Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim SKD 11 bằng Laser

đường kính 1,5 mm 
còn tại đường kính 2,5 mm cho chất lượng bề mặt cắt xấu nhất. Điều này được lý 
giải, khi đầu cắt có đường kính nhỏ sẽ cung cấp một lượng chính xác ôxy đến vùng 
tương tác và phản ứng ôxy hóa ở mặt trước của rãnh cắt được tập trung dẫn đến tạo 
ra bề mặt có các vân đồng đều, gần nhau và mịn hơn. Còn khi đường kính đầu cắt lớn 
sẽ cung cấp một lượng khí lớn vào vùng cắt, dẫn đến phản ứng ôxy hóa không ổn 
định, một rãnh cắt rộng hơn và chất lượng bề mặt xấu hơn được hình thành. 
44 
Wahab và cộng sự [79] khi đánh giá ảnh hưởng của đường kính và khoảng 
cách đầu cắt đến chiều cao của ba-via, độ nhám bề mặt của rãnh cắt khi cắt thép 
thường bằng laser diot công suất lớn đã chỉ ra để giảm thiểu sự hình thành ba-via nên 
sử dụng đường kính đầu cắt d = 1,5 mm cho khoảng cách đầu cắt 0,75 mm < d < 1,06 
mm (hình 2.22).Tác giả giải thích rằng, thông qua các điều kiện khí động học (cấu 
tạo đầu cắt, áp suất khí, độ dày của phôi) khi đường kính đầu cắt lớn mang lại lượng 
khí thổi lớn nhưng lại làm giảm áp suất của dòng khí hỗ trợ. Đối với độ nhám bề mặt 
rãnh cắt, đường kính đầu cắt nhỏ cũng cho bề mặt nhẵn hơn, chất lượng tốt hơn (hình 2.23). 
Hình 2.22 Tương tác giữa đường kính và khoảng cách đầu cắt đến chiều cao bavia [79] 
Hình 2.23 Tương tác giữa đường kính đầu cắt, vận tốc cắt và áp suất khí thổi đến độ nhám 
bề mặt [79] 
Khoảng cách giữa đầu cắt và phôi có ảnh hưởng đến kiểu dòng chảy của khí, 
ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cắt và chất lượng cắt. Sự thay đổi lớn về áp suất 
có thể xảy ra nếu khoảng cách giữa đầu cắt và phôi lớn. Nên chọn khoảng cách này 
nhỏ hơn đường kính đầu cắt vì khoảng cách chờ lớn dẫn đến sự hỗn loạn và thay đổi 
áp suất làm ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ vật liệu ra khỏi vùng cắt, làm giảm chất 
lượng cắt. Hình dạng và các thông số hình học của vòi cắt như trên hình 2.24 [69], 
[77] 
45 
Hình 2.24 Hình dạng và các thông số hình học của đầu cắt [77] 
2.3.4 Vận tốc cắt 
Cân bằng năng lượng cho quá trình cắt laser sao cho năng lượng cung cấp cho 
vùng cắt được chia thành hai phần, cụ thể: Năng lượng được sử dụng để tạo ra một 
rãnh cắt và tổn thất năng lượng từ vùng cắt. Vận tốc cắt là tốc độ di chuyển của nguồn 
nhiệt tập trung trên bề mặt của phôi. Tại một công suất bức xạ cố định, nếu tăng dần 
vận tốc cắt tức là thời gian lưu lại của nguồn nhiệt trên bề mặt giảm, khả năng lan 
truyền của nguồn nhiệt sang các vùng lân cận giảm do đó chiều rộng rãnh cắt và vùng 
ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt sẽ xảy ra hiện tượng cắt không đứt 
đó gọi là điểm giới hạn của vận tốc, tại vận tốc này nguồn nhiệt tập trung không đủ 
thời gian để nung chảy vật liệu cần cắt. 
