Tìm hiểu về nguồn laser CO2 - So sánh với nguồn laser fiber

Nguồn laser CO2 – một trong những công nghệ laser lâu đời nhưng vẫn giữ vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong hệ thống máy cắt CNC. Bài viết này, VNTECH sẽ đi sâu vào cấu tạo, ưu nhược điểm và các ứng dụng của nguồn laser CO2. Đồng thời so sánh nó với nguồn laser Fiber hiện đại để làm rõ hơn về vị thế và tiềm năng của loại laser khí này.

Nội dung bài viết

1 Nguồn laser CO2 là gì?
2 Ưu điểm của nguồn Laser CO2
3 Nhược điểm của nguồn Laser CO2
4 Ứng dụng của nguồn Laser CO2
5 So sánh nguồn Laser CO2 với Nguồn Laser Fiber

Nguồn laser CO2 là gì?

Nguồn Laser CO2 viết tắt của Carbon Dioxide Laser, là một trong những loại laser khí đầu tiên được phát triển và vẫn giữ vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Điểm đặc biệt của loại laser này nằm ở môi trường hoạt chất: khí carbon dioxide (CO2).

Nguyên lý hoạt động của laser CO2

Nguyên lý hoạt động của laser CO2 dựa trên sự kích thích các phân tử khí CO2 để tạo ra ánh sáng laser. Quá trình này diễn ra như sau:

1/ Chuẩn bị môi trường hoạt chất:

– Một hỗn hợp khí bao gồm CO2, nitơ (N2) và heli (He) được đưa vào một ống phóng điện.

– Tỷ lệ pha trộn các khí này được kiểm soát chặt chẽ để tối ưu hóa hiệu suất của laser.

2/ Kích thích bằng điện:

– Một dòng điện cao áp được truyền qua ống phóng điện.

– Năng lượng điện này kích thích các phân tử N2, khiến chúng chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn.

3/ Truyền năng lượng:

– Các phân tử N2 ở trạng thái năng lượng cao va chạm với các phân tử CO2, truyền năng lượng cho chúng.

– Điều này khiến các phân tử CO2 cũng chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn.

4/ Phát xạ kích thích:

– Khi các phân tử CO2 ở trạng thái năng lượng cao trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, chúng phát ra photon (hạt ánh sáng).

– Các photon này có cùng bước sóng và pha, tạo ra ánh sáng kết hợp.

5/ Khuếch đại ánh sáng:

– Các photon này tiếp tục va chạm với các phân tử CO2 khác, kích thích chúng phát ra thêm photon.

– Quá trình này diễn ra liên tục, khuếch đại ánh sáng trong ống phóng điện.

6/ Tạo chùm tia laser:

– Hai gương được đặt ở hai đầu ống phóng điện, một gương phản xạ toàn phần và một gương bán mạ (chỉ phản xạ một phần ánh sáng).

– Ánh sáng được khuếch đại liên tục giữa hai gương, tạo thành một chùm tia laser mạnh.

– Chùm tia này sau đó được truyền ra khỏi ống phóng điện qua gương bán mạ.

*Khí heli trong hỗn hợp có vai trò quan trọng trong việc làm mát ống phóng điện và ổn định quá trình phát xạ laser.

>>> Xem thêm: Máy cắt laser CO2 là gì? Ưu điểm và ứng dụng của máy cắt CO2

Cấu tạo của nguồn laser CO2

Một nguồn laser CO2 điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

1/ Ống phóng điện thường được làm bằng thủy tinh hoặc kim loại và có chiều dài từ vài mét đến hàng chục mét, tùy thuộc vào công suất của laser.

– Bên trong ống là hỗn hợp khí CO2, N2 và He.

– Các điện cực được đặt ở hai đầu ống để truyền dòng điện cao áp.

2/ Hệ thống gương: Hệ thống gương có vai trò quan trọng trong việc định hướng, khuếch đại và tạo ra chùm tia laser. Nó bao gồm:

– Gương phản xạ toàn phần: Được đặt ở một đầu của ống phóng điện, gương này phản xạ toàn bộ ánh sáng trở lại vào ống.

