Giáo trình Công nghệ laster (Phần 2)

Ch−ơng 4 cơ sở Lý thuyết Cắt bằng Laser 
4.1 Sơ l−ợc về quá trình cắt bằng laser 
 Y t−ởng về sử dụng nguồn năng l−ợng ánh sáng để cắt kim loại xuất hiện ngay 
khi dùng tia sáng mặt trời để nhen lửa hay đốt giấy. Từ đó nghiên cứu các thiết bị 
laser nh− bị cuốn hút bởi sự hấp dẫn của nó. Hiện nay cắt bằng laser đã trở thành 
thông dụng ở một số n−ớc. Ơ Nhật gần 80 % nguồn laser sử dụng cho cắt các loại 
vật liệu trong công nghiệp. 
 Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp cắt nh− : cắt bằng cơ khí, cắt bằng siêu 
âm, cắt bằng hồ quang plasma, cắt bằng tia n−ớc áp suất cao, ... 
 Trong những năm gần đây ng−ời ta đã bắt đầu sử dụng laser để cắt tất cả các 
vật liệu với bất kỳ độ cứng nào. 
4.1.1 - Lịch sử phát triển các giai đoạn của các ph−ơng pháp cắt 
 CC Cat
 1 - N−ớc 2 - laser 3 - Plasma 4 - Oxy_axêtylen 
 Hình 4.1 Lịch sử phát triển các ph−ơng pháp cắt [12], 
A - Những phát minh ra cơ sở nguyên lý gia công; 
B - Phác thảo công nghệ; 
C - Khuynh h−ớng công nghệ của những máy đầu tiên trong công ng
D - Quá trình ứng dụng và phát triển trong công nghiệp; 
E - Giai đoạn tối −u hoá quá trình ; 
F - Giai đoạn chính muồi cho t−ơng lai trong công nghiệp 
4.1.2 Bảng so sánh các đặc tính của các ph−ơng pháp cắt và p
(xem bảng 4-1) 
 1h. 
2 
3 
4 
Năm 
hiệp; 
ạm vi ứng dụng 
39
Ch−ơng 4 cơ sở Lý thuyết Cắt bằng Laser 
4.1 Sơ l−ợc về quá trình cắt bằng laser 
 Y t−ởng về sử dụng nguồn năng l−ợng ánh sáng để cắt kim loại xuất hiện ngay 
khi dùng tia sáng mặt trời để nhen lửa hay đốt giấy. Từ đó nghiên cứu các thiết bị 
laser nh− bị cuốn hút bởi sự hấp dẫn của nó. Hiện nay cắt bằng laser đã trở thành 
thông dụng ở một số n−ớc. Ơ Nhật gần 80 % nguồn laser sử dụng cho cắt các loại 
vật liệu trong công nghiệp. 
 Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp cắt nh− : cắt bằng cơ khí, cắt bằng siêu 
âm, cắt bằng hồ quang plasma, cắt bằng tia n−ớc áp suất cao, ... 
 Trong những năm gần đây ng−ời ta đã bắt đầu sử dụng laser để cắt tất cả các 
vật liệu với bất kỳ độ cứng nào. 
4.1.1 - Lịch sử phát triển các giai đoạn của các ph−ơng pháp cắt 
 CC Cat
 1 - N−ớc 2 - laser 3 - Plasma 4 - Oxy_axêtylen 
 Hình 4.1 Lịch sử phát triển các ph−ơng pháp cắt [12], 
A - Những phát minh ra cơ sở nguyên lý gia công; 
B - Phác thảo công nghệ; 
C - Khuynh h−ớng công nghệ của những máy đầu tiên trong công ng
D - Quá trình ứng dụng và phát triển trong công nghiệp; 
E - Giai đoạn tối −u hoá quá trình ; 
F - Giai đoạn chính muồi cho t−ơng lai trong công nghiệp 
4.1.2 Bảng so sánh các đặc tính của các ph−ơng pháp cắt và p
(xem bảng 4-1) 
 1h. 
2 
3 
4 
Năm 
hiệp; 
ạm vi ứng dụng 
39
 Bảng 4-1 
Đặc tính và 
phạm vi ứng dụng 
Cắt bằng 
Oxy C2H2
Cắt bằng Plasma Cắt bằng 
tia laser 
Vật liệu cho quá 
trình cắt 
Thép và thép hợp kim , hợp 
kim có từ tinbhs và không 
từ tính. 
Tất cả các loại vật liệu 
dẫn điện 
Tất cảc các loại vật 
liệu kim loại và phi 
kim loại (KL, vải, 
platic,...) 