Để chất lượng cắt được tốt cần phải cân bằng với công suất cắt và tốc độ khí 
thổi hỗ trợ [74]. Trong các nghiên cứu đã được công bố chỉ ra rằng có nhiều thông số 
ảnh hưởng đến vận tốc cắt: bước sóng laser, vị trí tiêu điểm, công suất laser, loại khí 
và áp suất khí hỗ trợ, vật liệu và độ dày của vật liệu. C. Wandera và Cộng sự [78] tiến 
hành so sánh về công suất laser so với vận tốc cắt trên các loại vật liệu khác nhau 
giữa nguồn laser Fiber (1,06 µm) và laser CO2 (10,6 µm) đã chỉ ra rằng đối với cùng 
một vận tốc cắt, công suất cắt sẽ bị thay đổi khi sử dụng một nguồn laser khác và vật 
liệu khác nhau (hình 2.25) 
Tính chất vật liệu cũng ảnh hưởng đến vận tốc cắt. Golnabi [80] đã chỉ ra rằng 
khi thực hiện cắt trên thép thường thì phạm vi vận tốc cắt cao hơn so với khi cắt trên 
thép không gỉ. 
Hình 2.26 chỉ ra mức độ ảnh hưởng của vật liệu, độ dày của phôi đến vận tốc 
cắt trên thép không gỉ và nhôm 
46 
Hình 2.25 Công suất so với vận tốc cắt khi cắt trên nguồn laser và vật liệu khác nhau [78] 
Hình 2.26 Vận tốc cắt tối đa (sử dụng khí N2, với áp suất khí: Nhôm = 1,4MPa; 
Thép không gỉ = 1,9 MPa) [72] 
Vận tốc cắt còn ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt vết cắt. Trong quá trình cắt 
thép thường, độ nhám ở đầu và cuối mép cắt giảm xuống ở vận tốc cắt là 5500 mm/ph, 
được gọi là trạng thái không có vân bề mặt. Tuy nhiên, khi vận tốc cắt tăng lên thì độ 
nhám bề mặt đáy của mép cắt lại tăng lên [72]. Ghany và cộng sự [81] khi thực hiện 
cắt thép có tráng kẽm bằng laser Nd:YAG sử dụng các loại khí hỗ trợ khác nhau (ôxy, 
Ni-tơ và khí nén) đã chỉ ra vận tốc cắt tăng lên làm cho chiều rộng rãnh cắt giảm 
xuống. 
2.3.5 Áp suất và loại khí hỗ trợ 
Tính chất vật liệu và các yêu cầu của kết quả cắt xác định khí cắt được sử 
dụng. Độ dày vật liệu của chi tiết gia công phải phù hợp với áp suất khí. Khí hỗ trợ 
có một số chức năng chính trong quá trình cắt laser như: Khí trơ (N2) có nhiệm vụ 
đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi vùng cắt, không để các kim loại nóng chảy đông đặc 
lại ở mặt dưới của rãnh cắt (xỉ), trong khi đó khí ôxy lại có tác dụng tham gia phản 
ứng tỏa nhiệt với vật liệu. Khí cũng có tác dụng ngăn chặn sự hình thành plasma khi 
cắt vật liệu dày với cường độ chùm tia cao và bảo vệ hệ thống quan cụ khỏi tia phóng 
47 
xạ, mép cắt được làm mát bằng dòng khí do đó cũng hạn chế được ảnh hưởng nhiệt 
tới vật liệu (HAZ)[69]. 
Việc lựa chọn khí có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất và chất lượng của quá 
trình cắt laser. Các loại khí thường được sử dụng là ôxy, ni-tơ, mỗi loại có những ưu 
điểm và nhược điểm riêng. Mặc dù, khí ni-tơ không hoàn toàn là khí trơ, nhưng nó là 
loại khí được sử dụng phổ biến nhất để cắt vì giá thành tương đối rẻ. Trong khi đó, 
khí trơ như Heli, Argon lại được dùng để cắt vật liệu titan vì chúng ngăn chặn được 
sự hình thành ôxit hoặc nitrit titan giòn. 
Khí Ni-tơ là khí được sử dụng nhiều trong quá trình cắt vật liệu thép không gỉ, 
thép hợp kim, hợp kim nhôm và niken, mà đòi hỏi áp suất khí phải lớn để loại bỏ vật 
liệu ra khỏi vùng cắt, áp suất khí lớn cung cấp thêm một lực cơ học để thổi vật liệu 
nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Khi cắt thép không gỉ bằng khí Ni-tơ sẽ tạo ra một cạnh 
cắt sáng không có oxit, nhưng tốc độ xử lý của quá trình cắt sẽ thấp hơn so với quá 
trình cắt có sự hỗ trợ của khí ôxy. Áp suất khí Ni-tơ nằm trong khoảng từ 1,0  2,0 
MPa và yêu cầu áp suất tăng khi độ dày vật liệu tăng, độ tinh khiết của khí Ni-tơ phải 
trên 99,8 % [2], [69], [70]. 
