إدخال القطع بالليزر

القطع بالليزر عبارة عن تقنية تستخدم الليزر لتبخير المواد ، مما ينتج عنه حافة مقطوعة.في حين أنه يستخدم عادة لتطبيقات التصنيع الصناعي ، فإنه يستخدم الآن من قبل المدارس والشركات الصغيرة والهندسة المعمارية والهواة.يعمل القطع بالليزر عن طريق توجيه إخراج ليزر عالي الطاقة في الغالب من خلال البصريات.يتم استخدام بصريات الليزر و CNC (التحكم العددي بالكمبيوتر) لتوجيه شعاع الليزر إلى المادة.يستخدم الليزر التجاري لقطع المواد نظام التحكم في الحركة لاتباع رمز CNC أو G للنمط المراد قطعه على المادة.يتم توجيه شعاع الليزر المركز إلى المادة ، والتي إما أن تذوب ، أو تحترق ، أو تتبخر بعيدًا ، أو تنفجر بعيدًا بواسطة نفاثة من الغاز ، [1] تاركة حافة ذات تشطيب عالي الجودة للسطح

تاريخ
في عام 1965 ، تم استخدام أول آلة إنتاج للقطع بالليزر لحفر ثقوب في قوالب الماس.تم صنع هذه الآلة بواسطة مركز أبحاث الهندسة الكهربائية الغربية. [3]في عام 1967 ، كان البريطانيون الرائدون في قطع المعادن بنفث الأكسجين بمساعدة الليزر.في أوائل السبعينيات ، تم وضع هذه التكنولوجيا في الإنتاج لقطع التيتانيوم لتطبيقات الطيران.في الوقت نفسه ، تم تكييف ليزر ثاني أكسيد الكربون لقطع المواد غير المعدنية ، مثل المنسوجات ، لأنه ، في ذلك الوقت ، لم يكن ليزر ثاني أكسيد الكربون قويًا بما يكفي للتغلب على التوصيل الحراري للمعادن.

معالجة

القطع بالليزر الصناعي للصلب مع تعليمات القطع المبرمجة من خلال واجهة CNC
يركز شعاع الليزر بشكل عام باستخدام عدسة عالية الجودة في منطقة العمل.جودة الحزمة لها تأثير مباشر على حجم البقعة المركزة.يقل قطر أضيق جزء من الحزمة المركزة بشكل عام عن 0.0125 بوصة (0.32 مم).اعتمادًا على سمك المادة ، يمكن أن يكون عرض الشق صغيرًا يصل إلى 0.004 بوصة (0.10 مم). [6]لكي تكون قادرًا على البدء في القطع من مكان آخر غير الحافة ، يتم عمل ثقب قبل كل عملية قطع.عادة ما يتضمن الثقب شعاع ليزر نابض عالي الطاقة يعمل ببطء على إحداث ثقب في المادة ، ويستغرق حوالي 5-15 ثانية لصلب غير قابل للصدأ بسمك 0.5 بوصة (13 ملم) ، على سبيل المثال.

غالبًا ما تقع الأشعة المتوازية للضوء المترابط من مصدر الليزر في نطاق يتراوح بين 0.06 و 0.08 بوصة (1.5-2.0 مم) في القطر.عادة ما يتم تركيز هذا الشعاع وتكثيفه بواسطة عدسة أو مرآة إلى بقعة صغيرة جدًا تبلغ حوالي 0.001 بوصة (0.025 مم) لإنشاء شعاع ليزر شديد الكثافة.من أجل تحقيق أفضل إنهاء ممكن أثناء القطع الكنتوري ، يجب تدوير اتجاه استقطاب الحزمة أثناء دورانه حول محيط قطعة العمل المحددة.بالنسبة لقطع الصفائح المعدنية ، يكون البعد البؤري عادة 1.5-3 بوصات (38-76 مم).

