Cắt kim loại bằng tia laser

Phần lớn các máy cắt laser trên thị trường hiện nay đều sử dụng laser CO2 hoặc laser Nd:YAG với nguyên lý tương tự nhau.
Nguyên lý cắt
Phần lớn các máy cắt laser trên thị trường hiện nay đều sử dụng laser CO2 hoặc laser Nd:YAG với nguyên lý tương tự nhau. Nguyên lý cơ bản của quá trình cắt bằng tia laser có thể được tóm tắt như sau:

• Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung lên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính.
• Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm).
• Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.
• Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo một quỹ đạo và sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hoặc chuyển động cơ khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Cũng có máy thiết kế cả hai loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương còn lại. Các hệ thống tự động hóa hoàn toàn cho phép cắt được các hình dáng 3D.

Cắt kim loại
Laser có thể cắt một dải rộng các loại vật liệu nhưng phần lớn các hệ thống cắt laser thương mại hiện nay được thực hiện với kim loại. Cắt kim loại bằng laser đòi hỏi chùm laser mật độ năng lượng cao truyền năng lượng vào vùng cắt nhanh hơn lượng nhiệt truyền ra ngoài. Kèm theo đó là dòng khí hỗ trợ sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vùng cắt.

Thép các bon là loại vật liệu kim loại dễ cắt nhất bằng laser. Các loại thép hợp kim thấp như AISI 4140, 8620,… có điều kiện cắt tương tự như thép các bon. Hàm lượng hợp kim trong thép tăng thì quá trình cắt trở nên khó khăn hơn. Với thép dụng cụ có hàm lượng vonfram cao thì tốc độ cắt rất chậm và có xỉ.

Bảng 1. Các tốc độ cắt kim loại không chứa sắt của laser CO2 và Nd:YAG


Nhôm rất khó cắt bằng laser vì nhôm làm phản xạ một lượng lớn tia laser và lượng nhiệt truyền vào chi tiết lớn và nhanh. Nếu điều chỉnh tiêu cự tia laser không đúng thì có thể chùm tia bị phản xạ trở lại hệ thống phun gây hư hỏng các bộ phận quang học. Trong khi đó đồng nguyên chất còn khó gia công hơn so với nhôm.
Các hợp kim đồng cũng có những ứng xử tương tự như nhôm. Các hợp kim nền co-ban có độ cứng rất cao, có tính chịu nhiệt cao và tính chống mài mòn tốt. Tuy vậy chúng lại rất dễ cắt bằng laser. Tuy nhiên cần phải xem xét các vết nứt tế vi sinh ra trên bề mặt chi tiết khi cắt bằng laser.

Titan và hợp kim của nó có phản ứng với ôxy và nitơ để tạo thành các thành phần giòn trên cạnh cắt. Điều kiện này nói chung là không thể chấp nhận được đối với các chi tiết trong hàng không và y học làm bằng ti tan. Nếu cần thiết thì có thể dùng các loại khí trơ như argon để có vết cắt chất lượng tốt hơn.

Dòng khí nén thổi vào thường là ôxy. Nhờ dòng khí này mà hệ số phản xạ của bề mặt kim loại giảm xuống. Hơn nữa, khi bề mặt đạt đến trạng thái nhiệt độ cao, ôxy sinh ra phản ứng tỏa nhiệt, thúc đẩy quá trình cắt. Khí nén thổi phần kim loại đã bốc hơi.. Để cho quá trình cắt gọt đạt hiệu quả cao thì dòng khí thổi vào phải tạo thành dòng lên khu vực gia công với kích thước lớn hơn vết chùm tia laser một ít. Dòng oxy áp suất thấp tạo ra phản ứng tự cháy gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng vết cắt.

Trong một số trường hợp, tùy thuộc vào vật liệu chi tiết gia công mà người ta sử dụng khí trơ thay cho ôxy. Khí này không tạo phản ứng cháy để gia nhiệt cho cho quá trình nhưng vẫn có các chức năng như đã đề cập ở trên. Thông thường người ta sử dụng ôxy, nitơ, argon để cắt tấm mỏng. Dùng khí heli để cắt titan, khí trơ áp suất cao để cắt thép không gỉ và nhôm.

