TIA LASER VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẮT LASER KIM LOẠI

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 ? Trong bài viết này Văn Thái và các bạn sẽ cùng nhau tìm hiểu nhé !

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.

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 chữ lên chi tiết nhôm

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.

Bài viết trên đây là những chia sẻ của chúng tôi với mong muốn mang đến cho quý khách hàng những thông tin hữu ích nhất. Ngoài ra, nếu quý khách hàng cần tìm mua các sản phẩm về hợp kim cũng như linh kiện cơ khí khác. Quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua các hình thức sau. Công ty Văn Thái chúng tôi chuyên cung cấp các linh kiện và tất cả các loại hợp kim theo yêu cầu của khách hàng để sản xuất dao phay gỗ, với mã hợp kim đa dạng như: YG6, YG6Z, YG8, YG3X, YG15C, YG20C, YG25C... tùy vào nhu cầu sử dụng của khách hàng mà chúng tôi có: dây cắt Trường Thành, dây cắt Cánh Chim ( xanh, đỏ ), dây cắt Quang Minh ( cam, xanh ), dây cắt Honglu ( giấy, nhựa ), dây cắt Kim Cương và cả dây cắt Nhôm,… dầu cắt dây DX-2, dầu cắt JIARUN #1 ( JR#1) ( dầu xanh lá ), dầu cắt JUARUN 2A, hộp dầu JIARUN 3A, dầu SDK2, dầu SDK 3 ( dầu vàng ), dầu SDK 118, dầu WED-218 và cả dầu mài JD,…. Động cơ điện, động cơ bước tiến, bánh xe (puly), nút đồng, nắp đậy, bộ bạc đạn bánh xe, bạc đạn, động cơ điện, máy bơm, card HL, dây Curoa, hợp kim dẫn điện,….

Lựa chọn Văn Thái và các sản phẩm do Văn Thái cung cấp quý khách sẽ vô cùng hài lòng vì chúng tôi có:

• Dịch vụ giao hàng nhanh
• Hậu mãi tốt
• Sản phẩm giá thành hợp lí, chủng loại đa dạng

Hãy nhấc máy lên và gọi ngay cho chúng tôi theo số hotline: 094 124 7183 hoặc email: linhkienvanthai@gmail.com