تشمل مزايا القطع بالليزر على القطع الميكانيكي سهولة ثبات العمل وتقليل تلوث قطعة العمل (نظرًا لعدم وجود حافة القطع التي يمكن أن تتلوث بالمادة أو تلوث المادة).قد تكون الدقة أفضل ، لأن شعاع الليزر لا يتآكل أثناء العملية.هناك أيضًا فرصة أقل لتزييف المادة التي يتم قطعها ، لأن أنظمة الليزر بها منطقة صغيرة متأثرة بالحرارة. [8]من الصعب جدًا أو من المستحيل قطع بعض المواد بالوسائل التقليدية.

يتميز القطع بالليزر للمعادن بمزايا أكثر من القطع بالبلازما لكونه أكثر دقة [9] واستخدام طاقة أقل عند قطع الصفائح المعدنية ؛ومع ذلك ، فإن معظم أنواع الليزر الصناعية لا تستطيع قطع سماكة المعدن الأكبر التي يمكن للبلازما أن تقطعها.تقترب آلات الليزر الأحدث التي تعمل بطاقة أعلى (6000 واط ، على عكس معدلات 1500 واط لآلات القطع بالليزر المبكرة) من آلات البلازما في قدرتها على قطع المواد السميكة ، لكن التكلفة الرأسمالية لهذه الآلات أعلى بكثير من تكلفة البلازما آلات القطع القادرة على قطع المواد السميكة مثل الألواح الفولاذية. [10]

أنواع

4000 وات قاطع ليزر CO2
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الليزر المستخدمة في القطع بالليزر.ليزر ثاني أكسيد الكربون مناسب للقطع والحفر والحفر.الليزر النيوديميوم (Nd) والنيوديميوم الإيتريوم والألمنيوم والعقيق (Nd: YAG) الليزر متطابقان في الأسلوب ويختلفان فقط في التطبيق.يستخدم Nd للملل وحيث يتطلب طاقة عالية ولكن التكرار المنخفض.يتم استخدام ليزر Nd: YAG عند الحاجة إلى طاقة عالية جدًا وللثقب والحفر.يمكن استخدام ليزر CO2 و Nd / Nd: YAG في اللحام.

عادةً ما يتم "ضخ" ليزر ثاني أكسيد الكربون عن طريق تمرير تيار عبر مزيج الغاز (متحمس بالتيار المستمر) أو باستخدام طاقة تردد الراديو (مثبَّت بالترددات الراديوية).تعد طريقة التردد اللاسلكي أحدث وأصبحت أكثر شيوعًا.نظرًا لأن تصميمات التيار المستمر تتطلب أقطابًا كهربائية داخل التجويف ، فيمكن أن تواجه تآكلًا في القطب الكهربائي وطلاء مادة القطب على الأواني الزجاجية والبصريات.نظرًا لأن مرنانات التردد اللاسلكي لها أقطاب كهربائية خارجية ، فهي ليست عرضة لتلك المشاكل.تُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون في القطع الصناعي للعديد من المواد بما في ذلك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الطري والألمنيوم والبلاستيك والخشب والخشب المصمم هندسيًا والشمع والأقمشة والورق.تستخدم ليزر YAG بشكل أساسي لقطع وكشط المعادن والسيراميك.

بالإضافة إلى مصدر الطاقة ، يمكن أن يؤثر نوع تدفق الغاز على الأداء أيضًا.تشمل المتغيرات الشائعة لليزر ثاني أكسيد الكربون التدفق المحوري السريع والتدفق المحوري البطيء والتدفق العرضي والبلاطة.في مرنان التدفق المحوري السريع ، يتم تدوير خليط ثاني أكسيد الكربون والهيليوم والنيتروجين بسرعة عالية بواسطة توربين أو منفاخ.تقوم ليزر التدفق المستعرض بتدوير مزيج الغاز بسرعة منخفضة ، مما يتطلب منفاخًا أبسط.تحتوي الرنانات المبردة باللوح أو بالانتشار على حقل غاز ثابت لا يتطلب أي ضغط أو أواني زجاجية ، مما يؤدي إلى توفير في التوربينات البديلة والأواني الزجاجية.

