Sự cắt bằng tia la-zelà một công nghệ sử dụng mộttia lazelàm bay hơi vật liệu, tạo ra lưỡi cắt.Mặc dù thường được sử dụng cho các ứng dụng sản xuất công nghiệp, nhưng hiện nay nó được sử dụng bởi các trường học, doanh nghiệp nhỏ, kiến trúc và những người có sở thích.Tia lazecắthoạt động bằng cách điều khiển đầu ra của tia laser công suất cao, phổ biến nhất là thông qua quang học.Cácquang học laserVàCNC(điều khiển số bằng máy tính) được sử dụng để hướng chùm tia laser tới vật liệu.Laser thương mại để cắt vật liệu sử dụng hệ thống điều khiển chuyển động để tuân theo máy CNC hoặcmã Gcủa mẫu được cắt trên vật liệu.Chùm tia laser tập trung hướng vào vật liệu, sau đó vật liệu này tan chảy, cháy, bốc hơi hoặc bị thổi bay bởi một luồng khí, để lại một cạnh với bề mặt hoàn thiện chất lượng cao.
Lịch sử
Năm 1965, máy cắt laser sản xuất đầu tiên được sử dụng đểmáy khoanlỗ hổng trongkim cương chết.Chiếc máy này được chế tạo bởiTrung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Điện Miền Tây.Năm 1967, người Anh đã đi tiên phong trong việc cắt kim loại bằng tia oxy có hỗ trợ bằng laser.Đầu những năm 1970, công nghệ này được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.Đồng thời, CO2tia laser đã được điều chỉnh để cắt phi kim loại, chẳng hạn nhưtài liệu, bởi vì lúc đó CO2tia laser không đủ mạnh để vượt quadẫn nhiệtcủa kim loại.
Quá trình
Chùm tia laser thường được tập trung bằng cách sử dụng thấu kính chất lượng cao trên vùng làm việc.Cácchất lượng của chùm tiacó tác động trực tiếp đến kích thước điểm tập trung.Phần hẹp nhất của chùm tia hội tụ thường có đường kính nhỏ hơn 0,0125 inch (0,32 mm).Tùy thuộc vào độ dày vật liệu,vết cắtcó thể có chiều rộng nhỏ tới 0,004 inch (0,10 mm). Để có thể bắt đầu cắt từ một nơi khác ngoài mép, việc xỏ lỗ được thực hiện trước mỗi lần cắt.Việc xuyên thấu thường bao gồm chùm tia laze xung công suất cao từ từ tạo ra một lỗ trên vật liệu, mất khoảng 5–15 giây đối với lớp dày 0,5 inch (13 mm)thép không gỉ, Ví dụ.
Các tia ánh sáng kết hợp song song từ nguồn laser thường nằm trong khoảng đường kính từ 0,06–0,08 inch (1,5–2,0 mm).Chùm tia này thường được tập trung và tăng cường bởi thấu kính hoặc gương đến một điểm rất nhỏ khoảng 0,001 inch (0,025 mm) để tạo ra chùm tia laser rất mạnh.Để đạt được độ hoàn thiện mịn nhất có thể trong quá trình cắt đường viền, hướng của chùm tiasự phân cựcphải được quay khi nó đi xung quanh chu vi của phôi gia công có đường viền.Để cắt kim loại tấm, tiêu cự thường là 1,5–3 inch (38–76 mm).
Ưu điểm của việc cắt lasercắt cơ khíbao gồm việc giữ phôi dễ dàng hơn và giảm nhiễm bẩn phôi (vì không có lưỡi cắt nào có thể bị nhiễm bẩn bởi vật liệu hoặc làm nhiễm bẩn vật liệu).Độ chính xác có thể tốt hơn vì chùm tia laze không bị mòn trong quá trình thực hiện.Ngoài ra còn có ít khả năng làm cong vênh vật liệu đang bị cắt vì hệ thống laser có một lượng nhỏvùng ảnh hưởng nhiệt.Một số vật liệu cũng rất khó hoặc không thể cắt bằng các phương pháp truyền thống.
