Giới thiệu
Trong lĩnh vực xử lý laser, các máy cắt laser đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp do lợi thế của chúng như độ chính xác cao, tốc độ cao và xử lý không tiếp xúc. Tuy nhiên, khi xử lý các vật liệu phản chiếu cao, hiệu ứng cắt của máy cắt laser bị ảnh hưởng đáng kể. Các vật liệu phản chiếu cao, chẳng hạn như đồng, nhôm, vàng, bạc và hợp kim của chúng, đặt ra những thách thức khó khăn trong quá trình cắt laser do độ phản xạ cao của chúng đối với laser và độ dẫn nhiệt tốt. Một cuộc thăm dò chuyên sâu về ảnh hưởng của các vật liệu phản chiếu cao đến hiệu ứng cắt của máy cắt laser có ý nghĩa lớn trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ cắt laser, cải thiện chất lượng và hiệu quả xử lý.
Đặc điểm của vật liệu phản chiếu cao và ảnh hưởng của chúng đối với sự hấp thụ laser
Đặc điểm cơ bản của vật liệu phản chiếu cao
Các vật liệu phản xạ cao thường có điện trở suất thấp, dẫn đến tỷ lệ hấp thụ thấp của laser. Ví dụ, xếp hạng đồng và nhôm trong số các chất dẫn điện hàng đầu giữa các kim loại thông thường. Ở nhiệt độ phòng, tốc độ hấp thụ của đồng đỏ so với laser hồng ngoại là khoảng 5%. Đồng thời, trạng thái bề mặt của vật liệu phản chiếu cao cũng có tác động quan trọng đến sự phản xạ laser. Bề mặt càng bình thường, sự phản chiếu của laser càng mạnh. Ví dụ, khả năng phản xạ của thép không gỉ được chải thông thường tương đối yếu, nhưng khi bề mặt đạt đến hiệu ứng gương, nó sẽ gây ra sự phản xạ rõ ràng trong quá trình xử lý laser. Ngoài ra, tốc độ hấp thụ của vật liệu đối với laser thay đổi theo trạng thái của chúng. Tốc độ hấp thụ của kim loại rắn với laser thường thấp, nhưng nó sẽ tăng đáng kể khi tan chảy vào trạng thái lỏng. Ví dụ, khi đồng đỏ được làm nóng đến gần điểm nóng chảy của nó, tốc độ hấp thụ có thể đạt khoảng 20%.
Đặc điểm hấp thụ của vật liệu phản xạ cao dưới các laser bước sóng khác nhau
Các vật liệu khác nhau có tốc độ hấp thụ khác nhau đáng kể cho ánh sáng của các bước sóng khác nhau. Lấy đồng (Cu) và bạc (AG) làm ví dụ. Đối với laser sợi có bước sóng 1070nm, chúng là các vật liệu phản chiếu cao điển hình, với tốc độ hấp thụ cực thấp, thấp hơn nhiều so với sắt (Fe) và thép (thép). Tuy nhiên, tốc độ hấp thụ của chúng tương đối cao hơn khi tiếp xúc với laser trạng thái rắn. Laser phát ra từ laser CO₂ nằm trong dải hồng ngoại (thường là 10,6um), hoạt động tốt trong nhiều lĩnh vực ứng dụng công nghiệp, nhưng nó không lý tưởng để xử lý các kim loại phản chiếu cao trong các dải đặc biệt. Điều này chỉ ra rằng việc chọn một nguồn laser thích hợp với bước sóng phù hợp là rất quan trọng để tăng sự hấp thụ của các vật liệu phản chiếu cao đối với laser và cải thiện hiệu ứng cắt.
Nhiều ảnh hưởng của vật liệu phản chiếu cao đến hiệu ứng cắt của máy cắt laser
Giảm chất lượng cắt giảm
Các vấn đề về Dross và Burr
Khi cắt các vật liệu phản xạ cao, do sự hấp thụ laser không đủ của các vật liệu, nhiệt được tạo ra trong quá trình cắt không đủ để làm tan chảy hoàn toàn và làm bay hơi các vật liệu, dẫn đến sự hình thành của dòng chảy ở dưới cùng của bề mặt cắt. Đồng thời, các vật liệu tan chảy không hoàn toàn, dưới sự thổi của khí phụ, có thể tạo thành các khối ở cạnh cắt. Ví dụ, khi sử dụng máy cắt laser thông thường để cắt vật liệu đồng, Dross rõ ràng thường được tìm thấy ở dưới cùng của vết cắt, và các khối ở cạnh cắt tương đối thô, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ phẳng và độ mịn của bề mặt cắt.