– Gương bán mạ: Được đặt ở đầu kia của ống phóng điện, gương này phản xạ một phần ánh sáng trở lại vào ống và cho phép một phần ánh sáng thoát ra ngoài, tạo thành chùm tia laser.

– Các gương phụ trợ: Các gương này được sử dụng để điều chỉnh hướng đi và kích thước của chùm tia laser.

3/ Nguồn điện cao áp: Nguồn điện này cung cấp năng lượng cho quá trình kích thích các phân tử khí trong ống phóng điện.

– Nó thường có điện áp rất cao (vài kilovolt) và dòng điện lớn.

4/ Hệ thống làm mát: Quá trình phát xạ laser tạo ra nhiệt lượng lớn, cần được tản ra để bảo vệ các thành phần của laser và duy trì hoạt động ổn định.

– Hệ thống làm mát thường sử dụng nước hoặc không khí để làm mát ống phóng điện và các gương.

Ngoài ra, một nguồn laser CO2 có thể bao gồm các thành phần khác như: hệ thống điều khiển khí, hệ thống điều khiển công suất và hệ thống điều khiển chùm tia.

>>> Xem thêm các máy cắt laser:

Máy cắt sắt laser CNC giá rẻ
Máy cắt ống laser tự động
Máy cắt laser nhôm tấm CNC
Máy cắt laser inox CNC

Bước sóng và đặc tính chùm tia Laser CO2

Bước sóng là một trong những đặc tính quan trọng nhất của chùm tia laser, nó quyết định khả năng tương tác của laser với các vật liệu khác nhau. Laser CO2 phát ra ánh sáng hồng ngoại xa với bước sóng khoảng 10.6 micromet.

Bước sóng này có những đặc tính sau:

– Tương tác mạnh với phi kim loại: Bước sóng 10.6 micromet được hấp thụ tốt bởi nhiều vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, cao su, vải và da.

=> Điều này làm cho laser CO2 trở nên lý tưởng cho các ứng dụng cắt, khắc và gia công các vật liệu này.

– Tương tác với kim loại: Bước sóng này cũng có thể tương tác với kim loại, nhưng hiệu quả thường thấp hơn so với các loại laser khác, đặc biệt là với các kim loại có tính phản xạ cao.

Ngoài bước sóng, chùm tia laser CO2 còn có các đặc tính khác có thể được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng khác nhau:

– Công suất: Công suất của chùm tia laser có thể được điều chỉnh để thay đổi tốc độ cắt, độ sâu khắc hoặc hiệu quả gia công bề mặt.

– Chế độ hoạt động: Laser CO2 có thể hoạt động ở chế độ liên tục (CW – Continuous Wave) hoặc chế độ xung (Pulsed).

+ Chế độ liên tục tạo ra chùm tia laser ổn định, phù hợp cho các ứng dụng cắt và hàn.

+ Chế độ xung tạo ra các xung laser ngắn và mạnh, phù hợp cho các ứng dụng khắc và gia công bề mặt.

– Đường kính chùm tia: Đường kính của chùm tia laser có thể được điều chỉnh để thay đổi kích thước của điểm cắt hoặc điểm khắc.

– Phân bố năng lượng: Phân bố năng lượng trong chùm tia laser cũng có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình gia công.

Ưu điểm của nguồn Laser CO2

1/ Khả năng cắt vật liệu phi kim loại tốt

Một trong những ưu điểm lớn nhất của laser CO2 là khả năng cắt tuyệt vời các vật liệu phi kim loại. Bước sóng 10.6 micromet của laser CO2 được hấp thụ mạnh mẽ bởi nhiều loại vật liệu này, cho phép cắt nhanh chóng, sạch sẽ và chính xác.

– Cắt Gỗ: Laser CO2 có thể cắt gỗ với nhiều độ dày khác nhau, từ gỗ mỏng đến gỗ dày. Nó tạo ra các cạnh cắt mịn và ít bị cháy xém. Laser CO2 được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đồ gỗ, đồ trang trí và các sản phẩm thủ công mỹ nghệ.

