Cắt laze là công nghệ sản xuất tiên tiến sử dụng chùm tia laze mật độ -công suất{1}} cao kết hợp với thiết bị CNC để thực hiện quá trình xử lý vật liệu không tiếp xúc. Công nghệ này có nguồn gốc từ năm 1965, khi máy cắt laze đầu tiên được áp dụng để khoan khuôn kim cương, với việc Vương quốc Anh đạt được việc cắt kim loại bằng laser-có oxy đầu tiên vào năm 1967. Trong những năm 1970, công nghệ cắt laze bắt đầu thâm nhập vào lĩnh vực hàng không vũ trụ và sau khi sử dụng rộng rãi laze CO₂ vào những năm 1980, công nghệ này dần dần thay thế các quy trình cắt plasma thông thường.
Là một phương pháp cắt nhiệt, cắt laze nổi bật nhờ chất lượng cắt vượt trội, hiệu suất cao và tính linh hoạt đặc biệt, cho phép sản xuất từ-các công việc tùy chỉnh đơn lẻ đến sản xuất khối lượng-cao.
Nguyên tắc hoạt động
1.1 Đặc điểm phát và chùm tia laser
Laser (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích) tạo ra chùm tia đơn sắc, kết hợp cao thông qua phát xạ cảm ứng. Một hệ thống laser bao gồm ba thành phần cơ bản: môi trường hoạt động (rắn, lỏng hoặc khí), nguồn năng lượng (cơ chế bơm) và bộ cộng hưởng quang. Khi môi trường hoạt động được cấp năng lượng, nó sẽ phát ra photon; bộ cộng hưởng phản xạ các photon này qua lại trong môi trường, khuếch đại và căn chỉnh sóng ánh sáng để cuối cùng tạo ra chùm tia laser có mật độ-năng lượng-cao.
Chùm tia laser khác với ánh sáng thông thường ở một số khía cạnh quan trọng: cường độ cao, dải tần cực hẹp (đơn sắc), chuẩn trực sắc nét và độ kết hợp cao.
1.2 Cơ chế cắt vật lý
Quá trình cắt laser bao gồm hai hoạt động đồng thời:
Làm nóng vật liệu và chuyển đổi pha: Chùm tia laze có mật độ -công suất cao- tập trung chiếu xạ bề mặt phôi, khiến vùng được chiếu xạ có nhiệt độ tăng nhanh, nóng chảy, bay hơi, mài mòn hoặc đốt cháy vật liệu nhanh chóng.
Phóng nóng chảy: Khí hỗ trợ vận tốc cao, đồng trục với chùm tia, thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh, đạt được sự phân tách vật liệu. Dòng khí này đồng thời bảo vệ hệ thống quang học lấy nét khỏi bị nhiễm bẩn hơi nước và bắn tung tóe.
1.3 Thông số về độ chính xác và quy trình
Cắt laser đạt được độ chính xác về kích thước ±0,05mm, chiều rộng rãnh cắt là 0,10–0,20mm và độ nhám bề mặt ở mức hàng chục micron. Các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượng cắt bao gồm:
Công suất laser và mật độ công suất: Xác định độ dày vật liệu có thể đạt được và tốc độ cắt
Vị trí tiêu điểm chùm tia: Ảnh hưởng đến độ rộng và độ thẳng đứng của đường cắt
Loại khí và áp suất hỗ trợ: Quyết định hiệu suất phun tan chảy
Đường kính vòi phun: Thường dao động từ 0,8mm đến 3 mm, được lựa chọn dựa trên vật liệu và độ dày
Điều đáng chú ý là các vật liệu có độ phản chiếu cao như đồng và nhôm có tốc độ hấp thụ cực thấp đối với các bước sóng laser cụ thể, gây ra những thách thức xử lý đáng kể.
Phân loại quy trình chính và đặc tính kỹ thuật
Quá trình cắt laser được phân thành bốn loại chính dựa trên cơ chế loại bỏ vật liệu:
2.1 Cắt bay hơi bằng laser
Chùm tia laze có mật độ-năng lượng{1}}cao làm nóng phôi, nhanh chóng đạt đến điểm sôi của vật liệu và gây ra sự bay hơi trực tiếp. Sự phun ra hơi-tốc độ cao đồng thời tạo thành vết nứt.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm2
Vật liệu áp dụng: Kim loại cực mỏng và vật liệu phi kim loại (giấy, vải, gỗ, nhựa, cao su, v.v.)
