần cơ bản của máy laser là ống kính làm bằng thủy tinh hay sứ chứa môi trường khí, hai đáy của ống hình trụ làm bằng muối đá hay axê magali cho ánh sáng đi qua với bước sóng 0,16 mm để làm giảm sự mất mát do sự phản xạ trở lại từ bề mặt các cửa sổ. Các cửa sổ này nếu đặt nghiêng với trục của ống 1 góc Bruster thì không bị phản xạ lại. Để kích thích sự phóng điện bằng dòng điện một chiều hay xoay chiều tần số thấp, đưa hai cực vào ống và nối chúng với nguồn điện áp. Với dòng điện xoay chiều tần số cao, chỉ cần kích thích sự phóng điện bằng cách đưa điện áp đến hai vành kim loại áp vào thành ngoài ống. Để tạo sự phản hồi dương ở hai đầu ống khí, đặt hai gương quang học tạo thành hệ cộng hưởng mở mang tên Phabripero. Hai gương này phải song song và vuông góc trục ống. Nhờ hệ thống như gương này Proton sinh ra do bức xạ sẽ di chuyển qua môi trường hoạt tính nhiều lần. Một trong hai gương sẽ là gương trong suốt. Máy phát Tia laser Cửa sổ Oáng chứa khí Gương phản xạ Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý laser khí. *Môi trường hoạt tính rắn: Muốn laser trạng thái rắn phù hợp tốt nhất là dùng loại ống thủy tinh Neon đen làm ống dẫn chùm laser. Các đầu cuối của ống được cấu tạo hai gương phản xạ. Một mặt gương phản xạ toàn phần, mặt còn lại là phản xạ bán phần cho phép chùm tia laser xuyên qua khi mật độ chùm tia laser đạt đến mức độ nhất định. Chùm tia laser đầu được kích thích bằng bóng đèn có cường độ cao. Các gương đặt trong ống laser – ống dao động, quang học được dùng để phản xạ và hội tụ ánh sáng trong môi trường dung môi. *Môi trường hoạt tính bán dẫn: Môi trường hoạt tính trong laser gồm có hai phần loại bán dẫn P và N. Phần thực tế làm việc với lớp chuyển tiếp P-N, lớp này mỏng cỡ vài mm, loại bán dẫn phù hợp nhất cho mục đích này là hợp chất khí (axêtic gali). Cho dòng điện chạy qua lớp này kích thích năng lượng cao. Trên lý thuyết mỗi cặp electron và hai lỗ trống gặp nhau chúng sẽ trung hòa với nhau và phát ra ánh sáng. Do hiệu suất của laser bán dẫn đạt 70% hơn hẳn các loại laser khác. Đối với laser bán dẫn chúng ta biến đổi được công suất của chúng bằng phương pháp biến điện kích thích. Tia laser Lỗ trống Cặp lỗ trống điện tử Dòng điện tử Lớp công tác Electron P N Aùnh sáng phản xạ lại từ gương Môi trường hoạt tính Mặt gương Hình 5.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động laser bán dẫn. III.2.2. Nguồn kích thích: Gương phản chiếu Thanh hoạt tính A C B D Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức năng lượng cao. Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính một năng lượng. Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính. Hình 5.7. Các loại nguồn kích thích. Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh sáng gồm một hay nhiều đèn xenon. Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trường hoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu. Đối với thanh hoạt tính hình trụ hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn. Hình 5.8. Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P. Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa. Đối với dòng điện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí. Phôi Vòi phun trong Khí cắt áp suất cao Vòi phun ngoài Khí cắt áp suất thấp Thấu kính hội tụ Tia laser Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nên một phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc. Hình 5.9. Vòi phun khí điển hình. Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt phản chiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi. Một trong hai gương kia phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống. Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính. Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng. V2 V1 V2 V1 Môi trường hoạt tính Lăng kính Gương phản xạ Hình 5.10. Bộ cộng hưởng quang học. Vậy về nguyên lý, gia công bằng tia laser rất đơn giản. Bằng cách tập trung năng lượng tại một điểm trong vùng gia công, mật độ năng lượng tại điểm đó sẽ tăng lên rất cao, và do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao. Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹ thuật mà nhiệt độ sẽ được đều chỉnh cho phù hợp. Nguồn điện và mạch định thì Lăng kính hoặc gương phản xạ Hệ thống làm mát Đèn ống Gương phản xạ bán phần Laser rắn hoặc khí Tia laser đi ra Bao kín với bề mặt bên trong phản xạ được Hình 5.11. Sơ đồ máy laser khí. III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm: + Máy phát tia laser: Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục. Tuỳ theo nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ, và chế độ hoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung. Hình 5.12. Máy tạo laser năng lượng cao HL 4006 D. + Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó là tập trung các tia laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ. Đèn kích thích Thấu kính Chi tiết Chùm tia hội tụ trên chi tiết Oáng xả hay bộ dao động quang học Đầu phản xạ có gương ở cuối đường zíc-zắc Tia laseer đi ra Hình 5.13. Sơ đồ máy laser rắn. + Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Một số máy phát laser. Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 5.14 giới thiệu sơ đồ máy phát laser hồng ngọc. Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn bức xạ được cung cấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện. Mặt khác thanh hồng ngọc được đặt trong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch. Thanh hồng ngọc được đặt cố định bằng một lò xo. Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra và hướng ra ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc. 5 10 4 6 7 8 9 2 3 1 Bộ cung cấp và điều khiển điện. Buồng phản xạ ánh sáng. Đèn phát xung. Thanh hồng ngọc. Gương phản xạ toàn phần. Gương phản xạ bán phần. Thấu kính hội tụ. Chi tiết. Bàn gá. Tế bào quang điện. Hình 5.14. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M. Trên hình 5.15 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác. Thanh hồng ngọc 8 có Ỉ = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha phản xạ có đặt 1 đèn xung dùng khí trơ xênon 7 dạng bút chì dài 76 (mm), được cấp 1 dòng điện xung từ phía ngoài gồm tụ điện 4 với điện dung 400 mF và cuộc cảm 3 được nối với biến thế 6 tạo xung với điện thế 14 (kV). Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụ phóng. 6 4 3 5 7 8 1 2 Hình 5.15. Các sơ đồ máy phát laser hồng ngọc khác. a. Với đèn bức xạ chuyên dùng. b. Với gương phản xạ hình elíp. Khi một vật bị kích thích bởi một nguồn năng lượng từ bên ngoài, các nguyên tố hoạt tính trong năng lượng đó được đưa lên một mức năng lượng cao hơn, nhưng ở mức năng lượng này độ bền vững rất kém nên khi ngưng kích thích thì chúng có xu hướng tụt xuống mức năng lượng thấp hơn. Lúc đó thế năng của chúng giảm đi, đồng thời mỗi nguyên tử hoạt tính phát ra 1 hoặc 2 lượng tử tuỳ theo quá trình tụt xuống là tự phát hay cưỡng bức. Trên cơ sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận chính: Đầu tia phát laser. Bộ phận cung cấp và điều khiển điện. Bộ phận gá đặt chi tiết gia công. Để tạo tia laser trên vật thể rắn ta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chất khác nhau hoặc thủy tinh với các tạp chất của các nguyên tố hiếm, ví dụ: tinh thể hồng ngọc (rubi), thủy tinh nêodim (Nd), Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1 cho trong hình 5.36. 4 7 3 2 1 5 6 Máy phát quang lượng tử. Màng ngăn. Oáng ngắm. Vật kính của kính hiển vi. Tấm kính bảo vệ. Chi tiết gia công. Bộ nguồn Hình 5.16. Sơ đồ máy phát laser kiểm MLC-1. Các phương pháp tập trung chùm laser. Để tạo nên mật độ năng lượng cao tại vị trí gia công tùy thuộc vào mục đích công nghệ, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. Hiện nay thường dùng các biện pháp sau: *Dùng thấu kính hội tụ. Khi dùng thấu kính cầu (hình 5.17a) thì tia laser tập trung trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu cung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạng yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình dáng phức tạp. Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 5.17b) vết tập trung sẽ có dạng dài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, Phương pháp này có ưu điểm là tập trung toàn bộ năng lượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân bố không đều, càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bị côn hoặc hẹp dần theo chiều sâu. 1 2 3 3 2 1 a b Hình 5.17. Các biện pháp tạo mật độ năng lượng cao dùng thấu kính cầu và thấu kính hình trụ. 1. Nguồn sáng. 2. Thấu kính hội tụ. 3. Vật gia công. *Dùng hệ thống chiếu ảnh. Để khắc phục nhược điểm trên, đồng thời dễ dàng tạo ra những mặt định hình phức tạp có kích thước nhỏ có thể sử dụng phương pháp tập trung chùm tia bằng hệ thống những thấu kính và màn chắn tương tự như hệ thống chiếu ảnh (hình 5.38). Với phương pháp này có thể tạo ra vết tập trung có hình dạng bất kỳ, mật độ năng lượng phân bố đều hơn nên hạn chế được nhược điểm trên, nhưng một phần năng lượng chùm tia bị mất mát qua các màn chắn, làm giảm hiệu suất năng lượng chùm tia. F’ F’’ L1 F F1 L4 DM D Do D1 2 3 4 5 1 Hình 5.18. Tập trung chùm tia bằng hệ thống màn chắn và thấu kính hội tụ. Kích thước gia công phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công, mật độ năng lượng chùm tia, tính chất của hệ thống tập trung năng lượng, thời gian tác dụng chùm tia vào vật gia công hoặc số lượng xung, Do F qo 2ro r r q Sau khi tập trung, mật độ năng lượng của chùm tia phân bố không đ