Chiều dày cắt 3 - 300 mm 
(cho đên 2 000 mm ) 
30 - 40 mm ( có thể đạt 
150 - 200mm) 
0,6 - 8 mm 
có thể đạt 15 mm 
Chiều dày tối −u 
khi cắt kim loại 
5 - 600 mm - 0,4 - 30 Thép th−òng 
- 0,4 – 15,0 ( thép inóc 
0,4 – 20,0 HK nhôm 
1 - 6 mm 
Chiều dày có thể 
cắt (kim loại) 
3 - 5 mm và 
600 - 2000 mm 
30 - 150 mm cho thép <= 10 mm 
Tốc độ cm/ph 
100cm/ph S= 3mm 
 20 cm/ph S = 300 
2000 cm/ph Giống Plasma nhứng 
tốc độ tăng hơn khi 
chiều dày tăng 
Mức độ biến dạng Lớn Vừa ít 
Độ chính xác 1 - 2 mm 1 mm 0,1 - 0,2 mm 
Chiều rộng rãnh 
cắt 
2 - 6 mm 1 - ( 2 - 6 mm)Các mép 
cắt khá song song 
Rãnh cắt rất mảnh cơ 
phần m−ời mm 
Chất l−ợng mép cắt Khá tốt Các mép cắt khá song 
song 
Rất tốt 
Mức độ ô nhiểm CO2 rất nguy hiểm 
và các loại khí thải khác 
- Hồ quang hàn 
- Khí thải, oxit, N2, 
-Có thể có hơi kim 
loại - Hơi Cl khi cắt 
platic 
Công suất cần thiết Phụ thuộc loại khí 30 - 100 KW 1,5 - 2,0 KW 
Nhiệt độ 3170 oC O2+C2H2
2840 O2 +C3H8
15000-20000 oC Mật độ nhiệt rất cao 
 40
4.2 - Phân loại các ph−ơng pháp cắt bằng laser 
Laser đa xung 
Cắt Khoan Đột lổ Đột lổ nhỏ
Theo quỷ đạo 
bất kỳ với biên 
độ lớn 
Theo quỷ đạo 
bất kỳ với biên 
độ nhỏ 
Di động Cố định
Laser đơn xung 
Vật cắt / Chùm tia 
Laser xung Laser liên tục 
Laser
 Hình 4..2 Sơ đồ phân loại các ph−ơng pháp cắt bằng laser [13] 
 41
4.3 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng chùm tia laser 
4
1 2 3
dh
1- Máy phát laser 
2- Chùm tia laser 
3- G−ơng phẳng nghiêng 
4- Thấu kính hội tụ 
a/ 
 3
2 
4
1 
1 
 Hình 4 .3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hh−ớng chùm tia laser khi cắt 
d - đ−ờng kính chùm tia; 
 42
 Hình 4.4 Sơ đồ quá trình cắt bằng laser CNC [13] P 72 
 1 - Nguồn laser; 2 - Thiết bị bắn chùm tia laser; 
 3 - N−ớc làm mát 4 - May đo nhiệt l−ợng; 
 5 - G−ơng dẫn h−ớng; 6 - Thấu kính hội tụ 
 7 - Khí cắt 8 - Đầu cắt; 9 - Vật cắt; 
 10- Bàn điều khiển (X,Y); 11- Mô tơ 12- Máy điều khiển CNC 
 Hình 4.5 Hình dáng bên ngoài của 1 máy cắt bằng laser 
 43
Đầu cắt 
 Hình 4.6 Hình dáng bên ngoài của 1 máy cắt bằng laser CNC của hảng 
HACO 
 44
 Hình 4.7 Các sản phẩm cắt trên máy cắt bằng laser CNC của hảng HACO 
4.4 Đặc điểm của quá trình cắt bằng laser 
 Cắt bằng laser có nhiều −u điểm đối với vật liệu có chiều dày nhỏ. ở Nhật gần 
80% các phần việc của laser là cắt. Có thể cắt vật liệu phi kim loại và vật liệu kim loại. 
 Ưu điểm của cắt bằng laser : 
1. Chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao. Vì thế nó có 
thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó. 
2. Rãnh cắt hẹp; sắc cạnh; độ chính xác cao; 
3. Có thể cắt theo đ−ờng thẳng hay đ−ờng cong bất kỳ; 
4. Mép cắt sạch đẹp, không cần các b−ớc gia công phụ thêm; 
5. Quá trình cắt xảy ra nhanh chống; 
6. Đây là quá trình cắt không tiếp xúc; nó có thể cắt theo các h−ớng khác 
nhau. 
7. Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính. 
8. Khi cắt, không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh h−ởng của biến 
dạng trong quá trình cắt và sau khi cắt. Vùng ảnh h−ởng nhiệt nhỏ, biến 
dạng nhiệt ít; 
9. Có năng suất cao; có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiển 
bằng ch−ơng trình NC, CNC. 
10. Có thể cơ khí hoá và tự động hoá điều khiển quá trình cắt; Cắt vật liệu phi 
kim loại chiếm tỷ lệ khoảng 70 % (ví dụ : nh− cắt vật liệu ceramíc, kính, vật 
liệu compôzit đặc biệt là vải và các loại giấy) ; phần còn lại khoảng 30% là 
cắt kim loại. Thời gian gia công bằng chùm tia laser khi tự động hoá có thể 
giảm từ 8 giờ xuống còn 4 phút. 
11. Không gây ồn; điều kiện lao động tốt. Ngoài ra điều kiện làm việc của công 
nhân đ−ợc cải thiện rất nhiều do l−ợng bụi ít hơn so với các ph−ơng pháp 
gia công cơ khí. 
 45
12. Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10 - 20 mm (phụ thuộc vào công suất 
của nguồn laser). 
4.5 Đặc tính của thiết bị cắt bằng laser 
• Đặc tính thuộc thiết bị bao gồm : loại máy phát, kích th−ớc của máy, loại 
nguồn, dạng xung hay liên tục, độ dài b−ớc sóng, phân cực, dạng chùm tia, 
vị trí đầu cắt,. 
• Đặc tính về dịch chuyển : Tốc độ dịch chuyển. điều khiển vị trí tiêu điểm 
của chùm tia; 
• Đặc tính của khí cắt: thành phần khí hổ trợ, cắt có khí nung hay không,..; 
• Đặc tính vật liệu : Tính truyền dẫn nhiệt, đặc tính quang học (hấp thụ bức 
xạ, khả năng phản xạ...) 
4.6 các ph−ơng pháp cắt bằng laser. 
 Để tiến hành cắt có thể tiến hành theo 6 ph−ơng pháp cắt sau đây [7]: 
 1 - Ph−ơng pháp đột biến về nhiệt (Năng l−ợng t−ơng đ−ơng (NLTĐ) - 1 lần) 
 2 - Cắt bằng “khoan” ( NLTĐ là 1 lần) 
 3 - Ph−ơng pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi ;(NLTĐ gấp 10 lần) 
 4 - Ph−ơng pháp nóng chảy và thổi; ( NLTĐ gấp 20 lần) 
 5 - Ph−ơng pháp bay hơi; ( NLTĐ gấp 40 lần) 
 6 - "Cắt nguội " Dùng laser năng l−ợng siêu cao để cắt. 