Bề rộng của vết cắt, chất lượng của cạnh cắt, các phụ phẩm (như xỉ) tập trung phụ thuộc vào sự lựa chọn tia, chất lượng tia, năng lượng phân bố và kiểu di chuyển khi gia công (tia di chuyển, phôi di chuyển, hay kết hợp sự di chuyển của cả hai). Một điều dễ thấy là độ sâu cắt tỉ lệ thuận với năng lượng cắt và tỉ lệ nghịch với tốc độ cắt. Như vậy năng lượng cắt gấp đôi sẽ tạo ra chiều sâu cắt gấp đôi. Do vậy bề dày cắt lớn nhất là hàm của năng lượng cắt, tốc độ cắt và yêu cầu của chất lượng cắt. Hiện nay bề dày 25 mm được xem là bề dày lớn nhất của các loại thép hợp kim mà người ta có thể cắt được. Khoảng bề dày cắt có hiệu quả kinh tế cao nhất lên tới 12,5 mm. Các kim loại phản xạ ánh sáng laser với phần trăm gia tăng tương ứng khi bước sóng của tia tăng với mật độ năng lượng cao được tạo bởi các tia laser CO2 năng lượng cao sẽ khắc phục được những ảnh hưởng của phản xạ này. Các tia laser bước sóng ngắn hơn như Nd: YAG sẽ không phải chịu những ảnh hưởng này do bước sóng ngắn nên phần lớn năng lượng của chúng bị hấp thụ.

Khi cắt bằng laser, một thông số quan trọng là bề rộng vết cắt thông thường bằng hoặc lớn hơn tia laser một chút, nên việc điều khiển tia laser rất quan trọng. Bề rộng đường cắt là hàm số của các yếu tố như chất lượng tia, tiêu điểm, vị trí tiêu điểm, áp suất khí đến không gian và tốc độ cắt. Bề rộng vết cắt điển hình là 0,2mm trong khi đó cắt bằng oxy-axêtylen là 3mm.

Ứng với các chiều dày khác nhau thì cắt với tốc độ khác nhau. Tùy theo chiều dày mà khoảng cách tập trung của tia laser phải được điều chỉnh để đạt hiệu suất cao nhất.

Cắt phi kim
Các loại vật liệu vô cơ phi kim loại có áp suất bay hơi thấp và tính dẫn nhiệt kém. Bên cạnh đó chúng còn có tính chất hấp thu ánh sáng mạnh. Những tính chất này tưởng như là những điều kiện tốt cho cắt bằng laser nhưng thực ra một số vật liệu vô cơ như gốm, thủy tinh lại có điểm nóng chảy rất cao và tính kháng nhiệt kém nên cắt chúng bằng laser lại khó hơn so với cắt kim loại.

Bảng 2 Tốc độ cắt vật liệu phi kim loại của laser CO2.


Khi chịu tác động nhiệt của tia laser, giấy, gỗ và các vật liệu xenlulô phải trải qua một quá trình bốc hơi được gây ra bởi sự cháy. Tốc độ cắt phụ thuộc vào năng lượng laser, bề dày vật liệu, các thành phần khí, nước trong vật liệu. Các vật liệu polyme nhiệt dẻo được cắt bởi sự nóng chảy và áp lực đẩy các vật liệu nóng chảy ra khỏi vùng cắt. Tốc độ cắt cũng phụ thuộc vào năng lượng laser, bề dày vật liệu, áp suất khí được dùng để thổi.

Các polyme có thể được cắt bằng sự đốt cháy hay phân rã hoá học bao gồm các chất nhiệt dẻo chịu nhiệt, êpoxi, phenol...Tốc độ cắt được quyết định bởi năng lượng laser. Tốc độ cắt cho các loại chịu nhiệt cao hơn so với các loại polyme khác do sự thay đổi pha để bốc hơi.

Các vật liệu composit có thể dễ dàng cắt, nhưng vết cắt tạo ra có chất lượng cao hay không còn phụ thuộc vào tính nhạy về nhiệt của loại vật liệu kết hợp. Nói chung, thực nghiệm cho thấy việc cắt vật liệu composit bằng quá trình cắt khác có dòng chất lỏng áp suất cao có hiệu quả hơn là cắt bằng laser.

Các quá trình cắt phi kim bằng laser chỉ đòi hỏi một năng lượng vừa phải. Vì thế giới hạn duy nhất đến chiều sâu cắt là yêu cầu chất lượng của vết cắt. Trong thực tế, phần lớn các ứng dụng cắt bằng laser dùng cho vật liệu có bề dày bé hơn 12 mm.

Vật liệu gốm được cắt bằng phương pháp thông thường bằng cưa kim cương. Mặc dù chất lượng bề mặt vết cắt cao nhưng tốc độ cắt rất thấp, điển hình khoảng 20mm/ ph. Cắt bằng tia laser cho phép đạt tốc độ cắt đến 1.200mm/ph mà chất lượng vết cắt vẫn đảm bảo.