يتطلب مولد الليزر والبصريات الخارجية (بما في ذلك عدسة التركيز) التبريد.اعتمادًا على حجم النظام وتكوينه ، يمكن نقل الحرارة المهدرة بواسطة المبرد أو مباشرة إلى الهواء.الماء عبارة عن مبرد شائع الاستخدام ، وعادة ما يتم تداوله من خلال مبرد أو نظام نقل الحرارة.

ليزر microjet هو ليزر موجه بنفث الماء حيث يتم إقران شعاع الليزر النبضي بنفث مائي منخفض الضغط.يستخدم هذا لأداء وظائف القطع بالليزر أثناء استخدام تدفق الماء لتوجيه شعاع الليزر ، مثل الكثير من الألياف الضوئية ، من خلال الانعكاس الداخلي الكلي.وتتمثل مزايا ذلك في أن الماء يزيل أيضًا الحطام ويبرد المادة.من المزايا الإضافية التي تتفوق على القطع التقليدي بالليزر "الجاف" سرعات التقطيع العالية ، والشق المتوازي ، والقطع متعدد الاتجاهات.

ليزر الألياف هو نوع من أنواع ليزر الحالة الصلبة الذي ينمو بسرعة في صناعة قطع المعادن.على عكس ثاني أكسيد الكربون ، تستخدم تقنية الألياف وسيلة ربح صلبة ، بدلاً من الغاز أو السائل.ينتج "ليزر البذور" شعاع الليزر ثم يتم تضخيمه داخل ألياف زجاجية.مع الطول الموجي الذي يبلغ 1064 نانومتر فقط ، تنتج ليزرات الألياف حجمًا صغيرًا للغاية (يصل إلى 100 مرة أصغر مقارنةً بثاني أكسيد الكربون) مما يجعلها مثالية لقطع المواد المعدنية العاكسة.هذه إحدى المزايا الرئيسية للألياف مقارنة بثاني أكسيد الكربون. [14]

تشمل مزايا جهاز قطع ألياف الليزر ما يلي: -

أوقات المعالجة السريعة.
انخفاض استهلاك الطاقة والفواتير - بسبب زيادة الكفاءة.
موثوقية وأداء أكبر - لا توجد بصريات للضبط أو المحاذاة ولا مصابيح للاستبدال.
الحد الأدنى من الصيانة.
القدرة على معالجة المواد شديدة الانعكاس مثل النحاس والنحاس الأصفر
إنتاجية أعلى - توفر تكاليف التشغيل المنخفضة عائدًا أكبر على استثمارك. [15]

طُرق
هناك العديد من الطرق المختلفة في القطع باستخدام الليزر ، حيث تستخدم أنواعًا مختلفة لقطع المواد المختلفة.بعض الطرق هي التبخير والصهر والنفخ ونفخ الذوبان والحرق وتكسير الإجهاد الحراري والكشط والقطع البارد وحرق القطع بالليزر المستقر.

قطع التبخير
في عملية التبخير ، تقوم الحزمة المركزة بتسخين سطح المادة إلى نقطة الوميض وتولد ثقب المفتاح.ثقب المفتاح يؤدي إلى زيادة مفاجئة في الامتصاص يعمق الحفرة بسرعة.مع تعمق الثقب وغليان المادة ، يؤدي البخار المتولد إلى تآكل الجدران المنصهرة التي تنفجر وتخرج وتوسع الحفرة.عادة ما يتم قطع المواد غير المنصهرة مثل الخشب والكربون والبلاستيك بالحرارة بهذه الطريقة.
تذوب وتنفخ
يستخدم القطع بالذوبان والنفخ أو الانصهار غازًا عالي الضغط لتفجير المواد المنصهرة من منطقة القطع ، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة.أولاً ، يتم تسخين المادة إلى درجة الانصهار ، ثم يقوم نفاث الغاز بنفخ المادة المنصهرة من الشق لتجنب الحاجة إلى رفع درجة حرارة المادة إلى أبعد من ذلك.عادة ما تكون المواد المقطوعة بهذه العملية معادن.