– Cắt Nhựa: Laser CO2 có thể cắt nhiều loại nhựa khác nhau, bao gồm acrylic, PVC, PET và polypropylen.

+ Nó tạo ra các đường cắt sạch và không làm chảy nhựa. Laser CO2 được sử dụng trong sản xuất biển quảng cáo, sản phẩm nhựa và các ứng dụng công nghiệp khác.

– Cắt Cao su: Laser CO2 có thể cắt cao su với độ chính xác cao, tạo ra các sản phẩm cao su phức tạp.

+ Nó được sử dụng trong sản xuất gioăng, phớt và các sản phẩm cao su kỹ thuật khác.

– Cắt Vải: Laser CO2 có thể cắt vải với nhiều kiểu dáng khác nhau, tạo ra các sản phẩm thời trang và trang trí.

+ Nó được sử dụng trong ngành may mặc và sản xuất đồ trang trí nội thất.

– Cắt Da: Laser CO2 có thể cắt da với độ chính xác cao, tạo ra các sản phẩm da sang trọng.

+ Nó được sử dụng trong sản xuất giày dép, túi xách và các sản phẩm da cao cấp khác.

Hiệu quả cắt của laser CO2 trên các vật liệu phi kim loại là do cơ chế hấp thụ năng lượng. Các phân tử trong các vật liệu này rung động mạnh mẽ khi hấp thụ ánh sáng hồng ngoại xa, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng và làm cho vật liệu bị cắt.

2/ Khả năng cắt vật liệu dày

Mặc dù nguồn laser Fiber đã trở nên phổ biến trong cắt kim loại tấm, laser CO2 vẫn có lợi thế trong việc cắt một số vật liệu kim loại dày. Với công suất đủ lớn, laser CO2 có thể cắt thép carbon và inox với độ dày lớn hơn so với laser Fiber.

Lý do cho điều này là cơ chế hấp thụ năng lượng khác nhau. Bước sóng dài của laser CO2 được hấp thụ tốt hơn bởi các kim loại có độ dày lớn, cho phép năng lượng laser xuyên sâu hơn vào vật liệu và làm nóng chảy nó hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hiệu quả cắt của laser CO2 trên kim loại phụ thuộc nhiều vào loại kim loại, độ tinh khiết và các thông số cắt.

>>> Xem thêm các nguồn laser khác:

3/ Chi phí đầu tư thấp

Trong một số trường hợp, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống nguồn laser CO2 có thể thấp hơn so với hệ thống laser Fiber có cùng công suất. Điều này có thể làm cho laser CO2 trở thành một lựa chọn kinh tế hơn cho các doanh nghiệp có ngân sách hạn chế.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chi phí đầu tư ban đầu chỉ là một phần của tổng chi phí sở hữu. Các chi phí vận hành và bảo trì cũng cần được xem xét.

>>> Xem thêm: Tại Sao Nên Chọn Máy Cắt Fiber Laser? So sánh với máy cắt CO2

Nhược điểm của nguồn Laser CO2

1/ Hiệu suất tiêu thụ điện năng lớn

Một trong những nhược điểm chính của nguồn laser CO2 là việc tiêu thụ nhiều điện năng hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng laser.

– Hiệu suất năng lượng của laser CO2 thường dao động từ 5% đến 15%

– Laser Fiber có thể đạt hiệu suất từ 25% đến 30% hoặc cao hơn.

Sự khác biệt này có thể dẫn đến chi phí vận hành cao hơn đáng kể, đặc biệt là trong các ứng dụng sử dụng nhiều năng lượng.

2/ Chất lượng chùm tia không tốt

Chất lượng chùm tia của nguồn laser CO2 thường không tốt bằng laser Fiber.

– Chùm tia laser CO2 có xu hướng phân kỳ nhiều hơn, dẫn đến đường kính điểm cắt lớn hơn và đường cắt rộng hơn.

