Phương pháp cắt kim loại bằng lazer

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. 

Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia laser.

Nguyên lý cơ bản của quá trình cắt bằng tia laser có thể được tóm tắt như sau:

1. 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.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

Đặc điểm

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 cacbon 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 cccbon. 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.

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.