 (NLTĐ gấp 100 lần ) 
4.6.1 Ph−ơng pháp đột biến về nhiệt 
 Đây là ph−ơng pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại một điểm rất nhỏ 
trên bề mặt vật cắt và liên tục phát triẻn với tốc độ cao (cở m/s), gây neensuwj gẫy đột 
biến và tạo nên rãnh cắt. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng khi cắt vật liệu dòn. 
 Hình 4-8 
 46
4.6.2 Ph−ơng pháp cắt bằng “khoan” 
 Cơ sở của ph−ơng pháp này là dùng tia laser khoan các lổ sâu hoặc không sâu, 
sau đó bẻ gẫy bằng cơ học. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng khi cắt vật liệu dòn. 
 Hình 4-9 Sơ đồ nguyên lý ph−ơng pháp khoan cắt bằng laser 
4.6.3 Ph−ơng pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi 
 Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau đó thổi các sản phẩm cháy đi ,tạo nên 
rãnh cắt. Trong quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ 
sung nên năng l−ơng t−ơng đ−ơng tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt 
4.6.4 Ph−ơng pháp nóng chảy và thổi 
 Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chung ra khỏi vùng 
cắt và tạo nên rãnh cắt. 
4.6.5 Ph−ơng pháp bay hơi. 
 Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt 
 Hình 4 - 10 Cắt bằng ph−ơng pháp bay hơi 
4.6.6 Ph−ơng pháp “ cắt nguội “. 
 Dùng laser có dãi tần số vùng cực tím có năng l−ợng siêu cao để cắt. Ph−ơng 
pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật. Chất l−ợng mép cắt rất cao. 
hν - năng l−ợng cao 
 47
 Hình 4-11 Cắt bằng năng l−ợng tập trung cao 
4.7 Các quá trình xảy ra khi cắt vật liệu 
4.7.1 Sự phân bố và truyền nhiệt khi gia công cắt 
 Nhiệm vụ nghiên cứu chính khi kim loại chịu tác dụng của nguồn bức xạ : * 
Nghiên cứu không gian và thời gian các đặc tính truyền dẫn nhiệt. 
 * Bài toán truyền dẫn nhiệt. 
 * Các bài toán về điều kiện biên; 
 Đặc tr−ng cho sự bức xạ của laser là độ đơn sắc và đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số: 
oo ω
ω
λ
λà ∆=∆= 
 ∆λ - Chiều rộng vạch quang phổ; λ - B−ớc sóng; 
 ω - Tần số trung bình ; à - Mức độ đơn sắc; 
Bán kính vệt nung trên bề mặt kim loại gia công đ−ợc tính : 
 rf = θ.F 
 θ - góc phân kỳ ( góc loe) D - đ−ờng kính chùm tia bức xạ; 
 F - Tiêu cự của thấu kính. 
 nếu D/F = 0,3 θ = θ 0,5 . rf = θ.F = 1,22 
 rf = θ.F = 0,3 (àm). 
Và công suất bức xạ là 106 (W) thì mật độ nhiệt ở tâm vệt nung là 1013 W/cm2 . 
Ghi chú : Thời gian một xung khoảng 10-9 giây 
 Mật độ nguồn nhiệt 108 - 109 w/cm2 . 
 Sự phân bố mật độ c−ờng độ nhiệt trên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính là : 
 2
2
1 ]
..2
[)(
r
r
o
B
BI
qrq = 
I1(u) - hàm B.exelia với B = (π.D)/ λF, C−ờng độ bức xạ nhiệt ở tâm (r = 0 ) sẽ là : 
 48
 oo P
F
Dq .
)..(4
).(
2
2
λ
π= Po - là công suất bức xạ 
Năng l−ợng bức xạ trong chất rắn và chất lỏng ở chế độ tổng hợp tự do <= 103 Jun . 
Năng l−ợng bức xạ của laser xung có thể đạt từ vài trăm KW (ở chế độ tập hợp tự do ) 
cho đến hàng triệu kw tại các “pic” trung bình và năng l−ợng các “pic” riêng rẻ. 
 Sự truyền nhiệt cho vật liệu gia công. 
 Nguồn nhiệt bức xạ tác dụng lên bề mặt gia công, một phần bị phản xạ, một 
phần đi sâu vào trong vật liệu và bị chúng hấp thụ. Trong khoảng thời gian nhất định 
sẽ xảy ra quá trình phân bố nhiệt . 
 Quy luật phân bố trong thể tích kim loại đó thực tế có thể biểu diển bằng định 
luật BUGER [8]: 
 qv(z) = qvo ( 1-R)e 
-αz. 
qv(z) - Mật độ công suất khối của bức xạ ở khoảng cách z W/cm
3. 
 qvo - Mật độ công suất khối của bức xạ trên bề mặt; 
(1- R) - Khả năng hấp thụ; R - hệ số phản xạ chùm tia; 
α - Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/cm); 
 Quá trình hấp thụ ánh sáng và truyền nhiệt bức xạ trong các vật liệu khác nhau 
( kim loại , bán dân, chất cách điện) sẽ khác nhau. 
 Quá trình hấp thụ các kvan( photon) ánh sáng xảy ra khi hấp thụ hay phát 
photon hay do sự va chạm giữa chúng. 
 Hấp thụ ánh sáng sẽ làm tăng năng l−ợng các điện tử. Một phần năng l−ợng 
của electron sẽ truyền cho mạng . Tuy thế năng l−ợng này không đáng kể vì các 
mạng ít hơn rất nhiều so với số l−ợng lớn các ion và điện tử. 