Đối với khí ôxy thường được sử dụng để cắt thép thường. Việc sử dụng khí 
ôxy gây phản ứng tỏa nhiệt, góp phần tạo ra năng lượng cắt dẫn đến vận tốc cắt cao 
và khả năng cắt vật liệu dày đến 12 mm. Tuy nhiên, quá trình cắt bằng ôxy sẽ làm 
các cạnh cắt bị ôxy hóa vì vậy cần kiểm soát các thông số quá trình để giảm thiểu sự 
bám dính của vật liệu nóng chảy lên bề mặt rãnh cắt. Áp suất khí thường nằm trong 
khoảng 0,05  0,5 MPa. Áp suất khí ôxy giảm khi độ dày tấm vật liệu tăng để tránh 
hiệu ứng đốt cháy và đường kính đầu cắt được tăng lên [2],[69],[70] 
2.3.6 Đặc tính nhiệt 
Hiệu quả của việc cắt laser phụ thuộc vào khả năng hấp thụ năng lượng tới vật 
liệu, các đặc tính nhiệt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả 
năng cắt của tia laser và chất lượng của quá trình cắt. Khả năng phản xạ cao của một 
số kim loại với ánh sáng laser có thể dẫn đến những khó khăn khi bắt đầu và duy trì 
quá trình cắt. Trong quá trình cắt kim loại nhiệt được truyền nhanh chóng từ mặt rãnh 
cắt tới vùng lân cận, do đó cần phải có mức công suất cao hoặc vận tốc cắt thấp để 
duy trì năng lượng tại vùng cắt. Tuy nhiên, việc giảm vận tốc cắt gây ra sự không ổn 
định có thể dẫn đến các vùng nóng chảy bất thường, chất lượng cắt kém. Vì vậy đối 
với vật liệu có giá trị nhiệt dung riêng cao và có nhiệt độ nóng chảy lớn cần năng 
lượng lớn để thực hiện cắt [77] 
48 
a) Phương trinh truyền nhiệt tổng quát [2] 
Dựa vào định luật 1 của nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt trong không 
gian 3 chiều có dạng: 
𝜌
𝜕
𝜕𝑡
∫ 𝑐(𝑇)𝑑𝑇
𝑇
𝑇0
=
𝜕
∂x
[𝑘(𝑇)
𝜕𝑇
∂x
] +
𝜕
∂y
[𝑘(𝑇)
𝜕𝑇
∂y
] +
𝜕
∂z
[𝑘(𝑇)
𝜕𝑇
∂z
] + Q(x, y, z) (2.17) 
ở đây: khối lượng riêng của vật liệu chi tiết; 
 c(T) nhiệt lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu; 
 k(T) hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ; 
 Q(x,y,z) sự tiêu thụ nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích vật rắn trong một 
đơn vị thời gian; 
 T = T(x,y,z,t) sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu phụ thuộc vào thời gian 
trong không gian 3 chiều; 
 T thời gian; 
 To nhiệt độ ban đầu; 
 x, y, z tọa độ Đề - các. Với mỗi ứng dụng cụ thể có thể thừa nhận k(T) và 
c(T) không thay đổi đột biến với nhiệt độ. Bởi vậy, thừa nhận nhiệt độ riêng và hệ số 
dẫn nhiệt là hằng số trong từng khoảng thời gian cụ thể, phương trình (2.17) có thể 
viết như sau: 
𝜌𝑐
𝜕𝑦
𝜕𝑥
= k∇2𝑇 + 𝑄 (2.18) 
b) Điều kiện biên của sự truyền nhiệt [2] 
Thực nghiệm chỉ ra rằng có 3 dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. 
Sự đối lưu và bức xạ chỉ xảy ra trên biên giới chi tiết. 