Chiều rộng cắt không nhất quán
Sự phản xạ và dẫn nhiệt của các vật liệu phản chiếu cao đối với laser làm cho sự phân bố năng lượng laser trên bề mặt vật liệu không đồng đều, do đó dẫn đến chiều rộng cắt không nhất quán. Trong quá trình cắt, các tình huống như phần trên rộng hơn và phần dưới hẹp hơn của việc cắt hoặc thay đổi chiều rộng cục bộ có thể xảy ra. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước cắt mà thậm chí có thể dẫn đến việc loại bỏ các sản phẩm cho một số bộ phận xử lý với các yêu cầu cực kỳ cao cho độ chính xác về chiều.
Sự mở rộng của vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt
Độ dẫn nhiệt tốt của các vật liệu phản xạ cao làm cho nhiệt tạo ra trong quá trình cắt laser lan truyền nhanh chóng đến các khu vực xung quanh, mở rộng phạm vi của vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt. Cấu trúc và tính chất của các vật liệu trong vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt có thể thay đổi, chẳng hạn như giảm độ cứng và sự suy giảm độ dẻo dai. Lấy ví dụ về việc cắt hợp kim nhôm, việc mở rộng vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt có thể dẫn đến sự suy giảm tính chất cơ học của vật liệu, ảnh hưởng đến tuổi thọ của các sản phẩm.
Giảm hiệu quả cắt giảm
Tốc độ sử dụng năng lượng thấp gây ra bởi tốc độ hấp thụ thấp
Tốc độ hấp thụ thấp của các vật liệu phản xạ cao đối với laser có nghĩa là một lượng lớn năng lượng laser được phản ánh và không thể được sử dụng hiệu quả để cắt vật liệu, dẫn đến tốc độ sử dụng năng lượng thấp của máy cắt laser. Để đạt được việc cắt vật liệu, cần phải tăng công suất laser hoặc kéo dài thời gian cắt, chắc chắn làm giảm hiệu quả cắt. Ví dụ, khi cắt các vật liệu đồng và thép có cùng độ dày, công suất laser cần thiết để cắt vật liệu đồng thường cao hơn và tốc độ cắt chậm hơn đáng kể.
Giới hạn tốc độ cắt
Do các vấn đề như thâm nhập không hoàn toàn và hình thành Dross trong quá trình cắt laser các vật liệu phản xạ cao, để đảm bảo chất lượng cắt, tốc độ cắt phải giảm. Tốc độ cắt giảm quá mức không chỉ kéo dài thời gian xử lý của một phôi duy nhất mà còn làm giảm hiệu quả sản xuất tổng thể. Ví dụ, khi cắt các tấm dày của các vật liệu phản chiếu cao, tốc độ cắt có thể chỉ là một phần nhỏ khi cắt các vật liệu kim loại thông thường.
Tăng hao mòn thiết bị
Thiệt hại cho tia laser gây ra bởi ánh sáng phản xạ
Khi laser chiếu xạ bề mặt của các vật liệu phản chiếu cao, hầu hết năng lượng sẽ được phản ánh. Các tia sáng phản xạ này có thể quay trở lại bên trong laser và làm hỏng các thành phần quang học của laser, chẳng hạn như làm hỏng gương của bộ cộng hưởng laser và ảnh hưởng đến hiệu suất của diode laser, do đó rút ngắn tuổi thọ của laser. Trong trường hợp nghiêm trọng, ánh sáng phản xạ thậm chí có thể khiến laser có ánh sáng không ổn định hoặc ngừng phát ra ánh sáng.