 Quá trình hấp thụ nhiệt của kim loại từ vùng vệt nung đến vùng kim loại bên 
trong xảy ra do truyền nhiệt bởi điện tử, photon, và bức xạ. 
 Trong vùng gia công, nhiệt độ lên đến vài nghìn độ - đó là truyền dẫn nhiệt 
điện tử. 
 49
 Truyền nhiệt - phonton xảy ra ở vùng nhiệt độ thấp; vai trò của nó rất nhỏ so 
với truyền nhiệt điện tử. 
 Truyền nhiệt bằng bức xạ chiếm vai trò quan trọng khi 
 To >= 104 oK 
 Cơ sở của quá trình gia công laser là khả năng bức xạ của laser để tạo nên trên 
một bề mặt nhỏ có mật độ nguồn nhiệt rất cao đủ để nung nóng kim loại, hay làm 
nóng chảy hay bay hơi bất kể một loại vật liệu nào. 
 Nguồn nhiệt laser chiếu lên bề mặt kim loại có : 
 + một phần phản xạ trở lại; 
 + một phần đ−ợc vật liệu hấp thụ vào sâu trong vật gia công. 
 Phần nhiệt đi sâu vào trong vật liệu hầu nh− bị các điện tử tự do ở lớp trên 
cùng của bề mặt ( độ sâu khoảng 0,1 - 1 àm ) hấp thụ. Chính điều đó làm tăng 
nguồn năng l−ợng cho các điện tử và chúng sẽ bị va chạm mãnh liệt hơn. 
 Thời gian ban đầu mà các điện tử hấp thụ năng l−ợng và làm tăng các va chạm 
chiếm khoảng 10-11 giây. 
 Phần lớn nguồn nhiệt laser truyền vào sâu trong kim loại bằng sự truyền nhiệt 
electrôn ( truyền nhiệt điện tử ) 
 Sự truyền nhiệt bức xạ lên vật liệu gia công 
Khả năng hấp thụ năng l−ợng đ−ợc thể hiện bằng công thức [8] 
2/11
0 )112,2(=A
−σ
 A = 1 - R 
 σo - Điện trở suất của kim loại cho dòng 1 chiều (Ôm/m); 
 R - hệ số phản xạ của vật liệu; 
Hệ số hấp thụ A của một số vật liệu khi b−ớc sống λ = 10,6 (àkm) 
 Bảng 4-2 [8] 
Vật liệu Bề mặt đã đánh bóng 
A= 
Bề mặt bị ôxy hoá 
( ở T = 873oK, t = 2 giờ ) A= 
Au 0,010 - 
 50
Al 0,034 0,25 - 0,50 
Fe 0,050 0,33 - 0,74 
Zr 0,083 0,45 - 0,56 
Ti 0,094 0,18 - 0,25 
Nhận xét : 
* Mức độ hấp thụ thay đổi khi bề mặt có gia công tẩm thực hoặc có sự thay đổi về 
thành phần hoá học ... 
- Với độ nhấp nhô tăng từ Rz = 34 ---> 120 àm thì hệ số hấp thụ tăng lên 
 Thép không gỉ : 1,2 - 1,5 lần 
 Sắt kỹ thuật : 2,5 - 2,8 lần 
- Bề mặt có sơn phủ vật liệu hấp thụ đặc biệt hay bột kim loại thì hệ số hấp thụ cũng 
tăng từ : 2,0 - 2,5 lần. 
 Mức độ phản xạ của nguồn nhiệt laser từ bề mặt vật rắn khi gia công đ−ợc xác 
định bằng hệ số phản xạ. 
 Hệ số phản xạ phụ thuộc : 
 + Loại vật liệu; 
 + Chiều dài b−ớc sóng bức xạ của laser; 
Bảng 4-3 Hệ số phản xạ của một số chất hoạt tính [6] 
Vật liệu λ (àkm) Au Cr Ag Ni 
Ar 0,488 0,415 0,437 0,952 0,579 
Rubin 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676 
YAR-Nd 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741 
CO2 10,60 0,975 0,984 0,989 0,942 
 Giá trị nhiệt tới hạn của một số chất mà không xảy ra sự phá huỷ bề mặt : 
 Bảng 4-4 [6] 
Vật liệu Ag Al Au Cr Cu Fe Mg Ferit 
 51
E * 
KW/cm2
6400 2400 3500 220 2600 300 970 40 
Q 1
Q PXKKQ PX
QrQTS
1 
2 3 
5 
4 
 Hình 4-12 Sơ đồ phân bố năng l−ợng khi gia công kim loại 
1 - Chùm tia laser; 2 - Vật liệu kim loại; 
3 - Vùng bị chùm tia tác động và tạo nên lỗ; 
4 - Kim loại nóng chảy; 
5 - Chùm tia PLASMA phản xạ khi gia công; 
Ql - năng l−ợng chùm tia LASER; 
Qpx - Năng l−ợng phản xạ; 
Qpxkk - Năng l−ợng phản xạ vào không khí; 
Qbt - Năng l−ợng mất mát do kim loại bắn toé; 
Qts - Năng l−ợng truyền vào sâu kim loại; 
Qr - Năng l−ợng tiêu tốn trên bề mặt rãnh sâu trong kim loại; 
 Nếu mật độ nhiệt v−ợt quá giá trị tới hạn thì vật liệu sẽ xảy ra quá trình phá 
huỷ bề mặt. 
 52
 Khái niệm phá huỷ bề  ... ng quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ 
sung nên năng l−ơng t−ơng đ−ơng tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt 
4.6.4 Ph−ơng pháp nóng chảy và thổi 
 Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chung ra khỏi vùng 
cắt và tạo nên rãnh cắt. 