Tổn thất nhiệt độ do đối lưu trên đơn vị diện tích bề mặt của chi tiết bởi các 
điều kiện dòng chảy ngoài là: 
𝑞𝑐 = ℎ𝑐(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.19) 
ở đây: qc Thông lượng nhiệt đối lưu; 
 hc hệ số truyền nhiệt đối lưu; 
 T nhiệt độ chi tiết; 
 Tamb nhiệt độ môi trường. 
49 
ℎ𝑐 = 𝑁𝑢
𝐾𝑘𝑘
𝐿
 (2.20) 
trong đó: Kkk - hệ số dẫn nhiệt của chi tiết xung quanh chi tiết 
 Nu = 0,27𝑅𝑎
0.25 
 Ra - hệ số Rayleigh, 𝑅𝑎 =
𝑔𝛽
𝑘𝛾
𝐿3(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) 
 L - Chiều dài đặc trưng của chi tiết, L = A/P 
 A - diện tích của chi tiết, P: chu vi chi tiết 
 Thông lượng nhiệt gây ra bởi bức xạ là: 
𝑞𝑟 = 𝜀𝜎(𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (2.21) 
ở đây:  độ phát xạ của vật liệu; 
 hằng số Stefan – Boltzmann. 
2.4 Đặc điểm chất lượng khi gia công bằng laser 
Các đặc điểm chất lượng cắt của quá trình gia công bằng laser bao gồm các 
đặc điểm về hình dạng của rãnh cắt (chiều rộng rãnh cắt, độ lệch/độ côn rãnh cắt), 
đặc điểm về bề mặt cắt (độ nhám bề mặt, hình thái bề mặt, độ sóng (vân) bề mặt), 
đặc điểm về tính chất nhiệt, cấu trúc bề mặt (vùng ảnh hưởng nhiệt, độ kết tinh của 
vật liệu) và đặc tính cơ học của bề mặt sau quá trình cắt laser [82]. Trong giới hạn đề 
tài, luận án tiến hành nghiên cứu đặc điểm chất lượng của quá trình gia công laser: 
chiều rộng rãnh cắt và độ nhám bề mặt rãnh cắt cho trên các hình 2.9 & 2.10. 
2.4.1 Chiều rộng rãnh cắt 
Rãnh cắt được hình thành do tác động gia nhiệt của chùm laser đi ngang qua 
tập trung có mật độ công suất 104W/mm2 kết hợp với dòng khí hỗ trợ. Chùm tia laser 
hội tụ làm nóng chảy vật liệu trên suốt chiều dày của vật liệu kết hợp với dòng khí 
thổi đồng trục với tia laser thổi bay vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt (hình 2.27 & 2.28). 
Chiều rộng rãnh cắt là khoảng cách giữa hai bề mặt cắt được ngăn cách nhau bởi một 
đường cắt laser. Có hai loại chiều rộng thu được trong quá trình gia công này, một là 
chiều rộng rãnh cắt mặt trên của phôi, loại kia là chiều rộng rãnh cắt phía dưới của 
phôi (nơi thoát vật liệu bị nóng chảy và bay hơi) (hình 2.29a). 
Chiều rộng của rãnh cắt phía trên có xu hướng rộng hơn rãnh cắt ở phía dưới 
của phôi [69]. Chiều rộng rãnh cắt phụ thuộc vào đường kính của chùm tia laser, công 
suất laser, loại vật liệu và chiều dày phôi, loại khí và áp suất khí thổi hỗ trợ, khoảng 
cách đầu cắt và vận tốc cắt. Độ lệch (độ lệch dọc theo chiều dài cắt) và độ côn (góc 
50 
giữa các bề mặt cắt) rãnh cắt đại diện cho độ chính xác hình học của rãnh (hình 2.29b) 
[82] 
Hình 2.27. Chiều rộng rãnh cắt khi gia công bằng laser [43] 
Hình 2.28. Chiều rộng rãnh cắt trên thép thường 15mm 
(P = 4kW, pk oxy = 0,1 MPa, v = 1 mm/ph, tiêu cự h = 254 mm 
a) tiêu cự f = -12 mm; b) tiêu cự f = -4mm [72] 
Hình 2.29. Minh họa thuộc tính chất lượng cắt bằng laser [82] 
Chiều rộng rãnh cắt đại diện cho lượng vật liệu được lấy ra trong quá trình cắt 
về cơ bản là vật liệu bị lãng phí, do đó chiều rộng rãnh cắt nhỏ luôn được mong muốn, 
51 
đặc biệt là khi các chi tiết nhỏ được cắt. Chiều rộng rãnh cắt tương ứng với kích thước 
của tia laser được xác định bởi chất lượng chùm tia, hệ thống quang cụ. Công suất 
cắt, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt, áp suất khí hỗ trợ có ảnh hưởng trực tiếp đến 
kích thước của rãnh cắt. Khối lượng vật liệu bị loại bỏ trong quá trình cắt như trên 
hình 2.30. Sự kết hợp đồng thời của các thông số công nghệ sẽ tạo ra được rãnh cắt 
có chiều rộng hẹp và đồng nhất. 