=> Điều này có thể làm giảm độ chính xác của quá trình cắt, đặc biệt là khi cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp.

– Nó cũng có thể làm tăng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ – Heat Affected Zone), là vùng vật liệu xung quanh đường cắt bị thay đổi tính chất do nhiệt độ cao.

=> HAZ lớn hơn có thể dẫn đến biến dạng vật liệu và giảm độ bền của mối hàn.

3/ Khả năng cắt nhôm, đồng, inox kém

Nguồn Laser CO2 gặp khó khăn trong việc cắt các kim loại có tính phản xạ cao như: nhôm, đồng và đồng thau. Điều này là do phần lớn năng lượng laser bị phản xạ lại khỏi bề mặt vật liệu, không đủ để làm nóng chảy và cắt nó hiệu quả.

– Để cắt các vật liệu này bằng laser CO2, cần sử dụng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như phủ một lớp hấp thụ lên bề mặt vật liệu hoặc sử dụng các thông số cắt đặc biệt.

– Tuy nhiên, ngay cả với các biện pháp này, chất lượng cắt và tốc độ cắt vẫn có thể bị giảm.

>>> Xem thêm: Hướng dẫn sử dụng phần mềm cắt laser Cypcut

4/ Cần bảo trì thường xuyên

Hệ thống nguồn laser CO2 đòi hỏi bảo trì thường xuyên hơn so với laser Fiber.

– Các gương trong hệ thống quang học cần được làm sạch và căn chỉnh định kỳ để đảm bảo chất lượng chùm tia và hiệu suất cắt.

– Ống phóng điện cũng có tuổi thọ giới hạn và cần được thay thế sau một thời gian sử dụng.

– Việc bảo trì hệ thống laser CO2 có thể tốn thời gian và chi phí, làm tăng chi phí vận hành tổng thể.

5/ Kích thước cồng kềnh

Hệ thống laser CO2 thường có kích thước lớn hơn so với hệ thống laser Fiber có cùng công suất. Điều này có thể gây khó khăn trong việc tích hợp hệ thống laser CO2 vào một số máy móc và có thể yêu cầu không gian làm việc lớn hơn.

Ứng dụng của nguồn Laser CO2

Nguồn laser CO2 cho phép:

– Cắt nhanh chóng, sạch sẽ và chính xác các vật liệu: gỗ, nhựa, vải, da, giấy,…

– Được sử dụng cắt thép carbon và inox có độ dày trung bình đến lớn.

– Được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng khắc laser trên nhiều loại vật liệu khác nhau.

So sánh nguồn Laser CO2 với Nguồn Laser Fiber

1/ So sánh về bước sóng

Bước sóng là một trong những khác biệt cơ bản nhất giữa laser CO2 và laser Fiber.

– Laser CO2 phát ra ánh sáng hồng ngoại xa với bước sóng 10.6 micromet.

– Khi laser Fiber phát ra ánh sáng hồng ngoại gần với bước sóng khoảng 1 micromet.

Sự khác biệt về bước sóng này dẫn đến những khác biệt quan trọng trong cách 2 loại laser tương tác với các vật liệu khác nhau.

– Khả năng hấp thụ:

+ Vật liệu phi kim loại (như gỗ, nhựa, vải) thường hấp thụ tốt năng lượng từ tia laser CO2.

+ Kim loại tấm, đặc biệt là các loại có tính phản xạ cao (như nhôm, đồng), hấp thụ năng lượng từ tia laser Fiber hiệu quả hơn.

– Độ chính xác và chất lượng cắt:

+ Bước sóng ngắn của laser Fiber thường cho đường cắt hẹp hơn và chính xác hơn.

+ Bước sóng dài của laser CO2 có thể tạo ra đường cắt rộng hơn và vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn.

>>> Xem thêm: Nguồn cắt plasma hypertherm là gì

2/ So sánh về độ tiết kiệm năng lượng

Nguồn Laser Fiber có hiệu suất năng lượng cao hơn đáng kể so với laser CO2.