تكسير الإجهاد الحراري
المواد الهشة حساسة بشكل خاص للكسر الحراري ، وهي ميزة يتم استغلالها في تكسير الإجهاد الحراري.يركز شعاع على السطح مما يتسبب في تسخين موضعي وتمدد حراري.ينتج عن هذا صدع يمكن توجيهه بعد ذلك عن طريق تحريك الحزمة.يمكن تحريك الكراك بالترتيب م / ث.يستخدم عادة في قطع الزجاج.

تكعيب خلسة لرقائق السيليكون
مزيد من المعلومات: تقطيع الويفر
يمكن إجراء فصل الرقائق الإلكترونية الدقيقة كما تم تحضيرها في تصنيع جهاز أشباه الموصلات من رقاقات السيليكون عن طريق ما يسمى بعملية التكعيب التخفي ، والتي تعمل باستخدام ليزر Nd: YAG النبضي ، والذي يتكيف طوله الموجي (1064 نانومتر) بشكل جيد مع الأجهزة الإلكترونية. فجوة نطاق السيليكون (1.11 فولت أو 1117 نانومتر).

القطع التفاعلي
يُطلق عليه أيضًا "قطع الغاز بالليزر المستقر بالحرق" ، "القطع باللهب".القطع التفاعلي مثل قطع شعلة الأكسجين ولكن مع شعاع الليزر كمصدر للاشتعال.تستخدم في الغالب لقطع الفولاذ الكربوني بسماكة تزيد عن 1 مم.يمكن استخدام هذه العملية لقطع الألواح الفولاذية السميكة للغاية باستخدام طاقة ليزر قليلة نسبيًا.

التفاوتات وإنهاء السطح
تتمتع قواطع الليزر بدقة تحديد موضع تبلغ 10 ميكرومتر وقابلية تكرار تبلغ 5 ميكرومتر. [بحاجة لمصدر]

تزداد الخشونة القياسية Rz مع سماكة الصفيحة ، ولكنها تتناقص مع قوة الليزر وسرعة القطع.عند قطع الفولاذ منخفض الكربون بقوة ليزر 800 وات ، تكون درجة الخشونة القياسية Rz 10 ميكرومتر لصفائح بسماكة 1 مم ، و 20 ميكرومتر لـ 3 مم ، و 25 ميكرومتر لـ 6 مم.

{\ displaystyle Rz = {\ frac {12.528 \ cdot S ^ {0.542}} {P ^ {0.528} \ cdot V ^ {0.322}}}} {\ displaystyle Rz = {\ frac {12.528 \ cdot S ^ {0.542 }} {P ^ {0.528} \ cdot V ^ {0.322}}}}
حيث: {\ displaystyle S =} S = سماكة الألواح الفولاذية بالملم ؛{\ displaystyle P =} P = طاقة الليزر بالكيلوواط (بعض قواطع الليزر الجديدة لها طاقة ليزر 4 كيلو واط) ؛{\ displaystyle V =} V = سرعة القطع بالمتر في الدقيقة. [16]

هذه العملية قادرة على الحفاظ على تفاوتات قريبة جدًا ، غالبًا في حدود 0.001 بوصة (0.025 مم).ترتبط هندسة الأجزاء والسلامة الميكانيكية للآلة إلى حد كبير بقدرات التحمل.قد يتراوح تشطيب السطح النموذجي الناتج عن قطع شعاع الليزر من 125 إلى 250 بوصة دقيقة (0.003 مم إلى 0.006 مم). [11]

تكوينات الماكينة

ليزر بصريات طيران مزدوج البليت

رأس ليزر بصريات طائر
توجد بشكل عام ثلاثة تكوينات مختلفة لآلات القطع بالليزر الصناعية: المواد المتحركة ، وأنظمة البصريات الهجينة ، وأنظمة البصريات الطائرة.تشير هذه إلى الطريقة التي يتم بها تحريك شعاع الليزر فوق المادة المراد قطعها أو معالجتها.لكل ذلك ، يتم تحديد محاور الحركة عادةً بمحور X و Y.إذا كان من الممكن التحكم في رأس القطع ، فسيتم تعيينه على أنه المحور Z.