Hình 2.30. Khối lượng vật liệu bị loại bỏ trong quá trình cắt [2] 
Khi nghiên cứu cắt vật liệu bằng Laser CO2 Uslan [48] cho thấy chiều rộng 
rãnh cắt giảm khi giảm công suất laser và tăng vận tốc cắt, còn Steen [2] giải thích 
rằng về tổng thể chiều rộng rãnh cắt trên và dưới sẽ giảm khi vận tốc cắt tăng, chiều 
rộng rãnh cắt trên sẽ nhỏ hơn chiều rộng rãnh cắt dưới ở dải vận tốc cắt thấp (hình 
2.31). 
Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt [2] 
52 
A. Kar và cộng sự [83] đã giới thiệu phương pháp phân tích tham số gộp để 
xây dựng công thức tính chiều rộng của rãnh cắt. Sự cân bằng năng lượng tồn tại giữa 
năng lượng của laser được hấp thụ trên một đơn vị độ sâu, năng lượng truyền nhiệt 
đối lưu sang cacsc vùng lân cận, sự thay đổi phaCân bằng năng lượng này có thể 
được xây dựng bằng cách sử dụng luật tỷ lệ dựa trên phương pháp phân tích gộp các 
thông số được đơn giản hóa và được biểu diễn như sau: 
𝑃
𝑑
=
𝑣𝑤𝑘 + 𝐴3√𝑣𝑤𝑘
𝐴𝑜
 (2.22) 
 Giá trị Ao và A3 được xác định theo công thức sau: 
𝐴𝑜 =
𝐴
𝑎𝑜
 𝑣à 𝐴3 =
𝑙
𝑎𝑜
𝑤𝑘 + 2𝑤𝑘(𝑇𝑚 − 𝑇0)
2√𝛼𝜔𝑤𝑘
 (2.23) 
𝑎𝑜 = 𝜌(𝐶𝑝(𝑇𝑚 − 𝑇0) + 𝐿𝑚 + 𝛽𝐿𝑏) (2.24) 
Trong đó: 
P – Công suất laser (W) Tm – Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (0C) 
d – đường kính chùm tia (mm) T0 – Nhiệt độ phòng (0C) 
wk – Chiều rộng rãnh cắt (mm) Lm , Lb - Nhiệt lượng nóng chảy và hóa hơi (J/kg) 
l – Chiều dài của rãnh cắt (mm) - Khối lượng riêng (kg/m3) 
v – vận tốc cắt (mm/ph) Cp – Nhiệt dung riêng vật liệu (J/(kg.K) 
 - Hệ số dẫn nhiệt  - Hệ số bay hơi trên bề mặt vật liệu 
 - Kích thước cổ chùm (chùm eo) của tia laser (mm) 
A – Hệ số hấp thụ của vật liệu nền 
A0 – Tốc độ truyền năng lượng tới bề mặt vật liệu 
A3 – Lượng nhiệt mất mát ở trạng thái rắn của vật liệu nền 
 Áp dụng phương pháp chia tỷ lệ cho quá trình cắt laser, chiều rộng rãnh cắt do 
kích thước chùm eo của tia laser  có thể được viết như sau [83]: 
𝑤𝑘 =
1
𝑣
[
 2,51√
𝛼
𝜔
(2𝐴𝜂𝑢)
𝑘(𝑇𝑚 − 𝑇0)
𝑃√𝑣
1 + 3,08𝑥107 (
𝐴0
𝐴3√𝑓
)(
𝜌𝜌𝑔𝜎2𝛼
𝑀𝑤𝑃𝑔𝑓√𝜔
)𝑃√𝑣
]
 (2.25) 
trong đó: 
  - đường kính phân tử (đo bằng Ao – đơn vị Angstrom); Mw – Khối lượng 
phân tử (g/mol) của khí hỗ trợ; Pg và g là áp suất và khối lượng riêng của khí hỗ trợ; 
u – Hệ số quá nhiệt trong vùng nóng chảy. 