4.6.5 Ph−ơng pháp bay hơi. 
 Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt 
 Hình 4 - 10 Cắt bằng ph−ơng pháp bay hơi 
4.6.6 Ph−ơng pháp “ cắt nguội “. 
 Dùng laser có dãi tần số vùng cực tím có năng l−ợng siêu cao để cắt. Ph−ơng 
pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật. Chất l−ợng mép cắt rất cao. 
hν - năng l−ợng cao 
 47
 Hình 4-11 Cắt bằng năng l−ợng tập trung cao 
4.7 Các quá trình xảy ra khi cắt vật liệu 
4.7.1 Sự phân bố và truyền nhiệt khi gia công cắt 
 Nhiệm vụ nghiên cứu chính khi kim loại chịu tác dụng của nguồn bức xạ : * 
Nghiên cứu không gian và thời gian các đặc tính truyền dẫn nhiệt. 
 * Bài toán truyền dẫn nhiệt. 
 * Các bài toán về điều kiện biên; 
 Đặc tr−ng cho sự bức xạ của laser là độ đơn sắc và đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số: 
oo ω
ω
λ
λà ∆=∆= 
 ∆λ - Chiều rộng vạch quang phổ; λ - B−ớc sóng; 
 ω - Tần số trung bình ; à - Mức độ đơn sắc; 
Bán kính vệt nung trên bề mặt kim loại gia công đ−ợc tính : 
 rf = θ.F 
 θ - góc phân kỳ ( góc loe) D - đ−ờng kính chùm tia bức xạ; 
 F - Tiêu cự của thấu kính. 
 nếu D/F = 0,3 θ = θ 0,5 . rf = θ.F = 1,22 
 rf = θ.F = 0,3 (àm). 
Và công suất bức xạ là 106 (W) thì mật độ nhiệt ở tâm vệt nung là 1013 W/cm2 . 
Ghi chú : Thời gian một xung khoảng 10-9 giây 
 Mật độ nguồn nhiệt 108 - 109 w/cm2 . 
 Sự phân bố mật độ c−ờng độ nhiệt trên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính là : 
 2
2
1 ]
..2
[)(
r
r
o
B
BI
qrq = 
I1(u) - hàm B.exelia với B = (π.D)/ λF, C−ờng độ bức xạ nhiệt ở tâm (r = 0 ) sẽ là : 
 48
 oo P
F
Dq .
)..(4
).(
2
2
λ
π= Po - là công suất bức xạ 
Năng l−ợng bức xạ trong chất rắn và chất lỏng ở chế độ tổng hợp tự do <= 103 Jun . 
Năng l−ợng bức xạ của laser xung có thể đạt từ vài trăm KW (ở chế độ tập hợp tự do ) 
cho đến hàng triệu kw tại các “pic” trung bình và năng l−ợng các “pic” riêng rẻ. 
 Sự truyền nhiệt cho vật liệu gia công. 
 Nguồn nhiệt bức xạ tác dụng lên bề mặt gia công, một phần bị phản xạ, một 
phần đi sâu vào trong vật liệu và bị chúng hấp thụ. Trong khoảng thời gian nhất định 
sẽ xảy ra quá trình phân bố nhiệt . 
 Quy luật phân bố trong thể tích kim loại đó thực tế có thể biểu diển bằng định 
luật BUGER [8]: 
 qv(z) = qvo ( 1-R)e 
-αz. 
qv(z) - Mật độ công suất khối của bức xạ ở khoảng cách z W/cm
3. 
 qvo - Mật độ công suất khối của bức xạ trên bề mặt; 
(1- R) - Khả năng hấp thụ; R - hệ số phản xạ chùm tia; 
α - Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/cm); 
 Quá trình hấp thụ ánh sáng và truyền nhiệt bức xạ trong các vật liệu khác nhau 
( kim loại , bán dân, chất cách điện) sẽ khác nhau. 
 Quá trình hấp thụ các kvan( photon) ánh sáng xảy ra khi hấp thụ hay phát 
photon hay do sự va chạm giữa chúng. 
 Hấp thụ ánh sáng sẽ làm tăng năng l−ợng các điện tử. Một phần năng l−ợng 
của electron sẽ truyền cho mạng . Tuy thế năng l−ợng này không đáng kể vì các 
mạng ít hơn rất nhiều so với số l−ợng lớn các ion và điện tử. 
 Quá trình hấp thụ nhiệt của kim loại từ vùng vệt nung đến vùng kim loại bên 
trong xảy ra do truyền nhiệt bởi điện tử, photon, và bức xạ. 
 Trong vùng gia công, nhiệt độ lên đến vài nghìn độ - đó là truyền dẫn nhiệt 
điện tử. 
 49
 Truyền nhiệt - phonton xảy ra ở vùng nhiệt độ thấp; vai trò của nó rất nhỏ so 
với truyền nhiệt điện tử. 
 Truyền nhiệt bằng bức xạ chiếm vai trò quan trọng khi 
 To >= 104 oK 
 Cơ sở của quá trình gia công laser là khả năng bức xạ của laser để tạo nên trên 
một bề mặt nhỏ có mật độ nguồn nhiệt rất cao đủ để nung nóng kim loại, hay làm 
nóng chảy hay bay hơi bất kể một loại vật liệu nào. 
 Nguồn nhiệt laser chiếu lên bề mặt kim loại có : 
 + một phần phản xạ trở lại; 
 + một phần đ−ợc vật liệu hấp thụ vào sâu trong vật gia công. 
 Phần nhiệt đi sâu vào trong vật liệu hầu nh− bị các điện tử tự do ở lớp trên 
cùng của bề mặt ( độ sâu khoảng 0,1 - 1 àm ) hấp thụ. Chính điều đó làm tăng 
nguồn năng l−ợng cho các điện tử và chúng sẽ bị va chạm mãnh liệt hơn. 