Cắt laser cho kim loại có ưu điểm hơn cắt plasma là chính xác hơn và sử dụng ít năng lượng hơn khi cắt kim loại tấm;tuy nhiên, hầu hết các tia laser công nghiệp không thể cắt xuyên qua độ dày kim loại lớn hơn mà plasma có thể làm được.Các máy laser mới hơn hoạt động ở công suất cao hơn (6000 watt, trái ngược với công suất 1500 watt của máy cắt laser đời đầu) đang tiến gần đến máy plasma ở khả năng cắt xuyên qua các vật liệu dày, nhưng chi phí vốn của những máy như vậy cao hơn nhiều so với máy cắt plasma. máy cắt plasma có khả năng cắt các vật liệu dày như thép tấm.
Các loại
Có ba loại laser chính được sử dụng trong cắt laser.CácCO2tia lazethích hợp cho việc cắt, doa và khắc.Cácneodymium(Nd) và neodymiumyttrium-nhôm-garnet(Nd:YAG) laser có kiểu dáng giống hệt nhau và chỉ khác nhau ở ứng dụng.Nd được sử dụng để khoan và những nơi cần năng lượng cao nhưng độ lặp lại thấp.Laser Nd:YAG được sử dụng ở những nơi cần công suất rất cao và để doa và khắc.Cả CO22và laser Nd/Nd:YAG có thể được sử dụng chohàn.
CO2tia laser thường được "bơm" bằng cách cho dòng điện chạy qua hỗn hợp khí (kích thích DC) hoặc sử dụng năng lượng tần số vô tuyến (kích thích RF).Cácphương pháp RFmới hơn và đã trở nên phổ biến hơn.Do thiết kế DC yêu cầu các điện cực bên trong khoang nên chúng có thể gặp phải tình trạng ăn mòn điện cực và mạ vật liệu điện cực trênđồ thủy tinhVàquang học.Vì bộ cộng hưởng RF có các điện cực bên ngoài nên chúng không dễ gặp phải những vấn đề đó.CO2Laser được sử dụng để cắt công nghiệp nhiều vật liệu bao gồm titan, thép không gỉ, thép nhẹ, nhôm, nhựa, gỗ, gỗ kỹ thuật, sáp, vải và giấy.Laser YAG chủ yếu được sử dụng để cắt và khắc chữ trên kim loại và gốm sứ.
Ngoài nguồn điện, loại dòng khí cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.Các biến thể phổ biến của CO2tia laser bao gồm dòng chảy dọc trục nhanh, dòng chảy dọc trục chậm, dòng chảy ngang và tấm.Trong bộ cộng hưởng dòng trục nhanh, hỗn hợp carbon dioxide, helium và nitơ được lưu thông ở tốc độ cao bằng tuabin hoặc quạt gió.Laser dòng chảy ngang luân chuyển hỗn hợp khí ở tốc độ thấp hơn, đòi hỏi một máy thổi đơn giản hơn.Bộ cộng hưởng dạng tấm hoặc làm mát bằng khuếch tán có trường khí tĩnh không cần điều áp hoặc dụng cụ thủy tinh, giúp tiết kiệm chi phí thay thế tuabin và dụng cụ thủy tinh.
Bộ phát laser và hệ thống quang học bên ngoài (bao gồm cả thấu kính lấy nét) cần được làm mát.Tùy thuộc vào kích thước và cấu hình hệ thống, nhiệt thải có thể được truyền bằng chất làm mát hoặc truyền trực tiếp vào không khí.Nước là chất làm mát được sử dụng phổ biến, thường được tuần hoàn qua máy làm lạnh hoặc hệ thống truyền nhiệt.
MỘTtia laser siêu nhỏđược dẫn hướng bằng tia nướctia lazetrong đó chùm tia laser xung được ghép thành tia nước áp suất thấp.Điều này được sử dụng để thực hiện các chức năng cắt laze trong khi sử dụng tia nước để dẫn hướng chùm tia laze, giống như sợi quang, thông qua phản xạ nội toàn phần.Ưu điểm của việc này là nước cũng loại bỏ các mảnh vụn và làm mát vật liệu.Ưu điểm bổ sung so với cắt laser "khô" truyền thống là tốc độ cắt cao, song songvết cắtvà cắt đa hướng.
