Công nghệ laser thể rắn

Release Date :19/Th11/20221 Views : 266

Gần đây, nhiều người trong ngành gia công kim loại đã thảo luận về laser trạng thái rắn. Các dịch vụ mới từ các nhà cung cấp thiết bị trong lĩnh vực này đã đặt ra nhiều câu hỏi cho các nhà chế tạo. Laser trạng thái rắn khác với laser thông thường như thế nào? những lợi thế và hạn chế của mỗi là gì? Loại nào phù hợp nhất với hoạt động của tôi?

Bạn có thể đã biết rằng laser trạng thái rắn có thể mang lại hiệu suất cao hơn trong việc cắt kim loại tấm mỏng và ống thành mỏng so với các nguồn laser truyền thống. Chúng cũng có khả năng giảm chi phí vận hành cho các nhà chế tạo. Phải nói rằng, còn nhiều điều để học; cụ thể là điều gì đang thúc đẩy làn sóng công nghệ laser mới này và nó có thể mang lại lợi ích như thế nào cho quy trình sản xuất của bạn?

Khái niệm cơ bản về laser

Bạn nên bắt đầu với những điều cơ bản: Laser trạng thái rắn là gì và điều gì làm cho nó khác với laser CO2 mà các nhà chế tạo đã quen thuộc?

Có nguy cơ đơn giản hóa quá mức các máy laser, mọi công cụ cắt laser đều bao gồm ba thành phần. Đầu tiên là nguồn bơm, cung cấp năng lượng để tạo ra chùm tia laser. Thứ hai là thứ mà các kỹ sư laser gọi là môi trường khuếch đại, là vật liệu cung cấp các photon ánh sáng tạo ra chùm tia laser. Thành phần thứ ba là bộ cộng hưởng quang học, là một tập hợp các gương thẳng hàng phản xạ và khuếch đại các photon, tạo ra chùm ánh sáng có hướng, cường độ cao.

Ánh sáng phát ra từ tia laser khác với ánh sáng phát ra từ một nguồn thông thường như bóng đèn như thế nào? Đầu tiên, ánh sáng thông thường chứa nhiều bước sóng khác nhau, hoặc màu sắc của ánh sáng và các tia truyền đi theo mọi hướng. Một chùm tia laser bao gồm các tia sáng có bước sóng duy nhất và các tia truyền gần như song song với nhau theo cùng một hướng. Tóm lại, ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc và kết hợp.

Đây là một cách nhìn đơn giản về laser, nhưng đủ để hiểu sự khác biệt giữa các loại laser khác nhau.

linh kiện máy laser

Nguồn bơm trong laser CO2 thường là điện áp cao DC hoặc, trong trường hợp laser kích thích bằng RF, sóng vô tuyến. Môi trường khuếch đại là khí CO2, được bơm bằng năng lượng DC hoặc RF này để kích thích nó. Khi các phân tử CO2 đạt đến trạng thái lượng tử đủ cao, do được bổ sung thêm năng lượng bơm này, chúng bắt đầu phát ra các photon ánh sáng. Một tấm gương ở mỗi đầu của bộ cộng hưởng phản chiếu ánh sáng, tạo cho nó cường độ và sự nhất quán.

Các nguyên tắc tương tự áp dụng cho laser trạng thái rắn, nhưng các chi tiết cụ thể thay đổi một chút. Trong laser trạng thái rắn, năng lượng bơm thực sự là ánh sáng: Các laser diode công suất thấp, hoạt động bằng cách chuyển đổi dòng điện thành ánh sáng, được xếp chồng lên nhau thành nhóm để cung cấp năng lượng cho quá trình phát laser. Thay vì khí CO2, môi trường thu được là một vật liệu rắn (do đó có thuật ngữ trạng thái rắn), thường là một tinh thể của garnet yttri nhôm (YAG) được pha tạp hoặc phủ một vật liệu hoạt tính, thường là các nguyên tố neodymium (Nd:YAG) hoặc ytterbi (Yb:YAG).

Điều đáng chú ý ở điểm này là những tia laser trạng thái rắn này không phải là mới. Tia laser đầu tiên được trình diễn trong phòng thí nghiệm vào năm 1960 đã sử dụng môi trường khuếch đại ở trạng thái rắn, một tinh thể hồng ngọc có dạng hình que.

Các nguồn máy bơm có sẵn vào thời điểm đó không tiên tiến lắm. Các tia laser ban đầu bị giới hạn trong việc tạo ra những tia sáng ngắn. Chúng không có ứng dụng thực tế nào cho đến khi chúng có thể tạo ra các sóng ánh sáng liên tục, nhanh chóng theo sau. Trong các ứng dụng công nghiệp, các nguồn laser trạng thái rắn từ lâu đã là nền tảng chính của hàn laser rô-bốt và cắt laser 3-D.

Hình 1: Laser CO2 và laser thể rắn vượt trội ở các vết cắt phức tạp và không đều, và cả hai loại đều phù hợp với nhiều hợp kim. Tuy nhiên, hai loại laser tạo ra chùm tia laser ở hai tần số khác nhau và phương pháp phân phối chùm tia cũng khác nhau. Cáp quang của laser trạng thái rắn cho phép đầu cắt di chuyển tự do hơn so với gương của laser CO2. Cả hai loại đều có khả năng cắt các tính năng phức tạp thành các thành phần hình ống, nhưng chúng thực hiện theo những cách khác nhau.

Bước sóng ánh sáng laser, hệ thống phân phối chùm tia, khả năng cắt

Sự khác biệt chính giữa laser khí và laser trạng thái rắn là tần số ánh sáng mà chúng tạo ra.

Laser CO2 tạo ra ánh sáng có bước sóng xấp xỉ 10,6 micron (µm), đặt nó vào phổ hồng ngoại giữa của bức xạ điện từ. Laser trạng thái rắn tạo ra ánh sáng ở tần số cao hơn nhiều. Bước sóng xấp xỉ 1µm, đặt nó trong quang phổ cận hồng ngoại. Sự khác biệt trong cách các bước sóng ánh sáng này tương tác với vật chất dẫn đến sự khác biệt lớn trong cách chùm tia hướng tới đầu cắt và cách chùm tia cắt vật liệu.

Giao chùm tia. Con đường truyền ánh sáng hồng ngoại của tia laser CO2 tới khu vực cắt thường là một ống thổi được điều áp bằng khí nén hoặc khí nitơ để tránh bụi hoặc hạt, cũng như một bộ gương hướng ánh sáng tới đầu cắt. Ánh sáng cận hồng ngoại do laser trạng thái rắn tạo ra có thể được truyền và định hướng bằng cáp quang linh hoạt. Cáp này có thể uốn cong theo chuyển động của rô-bốt trong không gian ba chiều, đó là lý do tại sao thiết bị khớp nối trong không gian 3-D sử dụng nguồn laser này—việc tạo ra loại đường cắt này với các gương phản chiếu ở các vị trí cố định là không thực tế (xem Hình 1 ) .

Khả năng cắt. Điều này dẫn đến một câu hỏi cuối cùng: Nếu laser trạng thái rắn có lợi thế rõ ràng về mặt phân phối chùm tia, tại sao nó không được sử dụng để cắt laser từ lâu? Hai lý do liên quan đến những hạn chế của công nghệ đèn flash và đặc tính của ánh sáng cận hồng ngoại.

Đầu tiên, đèn flash thường được sử dụng để bơm các tia laser này không hiệu quả lắm. Chúng tiêu thụ nhiều điện năng và tuổi thọ ngắn nên cần phải thay thế thường xuyên. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ nguồn bơm đã dẫn đến việc thay thế đèn flash bằng laser diode, loại đèn này có mức tiêu thụ điện năng thấp và tuổi thọ dài.

Lý do khác liên quan đến cách ánh sáng laser tương tác với kim loại mà nó dự định cắt. Tỷ lệ hấp thụ năng lượng cận hồng ngoại của một miếng thép cao hơn so với năng lượng hồng ngoại trung bình. Điều này có nghĩa là thép tan chảy nhanh hơn dưới loại ánh sáng laser này. Bởi vì quy trình cắt laser dựa vào việc sử dụng năng lượng ánh sáng để làm nóng chảy vật liệu và khí hỗ trợ để thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi vết cắt, khả năng nóng chảy nhanh hơn đồng nghĩa với tốc độ cắt nhanh hơn.

Tuy nhiên, khả năng của chùm tia cận hồng ngoại giảm đi nhanh chóng khi độ dày vật liệu tăng lên. Để xác định nguồn laser có năng suất cao nhất, cần phải đánh giá từng ứng dụng riêng lẻ (xem Hình 2).

Tóm lại, ưu điểm của laser CO2 là nó rất linh hoạt; nó rất phù hợp để cắt nhiều độ dày. Để xử lý kim loại tấm mỏng hoặc hình ống có thành mỏng, laser trạng thái rắn nhanh hơn.

Đưa ra lựa chọn

Tất cả điều này có ý nghĩa gì đối với người chế tạo trung bình? Nếu trọng tâm của bạn là xử lý vật liệu kim loại tấm mỏng, cho dù là tấm phẳng, ống, ống dẫn hoặc thanh định hình, thì laser trạng thái rắn có khả năng cải thiện thời gian xử lý của bạn và giảm độ phức tạp của máy công cụ, cả hai đều dẫn đến chi phí trên mỗi bộ phận thấp hơn . Nó cũng cho thấy sau 50 năm phát triển và đổi mới, tia laser với tư cách là một công cụ sản xuất tiếp tục phát triển và mở ra những con đường mới mang lại lợi nhuận.

Hình 2: Tốc độ cắt phụ thuộc vào một số biến số; ba điều quan trọng nhất là loại vật liệu, độ dày vật liệu và khí hỗ trợ.

Công Ty Cổ Phần Thiết Bị và Giải Pháp Cơ Khí Automech – nhà cung cấp các dòng máy gia công kim loại tấm, hàn laser, giải pháp tự động từ những nhà cung cấp nổi tiếng JFY – member of TRUMPF group, Han’s laser, EKO, Yadon,…. Automech đã hợp tác với nhiều đối tác thương mại lớn ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ nhu cầu sản xuất đa dạng. Hệ sinh thái sản phẩm đa dạng cùng mức giá hợp lí là điểm cộng to lớn giúp Automech ngày càng chiếm được lòng tin của khách hàng.

Thông tin về sản phẩm vui lòng liên hệ

Hotline:0987.899.347 – Mr.Toàn

Email:info@automech.vn

Hotline Zalo Messenger Up