 Thời gian ban đầu mà các điện tử hấp thụ năng l−ợng và làm tăng các va chạm 
chiếm khoảng 10-11 giây. 
 Phần lớn nguồn nhiệt laser truyền vào sâu trong kim loại bằng sự truyền nhiệt 
electrôn ( truyền nhiệt điện tử ) 
 Sự truyền nhiệt bức xạ lên vật liệu gia công 
Khả năng hấp thụ năng l−ợng đ−ợc thể hiện bằng công thức [8] 
2/11
0 )112,2(=A
−σ
 A = 1 - R 
 σo - Điện trở suất của kim loại cho dòng 1 chiều (Ôm/m); 
 R - hệ số phản xạ của vật liệu; 
Hệ số hấp thụ A của một số vật liệu khi b−ớc sống λ = 10,6 (àkm) 
 Bảng 4-2 [8] 
Vật liệu Bề mặt đã đánh bóng 
A= 
Bề mặt bị ôxy hoá 
( ở T = 873oK, t = 2 giờ ) A= 
Au 0,010 - 
 50
Al 0,034 0,25 - 0,50 
Fe 0,050 0,33 - 0,74 
Zr 0,083 0,45 - 0,56 
Ti 0,094 0,18 - 0,25 
Nhận xét : 
* Mức độ hấp thụ thay đổi khi bề mặt có gia công tẩm thực hoặc có sự thay đổi về 
thành phần hoá học ... 
- Với độ nhấp nhô tăng từ Rz = 34 ---> 120 àm thì hệ số hấp thụ tăng lên 
 Thép không gỉ : 1,2 - 1,5 lần 
 Sắt kỹ thuật : 2,5 - 2,8 lần 
- Bề mặt có sơn phủ vật liệu hấp thụ đặc biệt hay bột kim loại thì hệ số hấp thụ cũng 
tăng từ : 2,0 - 2,5 lần. 
 Mức độ phản xạ của nguồn nhiệt laser từ bề mặt vật rắn khi gia công đ−ợc xác 
định bằng hệ số phản xạ. 
 Hệ số phản xạ phụ thuộc : 
 + Loại vật liệu; 
 + Chiều dài b−ớc sóng bức xạ của laser; 
Bảng 4-3 Hệ số phản xạ của một số chất hoạt tính [6] 
Vật liệu λ (àkm) Au Cr Ag Ni 
Ar 0,488 0,415 0,437 0,952 0,579 
Rubin 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676 
YAR-Nd 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741 
CO2 10,60 0,975 0,984 0,989 0,942 
 Giá trị nhiệt tới hạn của một số chất mà không xảy ra sự phá huỷ bề mặt : 
 Bảng 4-4 [6] 
Vật liệu Ag Al Au Cr Cu Fe Mg Ferit 
 51
E * 
KW/cm2
6400 2400 3500 220 2600 300 970 40 
Q 1
Q PXKKQ PX
QrQTS
1 
2 3 
5 
4 
 Hình 4-12 Sơ đồ phân bố năng l−ợng khi gia công kim loại 
1 - Chùm tia laser; 2 - Vật liệu kim loại; 
3 - Vùng bị chùm tia tác động và tạo nên lỗ; 
4 - Kim loại nóng chảy; 
5 - Chùm tia PLASMA phản xạ khi gia công; 
Ql - năng l−ợng chùm tia LASER; 
Qpx - Năng l−ợng phản xạ; 
Qpxkk - Năng l−ợng phản xạ vào không khí; 
Qbt - Năng l−ợng mất mát do kim loại bắn toé; 
Qts - Năng l−ợng truyền vào sâu kim loại; 
Qr - Năng l−ợng tiêu tốn trên bề mặt rãnh sâu trong kim loại; 
 Nếu mật độ nhiệt v−ợt quá giá trị tới hạn thì vật liệu sẽ xảy ra quá trình phá 
huỷ bề mặt. 
 52
 Khái niệm phá huỷ bề mặt là khái niệm để hiểu có tính t−ơng đối. Bởi vì mọi 
tác dụng của nguồn nhiệt lên kim loại sẽ gây các quá trình vật lý, liên quan với quá 
trình khuyếch tán , hay sự kết hợp làm cho cấu trúc bị biến đổi. 
 Phá huỷ kim loại với sự di chuyển một phần thể tích kim loại do sự bốc hơi . 
 Phá huỷ bề mặt kim loại vùng cắt để có thể tạo nên những vết lõm, lỗ do pha 
kim loại nóng chảy bị chèn đảy d−ới áp lực của hơi kim loại hay các tác dụng khác. 
Đối với kim loại dòn , d−ới các tác dụng trên có thể tạo nên những vết nứt (P 242 -G ) 
 Mô hình các quá trình hình thành các vết lõm hay tạo lỗ có thể thể hiện nh− 
sau : 
Theo Lý thuyết phá huỷ nhiệt 
 Các nghiên cứu về sự phá huỷ kim loại đ−ợc đề cập đối với khoảng mật độ 
nhiệt 106 - 109 W/cm2 . 
 Theo các lý thuyết về phá huỷ bề mặt kim loại và di chuyển các lớp kim loại 
đều do sự bay hơi bề mặt. 
 Vận tốc lớp bay hơi [8] : 
)2,2.(
*
m
KTL
q
V
B
o
+
=
ρ
 LB - Nhiệt hoá hơi 
Ro - Hằng số phân tử khí R = 8,3145 J/
oK (trang 25) 
Qo - Mật độ nhiệt chùm tia bức xạ 
K - Hằng số Bosman K = 1,380658 . 10 -23 J/(mol.oK 
Lý thuyết khí động học bay hơi [8] 
 Theo lý thuyết này thì quá trình phá huỷ vật liệu xảy ra nhờ hệ thống các 
ph−ơng trình khí động học đối với mật độ dòng v−ợt quá giá trị tới hạn bốc hơi. ( Mật 
độ nguồn nhiệt phải lớn hơn qo >= 10
6 w/cm2 . 