Gánh nặng tăng lên hệ thống phụ trợ
Để khắc phục các tác dụng phụ của các vật liệu phản chiếu cao đối với việc cắt laser, thường cần phải tăng tốc độ dòng chảy và áp suất của khí phụ để giúp thổi bay dòng chảy và cải thiện chất lượng cắt. Điều này sẽ làm tăng gánh nặng trên hệ thống khí phụ, tăng chi phí vận hành và tần suất bảo trì của thiết bị. Đồng thời, do lượng nhiệt lớn được tạo ra trong quá trình cắt các vật liệu phản xạ cao, các yêu cầu cao hơn cũng được đưa ra cho hệ thống làm mát của thiết bị. Hoạt động tải cao dài hạn của hệ thống làm mát cũng dễ bị lỗi.
Các chiến lược để đối phó với những thách thức của việc cắt các vật liệu phản chiếu cao
Tối ưu hóa thiết bị laser
Việc áp dụng laser loại mới
Sự phát triển của laser loại mới cho các vật liệu phản chiếu cao là một trong những giải pháp chính cho vấn đề. Ví dụ: bước sóng của laser màu xanh thường dao động từ 400 - 500 nm. So với laser hồng ngoại truyền thống, các vật liệu phản chiếu cao có tốc độ hấp thụ cao hơn đối với ánh sáng xanh. Sê-ri 500W và 1000W sê-ri laser màu xanh lam được ra mắt bởi Viện nghiên cứu đổi mới công nghệ cứng Quảng Đông của Viện Vịnh Greater Guangdong-Hong-Macao hoạt động tốt trong việc hàn, ốp và in 3D các vật liệu phản xạ cao. Trong các kịch bản như hàn pin lithium-ion và xử lý thành phần điện tử đòi hỏi phải xử lý vật liệu đồng, công suất cần thiết cho việc sử dụng laser màu xanh chỉ bằng một phần mười đến một phần năm so với laser hồng ngoại thông thường và "hàn không có spatter". Tốc độ hàn nhanh hơn ít nhất 8 lần so với laser hồng ngoại.
Tối ưu hóa đầu sản lượng sợi
Trong các máy laser sợi, laser được phản xạ gây ra bởi các vật liệu phản xạ cao có khả năng làm hỏng đầu cáp quang đầu ra. Raycus Laser đã áp dụng đầu sản lượng sợi QBH mới, thêm một giai đoạn của thiết bị tước ánh sáng phản xạ trên cơ sở ban đầu, có thể tước hầu hết các tia laser phản xạ ngay từ đầu. Kết hợp với thiết kế tản nhiệt làm mát nước, nó làm giảm tác động nhiệt trên đầu đầu ra cáp quang. Sau các thử nghiệm hàn bề mặt đồng nghiêm ngặt, các thành phần cốt lõi của laser RFL-A1500D được trang bị đầu đầu ra này vẫn có thể duy trì nhiệt độ hoạt động bình thường trong môi trường ánh sáng phản chiếu cao, xác minh hiệu quả hiệu suất của nó.
Điều chỉnh các tham số quy trình
Kiểm soát năng lượng và năng lượng laser
Theo các đặc điểm của vật liệu phản chiếu cao, việc tăng sức mạnh laser một cách thích hợp có thể làm tăng sự hấp thụ vật liệu vào laser và cải thiện hiệu quả cắt. Tuy nhiên, công suất laser quá cao có thể gây ra sự nóng chảy và hơi quá mức của các vật liệu, dẫn đến nhiều hơn và nhiều hơn. Do đó, cần phải kiểm soát chính xác công suất và năng lượng laser để đạt được hiệu ứng cắt tốt nhất trong khi đảm bảo chất lượng cắt. Ví dụ, khi cắt các vật liệu phản chiếu cao có độ dày khác nhau, hãy xác định năng lượng laser và năng lượng xung thích hợp thông qua các thí nghiệm để đạt được chất lượng và hiệu quả cắt tốt.