Laser sợi quanglà một loại laser trạng thái rắn đang phát triển nhanh chóng trong ngành cắt kim loại.Khác với CO2, Công nghệ sợi quang sử dụng môi trường khuếch đại rắn, trái ngược với chất khí hoặc chất lỏng.“Laser hạt giống” tạo ra chùm tia laser và sau đó được khuếch đại bên trong sợi thủy tinh.Với bước sóng chỉ 1064 nanomet, laser sợi quang tạo ra kích thước điểm cực nhỏ (nhỏ hơn tới 100 lần so với CO2).2) khiến nó trở nên lý tưởng để cắt vật liệu kim loại phản chiếu.Đây là một trong những ưu điểm chính của Fiber so với CO2.
Lợi ích của máy cắt laser sợi quang bao gồm: -
- Thời gian xử lý nhanh chóng.
- Giảm mức tiêu thụ năng lượng và hóa đơn – do hiệu quả cao hơn.
- Độ tin cậy và hiệu suất cao hơn - không cần điều chỉnh hoặc căn chỉnh quang học và không cần thay thế đèn.
- Bảo trì tối thiểu.
- Khả năng xử lý các vật liệu có độ phản chiếu cao như đồng và đồng thau
- Năng suất cao hơn - chi phí vận hành thấp hơn mang lại lợi tức đầu tư lớn hơn.
phương pháp
Có nhiều phương pháp cắt khác nhau bằng tia laser, với nhiều loại khác nhau được sử dụng để cắt các vật liệu khác nhau.Một số phương pháp là bay hơi, nấu chảy và thổi, thổi nóng chảy và đốt cháy, nứt ứng suất nhiệt, vẽ nguệch ngoạc, cắt nguội và cắt laser ổn định bằng đốt.
Cắt bay hơi
Trong quá trình cắt hóa hơi, chùm tia hội tụ làm nóng bề mặt vật liệu đến điểm bốc cháy và tạo ra lỗ khóa.Lỗ khóa dẫn đến sự gia tăng đột ngộtđộ hấp thụnhanh chóng đào sâu hố.Khi lỗ sâu hơn và vật liệu sôi lên, hơi nước sinh ra sẽ làm xói mòn các bức tường nóng chảy đẩy ra ngoài và làm lỗ tiếp tục mở rộng.Các vật liệu không nóng chảy như gỗ, carbon và nhựa nhiệt rắn thường được cắt bằng phương pháp này.
Tan chảy và thổi
Cắt nóng chảy và thổi hoặc cắt nhiệt hạch sử dụng khí áp suất cao để thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi khu vực cắt, giúp giảm đáng kể yêu cầu về năng lượng.Đầu tiên, vật liệu được nung nóng đến điểm nóng chảy, sau đó một tia khí sẽ thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh để tránh phải tăng nhiệt độ của vật liệu lên nữa.Vật liệu được cắt bằng quá trình này thường là kim loại.
nứt ứng suất nhiệt
Vật liệu giòn đặc biệt nhạy cảm với hiện tượng nứt do nhiệt, một đặc điểm được khai thác trong nứt do ứng suất nhiệt.Một chùm tia tập trung vào bề mặt gây ra sự gia nhiệt cục bộ và giãn nở nhiệt.Điều này dẫn đến một vết nứt mà sau đó có thể được dẫn hướng bằng cách di chuyển chùm tia.Vết nứt có thể di chuyển theo thứ tự m/s.Nó thường được sử dụng trong việc cắt kính.
Cắt nhỏ lén lút các tấm silicon
Sự tách biệt củavi điện tửchip như được chuẩn bị trongchế tạo thiết bị bán dẫntừtấm siliconcó thể được thực hiện bằng cái gọi là quy trình cắt hạt tàng hình, hoạt động với xungLaser Nd:YAG, bước sóng (1064 nm) thích nghi tốt với điện tửkhoảng cách ban nhạccủasilic(1.11eVhoặc 1117nm).
Cắt phản ứng
Cắt phản ứng còn được gọi là "cắt khí laser ổn định đốt cháy" và "cắt ngọn lửa".Cắt phản ứng giống như cắt bằng ngọn đuốc oxy nhưng sử dụng chùm tia laze làm nguồn đánh lửa.Chủ yếu được sử dụng để cắt thép carbon có độ dày trên 1 mm.Quá trình này có thể được sử dụng để cắt các tấm thép rất dày với công suất laser tương đối nhỏ.