Thuyết bay hơi khối [8] 
 53
 Sơ đồ phụ thuộc thời gian tồn tại mầm bọt khí trong kim loại lỏng và mật độ 
nguồn nhiệt : 
10-4
τ, s 
(giây) 
10-5
10-6
106 107 108. q, W/cm2 
Hình : 4-13 Sự phụ thuộc thời gian mầm bọt khí trong kim loại lỏng [8] 
3
2
1
6,0 6,5 7,0 lgq w/cm2. 
R(q)
à m
00 
0 
1
5
 0
 54
Hình 4-14 Sự phụ thuộc giữa bán kính mầm bọt khí và mật độ nhiệt 
khi gia công Cu) [8] 
 1 - ∆T = 1 oC 2 - ∆T = 0,5 oC 3 - ∆T = 0,2 oC 
 Tăng mật độ công suất nhiệt và làm giảm thời gian xung làm giảm lớp kim 
loại lỏng có thể đạt trạng thái bốc hơi. 
 Trên đồ thị trên có thể thấy mật độ nhiệt vào khoảng 108 w/cm2 .và thời gian sẽ 
vào khoảng 10-7 sec. 
 Tăng nhiệt độ quá nhiệt lớp kim loại lỏng sẽ làm tăng không chỉ sự phát triển 
mầm bọt khí và có thể làm bắn toé lớp chất lỏng một cách mảnh liệt mà còn làm tăng 
những xung áp lực ứng với các pik của các xung bức xạ. 
Với qo ≈ 106 w/cm2 
 thì δ ≈ 10-2 - 10-3 cm (δ - chiều dày lớp chất lỏng) 
 Với sự bốc hơi nhanh có thể làm cho nhiệt độ bề mặt giảm xuống một cách đột 
biến, dẫn đến áp lực phản lực cũng giảm mạnh , tạo điều kiện cho một vài vị trí nào 
đó có nhiệt độ cao xuyên sâu vào kim loại và tạo nên sự bùng nổ kim loại do nhiệt. 
Lớp kim loại sẽ bị tống ra mãnh liệt khi nhiệt độ đạt giá trị tới hạn. 
 Phá huỷ bề mặt ở đây có thể hiểu : là giá trị nguồn nhiệt để nhiệt độ bề mặt 
kim loại đã đạt đến giá trị Tonc hay T
o
bh sôi ( để bốc hơi ) ở áp suất bình th−ờng. 
 Để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc ta cố thể tính theo mô hình nung nóng vật 
bán vô cùng với nguồn nhiệt có c−ờng độ không đổi. 
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc theo [6] là : 
2/1
)1(
).(
..885,0
i
nc
c
a
T
q τ
λ= 
Thời gian để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc là : 
 55
aq
T
o
nc
m
.
.79,0
2
22 λτ = 
 Bảng 4-5 giá trị mật độ nhiệt tới hạn của một số chất q (1 ) [8] 
Tên kim loại λ a Tnc τi qc(1)
Đơn vị w/(cm.oc) cm2/s oC s w/cm2
Cu 3,89 1,12 1083 10-3 
10-8
1,1.104 
3,5.107
Thép 0,51 0,15 1535 10-3 
10-8
3,5.103 
1,8.105
Ni 0,67 0,18 1453 10-3 
10-8
6,5.103 
2,0.105
Ti 0,15 0,06 1800 10-3 
10-8
3,0.104 
1,0.105
W 
1,69 0,65 3380 10-3 
10-8
2,0.104 
6,2.105
Mo 
1,41 0,55 2600 10-3 
10-8
1,3.103 
4,4.105
Cr 0,70 0,22 1830 10-3 
10-8
7,7.103 
2,7.105
Al 2,09 0,87 660 10-3 
10-8
4,2.103 
1,3.105
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ sôi TB theo [8] là : 
2/1
)2(
).(
.885,0
i
B
c
a
T
q τ
λ= 
 TB - Nhiệt độ sôi τi - Thời gian một xung; 
 qc
(2) - mật độ công suất nhiệt tới hạn để đạt nhiệt độ sôi ; 
 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ bay hơi TBH theo [6] là : 
 qc
(3) = ρ.L. (a/τi)1/2 
 56
 Bảng 4-6 Mật độ nhiệt tới hạn q(3) [8], 
Tên kim loại ρ.L a τi qc(3)
Đơn vị KJ/cm3 cm2/s S w/cm2
Cu 42,88 1,12 10-3 
10-8
1,4.106 
4,6.108
Thép 54,76 0,15 10-3 
10-8
6,7.105 
2,1.108
Ni 55,3 0,18 10-3 
10-8
7,5.105 
2,4.108
Ti 
44,27 0,06 10-3 
10-8
3,4.105 
1,1.108
W 
95,43 0,65 10-3 
10-8
2,4.106 
7,7.108
Mo 69,05 0,55 10-3 
10-8
1,6.106 
5,1.108
Cr 54,17 0,22 10-3 
10-8
8,4.105 
2,5.108
Al 
28,09 0,87 10-3 
10-8
8,6.105 
2,7.108
 Mật độ nhiệt qc
(3) càng cao thì L và a càng cao và thời gian xung càng nhỏ. 
 Đối với phần lớn kim loại thoả mản bất đẳng thức : 
 qc
(1) < qc
(2) < qc
(3) hay (qc
(nc) < qc
(sôi) < qc
(bay hơi) 
 Trong công nghiệp các thiết bị laser để gia công cắt hay khoan khoét lỗ : chân 
kính đồng hồ, khuôn kéo từ kim c−ơng, hay các kim loại cứng và đòi hỏi độ chính 
xác gia công. 