Tối ưu hóa tốc độ và tần số cắt
Điều chỉnh tốc độ và tần số cắt cũng là một phương tiện quan trọng để cải thiện hiệu ứng cắt của các vật liệu phản xạ cao. Nếu tốc độ cắt quá nhanh, các vật liệu không thể hấp thụ đầy đủ năng lượng laser và các vấn đề như sự thâm nhập không hoàn toàn và sự hình thành dross có thể xảy ra. Nếu tốc độ cắt quá chậm, nó sẽ dẫn đến sự mở rộng của vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt và sự suy giảm chất lượng cắt. Đồng thời, việc điều chỉnh hợp lý tần số xung của laser có thể kiểm soát quá trình nóng chảy và hóa hơi của các vật liệu và giảm sự tạo ra các khối và dross. Trong quá trình xử lý thực tế, cần phải tối ưu hóa sự kết hợp của tốc độ và tần suất cắt thông qua các thí nghiệm theo độ dày, tính chất vật liệu của vật liệu và hiệu suất của thiết bị laser.
Áp dụng các biện pháp phụ trợ
Lựa chọn và kiểm soát khí phụ
Khi cắt các vật liệu phản chiếu cao, việc thêm khí phụ phù hợp có thể cải thiện đáng kể hiệu ứng cắt. Khí phụ phản ứng hóa học với các vật liệu ở nhiệt độ cao. Ví dụ, khi oxy được sử dụng làm khí phụ, nó có thể trải qua một phản ứng hóa học tỏa nhiệt với vật liệu kim loại, đóng vai trò thúc đẩy quá trình đốt cháy và tăng tốc độ cắt. Nitơ có thể, ở một mức độ nhất định, cải thiện chất lượng của bề mặt cắt và ngăn ngừa quá trình oxy hóa. Ngoài ra, khí phụ cũng có thể giúp thổi bay dòng chảy trong khu vực cắt, làm sạch đường cắt và làm mát khu vực gần khe để bảo vệ ống kính lấy nét. Chọn áp suất khí và tốc độ dòng chảy thích hợp là rất quan trọng cho quá trình cắt. Các vật liệu phản chiếu cao và độ dày khác nhau đòi hỏi các thông số khí phụ khác nhau.
Tiền xử lý bề mặt vật liệu
Thực hiện tiền xử lý bề mặt trên các vật liệu phản xạ cao, chẳng hạn như làm cháy cát và gồ ghề, có thể làm giảm độ phản xạ bề mặt của vật liệu và tăng tốc độ hấp thụ của chúng. Thông qua tiền xử lý bề mặt, các cấu trúc Concave-Convex nhỏ được hình thành trên bề mặt vật liệu. Khi tia laser chiếu xạ, ánh sáng được phản xạ và phân tán nhiều lần trong các cấu trúc lõm Concave này, làm tăng cơ hội cho các vật liệu hấp thụ tia laser. Ví dụ, sau khi phun cát tấm nhôm, tốc độ hấp thụ của laser được tăng lên đáng kể và hiệu ứng cắt được cải thiện đáng kể.
Phần kết luận
Do tính chất vật lý độc đáo của chúng, các vật liệu phản chiếu cao có nhiều tác động tiêu cực đến hiệu ứng cắt của máy cắt laser, bao gồm giảm chất lượng cắt, giảm hiệu quả cắt và tăng hao mòn thiết bị. Tuy nhiên, thông qua việc tối ưu hóa các thiết bị laser, chẳng hạn như việc áp dụng laser loại mới và tối ưu hóa đầu sản lượng sợi; Điều chỉnh hợp lý các tham số quy trình, kiểm soát chính xác công suất laser, năng lượng, tốc độ cắt và tần số; Và việc áp dụng các biện pháp phụ trợ hiệu quả, chẳng hạn như chọn khí phụ phù hợp và thực hiện tiền xử lý bề mặt trên vật liệu, có thể khắc phục các vấn đề cắt giảm do vật liệu phản xạ cao ở một mức độ nhất định và đạt được hiệu ứng cắt tương đối lý tưởng.
Với sự phát triển và đổi mới liên tục của công nghệ, người ta tin rằng nhiều đột phá sẽ đạt được trong lĩnh vực cắt laser các vật liệu phản chiếu cao trong tương lai, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của công nghệ cắt laser và thúc đẩy phát triển các ngành công nghiệp liên quan.
-- jack laser rayther sun --