53 
2.4.2 Độ nhám bề mặt khi gia công bằng laser 
Trong quá trình cắt vật liệu bằng laser, vật liệu nóng chảy được loại bỏ ra khỏi 
rãnh cắt nhờ sự hỗ trợ của khí thổi, nhưng một số vật liệu nóng chảy vẫn bám trên bề 
mặt của rãnh cắt. Điều này gây ra sự không đồng đều trên bề mặt được gọi là độ nhám 
Độ nhám của bề mặt được đặc trưng bởi độ sâu tối đa và bước sóng của các vân. Các 
vân hình thành trên bề mặt là do sự tác động kết hợp của xung laser và khí hỗ trợ. Sự 
hình thành các dải đường kẻ sọc này làm ảnh hưởng mạnh đến chất lượng cắt. Hiện 
tượng này là do vận tốc cắt nhỏ hơn tốc độ nóng chảy của vật liệu, gây ra bởi quá 
trình ôxy hóa dẫn đến hình thành vân trên bề mặt (hình 2.32). Hình dạng vân bị ảnh 
hưởng bởi các thông số cắt laser như: công suất laser, vận tốc cắt, tần số, mật độ công 
suất laser [82]. 
Hình 2.32. Độ sâu của vân trên bề mặt cắt bằng laser [25] 
C. Wandera và cộng sự [84] đã chỉ ra rằng khi gia công trên vật liệu thép không 
gỉ có chiều dày 10mm ở các thông số công nghệ: Công suất laser là 4kW, vận tốc cắt 
1 m/ph và áp suất khí hỗ trợ (N2) là 2,0 MPa thì bề mặt cắt nhẵn (Rz = 40 µm) với các 
đường vân đều nhau, trong khi đó khi giảm áp suất khí hỗ trợ xuống 0,4 MPa thì độ 
nhám bề mặt có xu hướng tăng lên (Rz = 120 µm). Nhìn chung, đối với thép không 
gỉ cạnh cắt thô và có xỉ khi cắt ở vận tốc cắt thấp, còn bề mặt vết cắt sẽ sạch hơn, mịn 
hơn khi cắt ở vận tốc cắt lớn, thấp hơn 20  30% vận tốc cắt tối đa. 
Đối với vật liệu nhôm, bề mặt cắt cho thấy xuất hiện kiểu vân đều nhưng 
khoảng giữa các vân cách xa nhau và tồn tại xỉ tại mép cắt dưới khi sử dụng vận tốc 
cắt thấp. Tuy nhiên, nếu ở vận tốc cắt lớn thì bề mặt cắt sẽ cho kết quả mịn hơn [85]. 
Theo SFS-EN ISO 9013:2002 [68], độ nhám bề mặt Rz có bốn mức tiêu chuẩn 
như trong hình 2.33 với mức 1 đại diện cho giá trị Rz thấp nhất, cho chất lượng bề 
mặt rãnh cắt tốt nhất (bề mặt mịn hơn) 
54 
Hình 2.33 Mức tiêu chuẩn của độ nhám bề mặt [68] 
Trong quá trình cắt bằng laser ôxy, sự tương tác giữa vật liệu và năng lượng 
chùm tia theo cách tuần hoàn như trên hình 2.34, tạo ra một cạnh cắt kiểu xung được 
bao phủ trong các vân đều đặn mặc dù năng lượng đầu vào cho vùng cắt là không 
đổi. 