 Đối với vật liệu phi kim loại : 
 Với mật độ nhiệt q > qc
(2) thì vật liệu sẽ nóng chảy hoặc bay hơi. 
 Khi gia công, nhiệt độ trên bề mặt T* phải thoả mản : 
 57
 T* > Tnc ; T* > Tsôi . 
 Khi gia công một phần kim loại lỏng sẽ 
bị đảy khỏi vệt nung nóng chảy d−ới áp lực hơi trong vùng gia công. Một phần lớn 
vẫn bám lại thành lỗ và kết tinh trên thành và d−ới đáy sau tác dụng của xung. Điều 
này xảy ra do mật độ nhiệt bị phân tán khi chùm tia đi sâu vào trong kim loại. Kết 
quả làm giảm tốc độ bay hơi. 
4.7.2 Sơ đồ quá trình hình thành lỗ khi gia công 
Sau khi chùm tia thôi tác dụng
Khi có chùm tia tác dụng 
a/ b/ c/ d/ 
 58
d/ 
a/ b/ 
c/
Kkhi chựm tiađang tỏc dụng 
d/
 Sau khi thụi tỏc dụng của chựm tia 
Hình 4-15 Sơ đồ hình thành lỗ khi gia công [5], [8] 
a/ Khi qo < q min Thì chỉ làm nóng chảy bề mặt kim loại. Đây là quá trình không có 
ảnh h−ởng lớn đến quá trình gia công lỗ hay cắt. 
Khi qo >= q min . Bắt đầu quá trình bay hơi. D−ới áp lực hơi bề mặt kim loại lỏng bắt 
đầu võng xuống . Mật độ nguồn nhiệt càng lớn thì vết lõm càng tăng , sự bay hơi tăng 
mạnh, tạo nên áp lực lớn để chèn , ép kim loại ra khỏi vùng tác dụng thẳng h−ớng của 
chùm tia. Chuyển động của lớp kim loại lỏng này xảy ra một cách từ từ. 
 b/ Kim loại lỏng còn liên kết với nhau do sức căng bề mặt. 
Khi tăng mật độ thì dòng kim loại lỏng bắt đầu chảy rối. một phần giọt kim loại lỏng 
sẽ bị tách ra khỏi liên kết trên, chuyển động theo dọc thành lỗ kim loại và kết quả là 
tạo nên khoảng trống trong kim loại. 
 c/ Với mật độ khoảng 106 - 107 w/cm2 kim loại lỏng không đảy ra hết nên cuối 
cùng vẫn bị kết tinh lại một lớp trên bề mặt. Thời gian một xung ở đây là `10-3 sec với 
chiều dầy kim loại gia công là 0,3 mm. 
 d/ Khi mật độ nhiệt tăng cao q ≈ 5.107 w/cm2, tốc độ dòng kim loại lỏng chảy 
rối tăng lên mãnh liệt và hình thành các tia kim loại lỏng bắn ra ngoài và hình thành lỗ 
hình . 
 Kết quả nghiên cứu cho thấy : 
 S = 0,3 mm τ = 10-5 sec rf = 180 - 200 àm 
 Bán kính tiêu điểm của chùm tia 
 thì d = 10-3 cm ( d - Đ−ờng kính lỗ gia công) 
Nếu tính thời gian bốc hơi theo thuyết lớp đẳng h−ớng dừng thì : 
 S = 0,3 mm τo = h/vo δ - Chiều dày tấm kim loại; 
 vo - Tốc độ phá huỷ vật liệu; cm/sec 
 59
B
o
o L
q
V
.ρ= 
 h = 0,3 mm vo = 10
2 cm/sec 
 qo = 10
6 - 107 w/cm2. Thì : τo = 3.10-4 sec 
 Vì không tính đến điều kiện ảnh h−ởng thực nên khi phá huỷ kim loại thời gian 
thực tế sẽ ít hơn so với tính toán. 
 Từ điều kiện cân bằng giọt kim loại lỏng trong rãnh để tạo nên lỗ ta có bán 
kính lỗ sẽ là : 
 R = - 
3
4
9
16
32p
g
p
pg gρ
σ
ρ+ + . (cm) 
P - áp lực do phản lực của hơi của kim loại gây ra ( KG/cm2) ; 
Với ρ = 10 gam/ cm3; 
Sức căng bề mặt σ = 1.103 Din/cm2 
(1Din = 10-5 Niutơn) 
Thì R = 10-3 cm 
4.7.3 Sơ đồ hình thành mép cắt 
1 2 3
4
5
 60
Hình 4-16 Sơ đồ hình thành và dịch chuyển mép cắt [13] 
4.8 Chế độ cắt một số vật liệu 
Bảng 4-7 Chế độ cắt vật liệu phi kim loại bằng laser - CO2 [6] 
Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt
mm 
Công suất
W 
Vận tốc 
mm/s 
1 Cao su 2.0 100 31.7 
2 Kác tôn 19.4 200 1.6 
3 Nilon 0.76 200 101.6 
4 Da 3.2 200 10.5 
5 Thạch anh 32 500 12.3 
6 Acbo-miăng 10 500 0.83 
7 Sợi 0.45 500 666.6 
8 Vải thuỷ tinh 5.0 800 12.5 
9 Pha nhe ra 6.4 850 90.1 
10 Ke ra mic 65 850 10.0 
11 Plek xi lác 10 900 58.3 
12 Sợi thuỷ tinh 8 2500 16.6 
1- Chùm tia laser 
2- Khí cắt 
3- Vật cắt 
4- Kim loại nóng chảy
5- Xỷ cắt 
 61
13 Thuỷ tinh 32 5000 76.1 
 62