Trong gia công kim loại, máy cắt laser sử dụng chùm tia laser mật độ năng lượng cao để đạt được sự nóng chảy, bay hơi và tách vật liệu. Vị trí tiêu điểm là một trong những thông số quy trình chính trong cắt laser. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố năng lượng, hình thái vũng nóng chảy, chất lượng khe cắt và độ ổn định cắt. Kiểm soát thích hợp vị trí tiêu điểm là điều kiện tiên quyết quan trọng để có được kết quả cắt chất lượng cao.
I. Định nghĩa cơ bản về vị trí tiêu điểm cắt laser
Vị trí tiêu điểm trong cắt laser đề cập đến điểm mà chùm tia laser được hội tụ bởi đầu cắt để đạt được đường kính điểm nhỏ nhất và mật độ năng lượng cao nhất. Lấy bề mặt phôi làm điểm tham chiếu không, vị trí tiêu điểm có thể được chia thành ba trạng thái:
Tiêu điểm dương (tiêu điểm nằm trên bề mặt phôi)
Tiêu điểm không (tiêu điểm nằm trên bề mặt phôi)
Tiêu điểm âm (tiêu điểm nằm bên trong vật liệu phôi)
Các vị trí tiêu điểm khác nhau làm thay đổi cách năng lượng laser kết hợp với vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến quá trình cắt và chất lượng cắt.
II. Ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến sự phân bố năng lượng laser
Chùm tia laser đạt mật độ năng lượng tối đa tại tiêu điểm. Khi chùm tia di chuyển ra khỏi tiêu điểm, đường kính điểm tăng lên và năng lượng trên một đơn vị diện tích giảm đi. Những thay đổi về vị trí tiêu điểm dẫn đến các hiệu ứng sau:
Sự thay đổi về nồng độ năng lượng
Tiêu điểm càng gần bề mặt vật liệu, năng lượng laser càng tập trung, dẫn đến hiệu quả nóng chảy ban đầu cao hơn.
Sự thay đổi về phân bố năng lượng dọc theo chiều dày vật liệu
Trong điều kiện tiêu điểm âm, năng lượng laser tạo thành một vùng tương tác hiệu quả dài hơn bên trong vật liệu, có lợi cho việc cắt tấm dày.
Thay đổi hình thái vũng nóng chảy
Các vị trí tiêu điểm khác nhau ảnh hưởng đến độ sâu, chiều rộng và độ ổn định của vũng nóng chảy, từ đó ảnh hưởng đến hình học khe cắt và chất lượng bề mặt cắt.
III. Ảnh hưởng của các vị trí tiêu điểm khác nhau đến chất lượng cắt
1. Ảnh hưởng của tiêu điểm dương đến chất lượng cắt
Khi tiêu điểm được đặt trên bề mặt phôi, điểm laser trên bề mặt vật liệu tương đối lớn hơn:
Phân bố năng lượng đồng đều hơn ở bề mặt vào cắt
Khe cắt rộng hơn ở bề mặt trên
Sự đẩy kim loại nóng chảy xuống tương đối yếu hơn
Điều kiện này phù hợp với vật liệu mỏng và các ứng dụng có yêu cầu cao hơn về chất lượng bề mặt.
2. Ảnh hưởng của tiêu điểm không đến chất lượng cắt
Khi tiêu điểm nằm trên bề mặt phôi:
Mật độ năng lượng laser đạt mức tối đa
Tốc độ cắt tương đối cao
Chiều rộng khe cắt nhỏ hơn
Độ vuông góc của khe cắt được cải thiện
Tiêu điểm không thường được sử dụng để cắt tốc độ cao các tấm mỏng và trung bình, mang lại sự cân bằng tốt về chất lượng cắt tổng thể.
3. Ảnh hưởng của tiêu điểm âm đến chất lượng cắt
Khi tiêu điểm được đặt bên trong phôi:
Năng lượng laser mở rộng sâu hơn vào vật liệu
Độ sâu vũng nóng chảy tăng lên
Khí hỗ trợ có thể đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi đáy khe cắt hiệu quả hơn
Tiêu điểm âm được ứng dụng rộng rãi trong cắt tấm dày và giúp giảm sự hình thành xỉ đồng thời cải thiện khả năng xuyên thấu hoàn toàn.
IV. Ảnh hưởng của vị trí tiêu điểm đến hình dạng khe cắt và mặt cắt
Vị trí tiêu điểm không đúng cách có thể dẫn đến các vấn đề sau:
Độ côn khe cắt với phần trên rộng hơn và phần dưới hẹp hơn, hoặc ngược lại
Các mẫu sọc không đều trên bề mặt cắt
Tăng xỉ ở cạnh dưới
Cắt không hoàn toàn hoặc gián đoạn cắt
Điều chỉnh tiêu điểm thích hợp giúp cải thiện độ vuông góc của khe cắt, độ nhẵn của mặt cắt và tính nhất quán tổng thể của việc cắt.
V. Hiệu ứng hiệp đồng của vị trí tiêu điểm và khí hỗ trợ
Trong quá trình cắt laser, các loại khí hỗ trợ như oxy, nitơ và không khí tương tác chặt chẽ với vị trí tiêu điểm:
Khi tiêu điểm được đặt cao hơn, khí chủ yếu tác động lên vùng nóng chảy bề mặt
Khi tiêu điểm được đặt thấp hơn, khí hỗ trợ đẩy vật liệu nóng chảy hiệu quả hơn
Vị trí tiêu điểm và chiều cao vòi phun cùng nhau ảnh hưởng đến độ ổn định của dòng khí
Việc điều chỉnh tiêu điểm phải được phối hợp với áp suất khí và đường kính vòi phun.
VI. Các hiệu ứng phổ biến của việc cài đặt vị trí tiêu điểm không đúng cách
Định vị tiêu điểm không chính xác có thể dẫn đến:
Giảm tốc độ cắt
Hiệu quả sử dụng năng lượng laser thấp hơn
Chất lượng cắt không ổn định
Tăng tải nhiệt lên các bộ phận quang học
Do đó, trong các ứng dụng thực tế, vị trí tiêu điểm nên được tối ưu hóa động dựa trên độ dày vật liệu, công suất laser và các thông số quy trình cắt.
VII. Các nguyên tắc chung để điều chỉnh vị trí tiêu điểm trong các ứng dụng thực tế
Các hướng dẫn sau đây thường được áp dụng:
Tiêu điểm không hoặc tiêu điểm dương nhẹ để cắt tấm mỏng
Tiêu điểm âm để cắt tấm dày
Tăng tiêu điểm âm để cắt laser công suất cao
Điều chỉnh tiêu điểm tinh để vật liệu có độ phản xạ cao nhằm cải thiện hiệu quả kết hợp năng lượng
Vị trí tiêu điểm cắt laser là một trong những thông số quy trình quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng cắt. Bằng cách kiểm soát thích hợp vị trí tiêu điểm, sự phân bố năng lượng laser có thể được tối ưu hóa, hiệu quả nóng chảy có thể được cải thiện và hình học khe cắt và độ ổn định cắt có thể được tăng cường. Trong sản xuất thực tế, việc điều chỉnh tiêu điểm chính xác nên được thực hiện theo tính chất vật liệu, thông số thiết bị và yêu cầu quy trình để đạt được hiệu suất cắt ổn định và đáng tin cậy.