Hình 2.34 Sự hình thành vân trên bề mặt cắt[77] 
2.4.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) 
Quá trình cắt bằng laser tạo ra một vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bên cạnh mép 
cắt. Vùng ảnh hưởng nhiệt là vùng kim loại không nóng chảy nhưng đã được thay đổi 
cấu trúc vi mô và đặc tính của nó. Sự thay đổi cấu trúc vi mô trong vùng ảnh hưởng 
nhiệt là một trong những đặc điểm quyết định chất lượng của vết cắt laser. Chiều rộng 
HAZ tăng lên khi năng lượng đầu vào trên một đơn vị chiều dài và độ dày lớp cắt 
tăng lên. Chiều rộng HAZ đặc biệt quan trọng khi thực hiện gia công gần các bộ phận 
nhạy cảm với nhiệt. Hình 2.35 cho thấy một số cơ chế vật lý bao gồm dẫn nhiệt, thay 
đổi pha, hình thành plasma, hấp thụ bề mặt và dòng chảy lớp nóng chảy ảnh hưởng 
đến hiệu quả của quá trình cắt bằng laser. 
55 
Majid Hashemzadeh [74] khi tiến hành đánh giá vùng ảnh hưởng nhiệt của 
quá trình cắt laser trên thép thường sử dụng khí N2 làm khí hỗ trợ. Tác giả đã lập luận 
và đưa ra kết quả như sau: 
- Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt mép cắt dưới lớn hơn mép cắt trên 
(hình 2.36). Điều này được tác giả lập luận là do khi vật liệu nóng chảy, một phần 
được thổi bay ra khỏi rãnh cắt, một phần vẫn giữ lại trên bề mặt rãnh cắt và có xu 
hướng chảy xuống mép cắt dưới, hơn nữa tại đây có tồn tại thêm cả những xỉ kim loại 
bám dính. Những vật liệu nóng chảy này (vật liệu nóng chảy được giữ lại, xỉ kim loại) 
sẽ truyền nhiệt sâu vào lớp nền của vật liệu, làm cho chiều rộng của HAZ tăng lên ở 
đáy của rãnh cắt. 
Hình 2.35 Sơ đồ ảnh hưởng nhiệt quá trình cắt laser[77] 
Hình 2.36 Vùng ảnh hưởng nhiệt khi cắt laser sử dụng khí hỗ trợ N2 (P = 1200W, 
v = 1000mm/ph) [74] 
56 
- Chiều rộng HAZ giảm khi vận tốc cắt tăng. Điều này là do khi tăng vận tốc 
cắt, thời gian tương tác giữa chùm laser và vật liệu giảm, do đó làm giảm nhiệt độ 
nóng chảy của vật liệu (hình 2.37) 
- Chiều rộng HAZ tăng theo độ dày của vật liệu cắt. Với cùng các thông số 
cắt, vật liệu cắt dày hơn thì lượng vật liệu nóng chảy trên mặt cắt sẽ nhiều hơn và có 
thời gian truyền nhiệt dài hơn tới vật liệu nền (hình 2.37 & 2.38) 
Hình 2.37 Chiều rộng HAZ khi cắt tấm dày 3 mm với PN2 = 1,2 MPa [74] 
Hình 2.38 Chiều rộng HAZ khi cắt tấm dày 1 mm với PN2 = 1,2 MPa [74] 
Milos J. MADI và cộng sự [86] khi tiến hành đánh giá ảnh hưởng các thông 
số công nghệ đến vùng ảnh hưởng nhiệt trên vật liệu thép AISI 304 đã đưa ra một số 
kết quả như sau: 
- Khi tăng công suất laser từ 1,6kW đến 1,9kW thì chiều rộng vùng ảnh hưởng 
nhiệt tăng lên. Điều này là do sự gia tăng năng lượng nhiệt được hấp thụ trong vật 
liệu khi công suất laser tăng lên. Tuy nhiên, sử dụng công suất laser trên 1,9 kW, ảnh 
hưởng của công suất laser lên bề rộng của HAZ là ngược lại, với sự gia tăng công 
suất laser, độ rộng của HAZ có xu hướng giảm. Theo tác giả điều này là do trong đó 
57 
tồn tại một vùng tối ưu của tỷ lệ công suất laser trên vận tốc cắt ở đó độ rộng của 
HAZ là nhỏ nhất (hình 2.39a). 
- Khi vận tốc cắt tăng, chiều rộng của HAZ giảm không tuyến tính. Khi vận 
tốc cắt tăng lên, thời gian tương tác giữa chùm tia laser và vật liệu bị giảm và do đó 
chiều rộng của HAZ bị giảm. (hình 2.39b) 
- Có thể thấy rằng