Đặc điểm: Nhu cầu năng lượng cao; thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tránh cặn nóng chảy
2.2 Cắt nóng chảy bằng laser
Gia nhiệt bằng tia laser làm nóng chảy vật liệu và-khí hỗ trợ oxy hóa (Ar, He, N₂, v.v.) đẩy kim loại nóng chảy ra ngoài qua áp suất cao để tạo thành vết nứt.
Hiệu quả năng lượng: Chỉ cần 1/10 năng lượng cắt hóa hơi
Vật liệu áp dụng: Thép không gỉ, titan, nhôm và hợp kim của chúng-vật liệu chống oxy hóa hoặc kim loại phản ứng
Ưu điểm của quy trình: Tạo ra các cạnh cắt không chứa oxit-với chất lượng cạnh cao
2.3 Cắt Laser Oxy (Cắt ngọn lửa)
Tương tự như quá trình cắt bằng oxyacetylene, quá trình này sử dụng tia laser làm nguồn nhiệt làm nóng sơ bộ và oxy làm khí cắt. Oxy phản ứng tỏa nhiệt với kim loại, đồng thời thổi ra các oxit nóng chảy.
Hiệu quả năng lượng: Chỉ cần 1/2 năng lượng cắt nóng chảy; tốc độ cắt vượt quá đáng kể cả cắt bay hơi và nóng chảy
Vật liệu có thể áp dụng: Thép cacbon, thép titan và kim loại-được xử lý nhiệt-dễ bị oxy hóa
Hạn chế của quy trình: Khoảng cắt rộng hơn, vùng ảnh hưởng-nhiệt lớn hơn, dễ bị cháy góc và chất lượng cạnh tương đối kém hơn
2.4 Khắc laser và gãy xương có kiểm soát
Vẽ nguệch ngoạc bằng laze sử dụng tia laze mật độ-năng lượng{1}}cao để quét bề mặt của vật liệu giòn, làm bốc hơi một rãnh nông thông qua sự bay hơi nhiệt, sau đó là lực cơ học để làm gãy vật liệu dọc theo rãnh. Vết nứt có kiểm soát tận dụng gradient nhiệt dốc được tạo ra bởi quá trình tạo rãnh bằng laser để tạo ra ứng suất nhiệt cục bộ trong vật liệu giòn, gây ra sự phân tách dọc theo rãnh.
Vật liệu áp dụng: Gốm sứ, chất bán dẫn và các vật liệu giòn khác
Laser điển hình: Laser chuyển mạch Q{0}}, laser CO₂
Miền ứng dụng và giá trị ngành
Công nghệ cắt laser đã thâm nhập vào nhiều lĩnh vực công nghiệp quan trọng:
Sản xuất ô tô: Khung thân, linh kiện túi khí, tấm nội thất
Hàng không vũ trụ: Các bộ phận động cơ, ống dẫn hợp kim titan, chất làm cứng vỏ thân máy bay
Sản xuất điện tử: Các linh kiện-vi mô chính xác, bảng mạch, đầu nối
Thiết bị y tế: Stent mạch vành, dụng cụ phẫu thuật, thiết bị vi lỏng
Chế tạo kim loại tấm: Đã trở thành quy trình chiếm ưu thế, thay thế các phương pháp thông thường
Phần kết luận
Là một công nghệ sản xuất cốt lõi, cắt laser tiếp tục thúc đẩy chuyển đổi công nghiệp thông qua các ưu điểm kết hợp giữa độ chính xác cao, hiệu quả cao và tính linh hoạt đặc biệt. Từ cắt bằng phương pháp bay hơi đến cắt có hỗ trợ oxy-và từ laser CO₂ đến laser sợi quang, quá trình phát triển công nghệ không ngừng đã mở rộng ranh giới ứng dụng của cắt laser, cho phép xử lý-hiệu quả, chất lượng cao trên nhiều loại vật liệu và độ dày hơn.
