Tin tức
Tìm hiểu các đầu laser sử dụng trong gia công vật liệu
Hình 1. Đầu cắt laser công nghiệp TRUMF
Các đặc điểm và chức năng của đầu gia công laser
Mặc dù chức năng cơ bản của việc áp dụng một chùm tia laser có vẻ đơn giản, nhưng các đầu gia công laser thường cần cung cấp một số tính năng bổ sung, đi kèm với nhiều loại phụ kiện khác nhau.
Hội tụ chùm tia
Trong nhiều trường hợp, chùm tia laser phải được tập trung vào một điểm nhỏ trên phôi: hoặc là chỉ cần một điểm nhỏ trên phôi cần phải xử lý, hoặc để đạt được mật độ công suất laser đủ lớn. Thông thường, tiêu điểm chùm tia phải nằm trên hoặc gần bề mặt của phôi.
Thông thường, chùm tia laser khi tới đầu gia công laser là chùm tia chuẩn trực (tức là đường kính chùm tia tương đối lớn và góc phân kỳ chùm tia nhỏ). Sau đó chùm tia được hội tụ bằng thấu kính hoặc gương cầu. Thấu kính được sử dụng ở mức công suất laser thấp, còn gương cầu xử lý mức công suất cao tốt hơn. Tuy nhiên khi sử dụng gương dễ gây quang sai loạn thị.
Khoảng cách từ thấu kính (gương) hội tụ đến tiêu điểm chùm tia xấp xỉ bằng tiêu cự. Trong một số trường hợp, thấu kính (gương) có thể được thiết kế với tiêu cự thay đổi được, làm thay đổi đường kính vết chùm tia laser và thay đổi khoảng cách từ bề mặt đầu gia công tới bề mặt phôi, tức là khoảng cách làm việc ( xem bên dưới).
Các thông số kỹ thuật của nguồn laser phải tương thích với các thông số của đầu gia công:
- Đầu gia công thường được chế tạo cho một vùng bước sóng cụ thể, nơi có các chi tiết như gương, thấu kính được mạ lớp mạ chống phản xạ, v.v. . Các nguồn laser phổ biến hoạt động ở bước sóng 1,06 μm (đối với laser YAG và laser sợi quang) hoặc 10,6 μm (laser CO2), nhưng cũng có các đầu xử lý cho ánh sáng xanh lục (532 nm), UV (355 nm) hoặc cho vùng 2 μm.
- Đối với chùm tia trong không gian tự do (ví dụ: laser CO2 và laser excimer), chùm tia đầu vào thường phải được chuẩn trực tương ứng với bán kính chùm tia và hệ số chất lượng chùm tia M2. (Lưu ý rằng đường kính chùm tia quá nhỏ ở đầu vào có thể tạo ra vết laser lớn tại điểm hội tụ chùm tia.)
- Trong trường hợp đầu gia công được kết nối bằng sợi cáp quang công suất cao (phổ biến cho laser trạng thái rắn bao gồm laser sợi quang và laser đi-ốt), thông số của đầu gia công phải phù hợp với thông số đường kính lõi sợi quang và khẩu độ số.
- Công suất quang không được vượt quá định mức của đầu gia công. Các đại lượng công suất laser trung bình và công suất laser xung cực đại cũng có thể bị hạn chế.
Các nguồn laser có chất lượng chùm tia cao cho phép sử dụng các chi tiết quang học nhỏ. Khi đó có thể thiết kế đầu gia công nhỏ gọn và nhẹ hơn.
Kết hợp nhiều chùm tia ở đầu ra; Tia chỉ thị
Trong hầu hết các trường hợp, đầu xử lý chỉ có một tia đầu ra duy nhất. Tuy nhiên, có những trường hợp các đầu gia công được tích hợp nhiều chùm tia:
- Nhiều chùm tia có cùng công suất và có các thông số chất lượng khác nhau có thể được sử dụng để xử lý đồng thời nhiều điểm trên bề mặt vật liệu.
- Đối với một số ứng dụng, người ta có thể chuyển đổi qua lại giữa hai chùm tia khác nhau, chẳng hạn như với các bước sóng quang học khác nhau và/hoặc các thông số chùm tia khác nhau.
- Có những quy trình mà sự kết hợp của một số chùm tia được sử dụng trong một số bài toán đặc biệt. Ví dụ: kỹ thuật điểm kép sử dụng hai chùm tia laser có khoảng cách gần nhau với công suất và đường kính bằng nhau, ví dụ: công nghệ hàn laser.
Công nghệ Hàn bằng ba chùm tia laser hoặc hàn vật liệu đồng thau được thực hiện với một chùm tia chính có đường kính lớn, hai chùm tia còn lại có đường kính nhỏ hơn. Khi đó, chất lượng mối hàn được nâng cao rất nhiều.
Một số đầu gia công sử dụng thêm một chùm tia chỉ thị công suất thấp. Tia laser này nhìn thấy được bằng mắt thường để xác định chính xác vị trí hàn trên vật liệu.
Khoảng cách làm việc
Định vị và quét chùm tia
- Các gương quét di động có thể được đặt sau thấu kính hội tụ. Cấu hình này thường được sử dụng trong các trường hợp có khoảng cách làm việc lớn hoặc không đòi hỏi chất lượng chùm tia cao.
- Các gương quét di động được đặt trước thấu kính hội tụ f–theta. Trường hợp này được sử dụng phổ biến các máy khắc laser.
Khí ga, chất phụ trợ
Một số quy trình sản xuất sử dụng tia laser cần có khí ga phụ trợ:
- Trong nhiều trường hợp, đây là một loại khí trơ như nitơ hoặc argon, bảo vệ các bề mặt khỏi quá trình oxy hóa bởi oxy của không khí xung quanh.
- Đối với cắt laser, đôi khi sử dụng không khí hoặc thậm chí là oxy đậm đặc để tăng nguồn nhiệt bổ sung từ quá trình đốt cháy vật liệu bị thổi ra. Một chức năng khác của khí xử lý (khí trơ hay oxy) là thổi bay vật liệu, để hỗ trợ cho quá trình cắt. Do cần phải có tia khí áp suất cao được định hướng tốt nên nó cần được phun từ khoảng cách gần. Tuy nhiên, cũng có những quy trình cắt từ xa mà không cần khí xử lý.
Có nhiều cách khác nhau để đưa khí phụ trợ đến phôi:
- Trong một số trường hợp, đầu laser lắp thêm bép cắt để chùm tia laser và khí phụ trợ đều đi qua đó. Ví dụ, cho các quá trình cắt và khoan.
- Trong các trường hợp khác, khí phụ trợ được đưa vào từ bên cạnh, sau đó chảy dọc theo bề mặt phôi. Cách tiếp cận đó là thích hợp cho các quá trình hàn hoặc làm cứng vật liệu.