تحتوي ليزر المواد المتحركة على رأس قطع ثابت وتحريك المادة تحتها.توفر هذه الطريقة مسافة ثابتة من مولد الليزر إلى قطعة الشغل ونقطة واحدة يمكن من خلالها إزالة نفايات القطع.يتطلب عددًا أقل من البصريات ، ولكنه يتطلب تحريك قطعة العمل.تميل آلة النمط هذه إلى الحصول على أقل عدد من البصريات لتوصيل الحزمة ، ولكنها تميل أيضًا إلى أن تكون الأبطأ.

توفر أشعة الليزر الهجينة جدولًا يتحرك في محور واحد (عادةً المحور X) ويحرك الرأس على طول المحور (Y) الأقصر.ينتج عن هذا طول مسار تسليم الحزمة أكثر ثباتًا من آلة بصرية طيران وقد يسمح بنظام توصيل حزمة أبسط.يمكن أن يؤدي هذا إلى تقليل فقد الطاقة في نظام التوصيل وزيادة سعة كل واط مقارنة بآلات البصريات الطائرة.

تتميز ليزر البصريات الطائرة بطاولة ثابتة ورأس قطع (مع شعاع ليزر) يتحرك فوق قطعة العمل في كلا البعدين الأفقيين.تحافظ قواطع البصريات الطائرة على ثبات قطعة العمل أثناء المعالجة وغالبًا لا تتطلب تثبيت المواد.الكتلة المتحركة ثابتة ، لذلك لا تتأثر الديناميكيات بالحجم المتغير لقطعة الشغل.تعد آلات البصريات الطائرة أسرع الأنواع ، وهي مفيدة عند قطع قطع العمل الرقيقة.

يجب أن تستخدم آلات البصريات الطائرة طريقة ما لمراعاة طول الشعاع المتغير من الحقل القريب (بالقرب من الرنان) إلى القطع في المجال البعيد (بعيدًا عن الرنان).تشمل الطرق الشائعة للتحكم في ذلك الموازاة أو البصريات التكيفية أو استخدام محور طول الحزمة الثابت.

تسمح الماكينات ذات خمسة محاور وستة محاور أيضًا بقطع قطع العمل المشكلة.بالإضافة إلى ذلك ، هناك طرق مختلفة لتوجيه شعاع الليزر إلى قطعة عمل ذات شكل ، والحفاظ على مسافة تركيز مناسبة ومقاومة الفوهة ، إلخ.

ينبض
تعتبر أجهزة الليزر النبضية التي توفر تدفقًا عالي الطاقة من الطاقة لفترة قصيرة فعالة جدًا في بعض عمليات القطع بالليزر ، خاصةً للثقب ، أو عند الحاجة إلى ثقوب صغيرة جدًا أو سرعات قطع منخفضة جدًا ، لأنه في حالة استخدام شعاع ليزر ثابت ، يمكن أن تصل الحرارة إلى نقطة ذوبان القطعة بأكملها التي يتم قطعها.

تتمتع معظم أجهزة الليزر الصناعية بالقدرة على نبض أو قطع CW (الموجة المستمرة) تحت تحكم برنامج NC (التحكم العددي).

يستخدم ليزر النبض المزدوج سلسلة من أزواج النبضات لتحسين معدل إزالة المواد وجودة الثقب.بشكل أساسي ، تزيل النبضة الأولى المواد من السطح بينما تمنع النبضة الثانية القاذفة من الالتصاق بجانب الثقب أو القطع.