=> Điều này có nghĩa là laser Fiber chuyển đổi một lượng lớn hơn năng lượng điện thành năng lượng laser, giúp giảm chi phí vận hành và tiết kiệm điện năng.

– Hiệu suất năng lượng của laser Fiber thường dao động từ 25% đến 30% hoặc cao hơn.

– Nguồn laser CO2 thường có hiệu suất từ 5% đến 15%.

3/ So sánh về độ chính xác

– Laser Fiber thường tạo ra chùm tia laser có chất lượng tốt hơn so với laser CO2.

+ Chùm tia laser Fiber có đường kính nhỏ hơn và độ phân kỳ thấp hơn.

=> Dẫn đến đường cắt hẹp hơn và độ chính xác cao hơn.

– Điều này làm cho laser Fiber trở nên lý tưởng cho việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp, cũng như cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

4/ So sánh về tốc độ cắt

Laser Fiber thường có tốc độ cắt nhanh hơn so với laser CO2, đặc biệt là khi cắt kim loại tấm mỏng và trung bình.

=> Điều này là do laser Fiber có mật độ năng lượng cao hơn tại điểm cắt, cho phép làm nóng chảy và cắt vật liệu nhanh hơn.

5/ Khả năng cắt vật liệu

Laser CO2 và laser Fiber có những thế mạnh và điểm yếu khác nhau khi cắt các loại vật liệu khác nhau:

– Phi kim loại: Laser CO2 thường vượt trội hơn trong việc cắt các vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, cao su, vải và da.

+ Bước sóng 10.6 micromet của nó được hấp thụ tốt hơn bởi các vật liệu này.

– Kim loại tấm: Laser Fiber thường hiệu quả hơn trong việc cắt kim loại tấm, đặc biệt là thép không gỉ, nhôm và các kim loại phản chiếu khác.

+ Bước sóng 1 micromet của nó được hấp thụ tốt hơn bởi các kim loại này và cho phép tốc độ cắt nhanh hơn.

– Kim loại dày: Laser CO2 có thể có lợi thế khi cắt một số kim loại dày, nhưng laser Fiber công suất cao cũng có thể cắt các vật liệu dày hiệu quả.

6/ So sánh chi phí đầu tư và vận hành

– Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống laser CO2 có thể thấp hơn so với hệ thống laser Fiber có cùng công suất.

+ Đặc biệt là đối với các hệ thống laser CO2 cũ hơn hoặc có công suất thấp hơn.

>>> Xem thêm: Những nguy cơ tiềm ẩn khi sử dụng máy cắt laser cũ

Tuy nhiên, laser Fiber thường có chi phí vận hành thấp hơn do hiệu suất năng lượng cao hơn và yêu cầu bảo trì ít hơn.

7/ So sánh về ứng dụng

Sự khác biệt về đặc tính và hiệu suất của laser CO2 và laser Fiber làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng khác nhau:

– Laser CO2: Thường được sử dụng trong các ứng dụng cắt và khắc phi kim loại, cũng như cắt một số vật liệu kim loại dày.

– Laser Fiber: Thường được sử dụng trong các ứng dụng cắt kim loại tấm đòi hỏi tốc độ cao, độ chính xác cao và khả năng cắt các vật liệu phản chiếu.

Kết Luận:

Cả nguồn laser CO2 và nguồn laser Fiber đều là những công nghệ cắt mạnh mẽ và hiệu quả. Việc lựa chọn loại laser nào phù hợp nhất phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm: Loại vật liệu cần cắt, độ dày của vật liệu, độ chính xác và chất lượng cắt yêu cầu, tốc độ sản xuất mong muốn, ngân sách đầu tư,…

Hãy liên hệ ngay tới VNTECH để được tư vấn chi tiết và nhận được giải pháp phù hợp nhất với doanh nghiệp của bạn.

VNTECH - Đơn vị cung cấp máy móc gia công cơ khí chính hãng, uy tín, đa dạng về chủng loại, đáp ứng mọi nhu cầu sản xuất. Để được tư vấn chi tiết và nhận báo giá tốt nhất, quý khách vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới.