برش لیزری برگرفته از لفظ تقویت نور توسط برانگیختن اشعه‌‌ی لیزرهای تابش، از زمان ظهور آن‌ها در دهه شصت، همواره واژه‌ای برای کارایی و کیفیت در پردازش مواد بوده‌اند. آن‌ها شکل کاملاً جدیدی از انرژی را ارائه دادند که خود را در ساخت و ساز، دارو و ارتباطات مشارکت داد.
با امکان گرما، ذوب و حتی بخار کردن مواد، لیزرها به عنوان یک وسیله ایده‌آل برای انتقال انرژی شدید اما کنترل پذیر دیده می‌شوند.

برش لیزری

چگونه لنزهای استفاده شده، بر ضخامت برش اثر می‌گذارند؟

کدام نوع برش لیزری برای ورق فلزی استفاده می‌شود؟

لیزر CO2

لیزرهای فیبری

لیزرهای دیود مستقیم

انعکاس باعث چه مشکلاتی می‌شود؟

سیستم برش آلومینیوم

 

اکنون با اختلاف، محبوب‌ترین کاربرد لیزر برای برش است که در مطلب جدید مجموعه پویان فرم فلز خوارزمی، به صورت مفصل به آن می پردازیم.

 

 

 

 

برش لیزری

برش لیزری عمدتاً یک فرایند حرارتی است که در آن از یک پرتو متمرکز لیزر برای ذوب مواد در یک ناحیه موضعی استفاده می‌شود. از جت گاز هم محوری برای بیرون کشیدن مواد مذاب ایجاد سرپوش استفاده می‌شود. برش مداوم با حرکت دادن پرتو لیزر یا قطعه کار توسط CNC تولید می‌شود.

در مجموعه پویان فرم فلز خوارزمی، سه نوع عمده برای برش لیزری وجود دارد: برش فیوژن، برش شعله و برش از راه دور.

در برش فیوژن، از گاز بی اثر (به طور معمول نیتروژن) برای بیرون راندن مواد مذاب از داخل استفاده می‌شود. گاز نیتروژن با ماده مذاب به طور گرمازا واکنش نشان نمی‌دهد و بنابراین به ورودی انرژی کمک نمی‌کند.

در برش شعله از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می‌شود. علاوه بر اعمال نیروی مکانیکی بر روی مواد مذاب، این یک واکنش گرمازا ایجاد می‌کند که باعث افزایش ورودی انرژی به فرایند می‌شود.

در برش از راه دور، ماده توسط بخشی از پرتو لیزر با شدت بالا تبخیر می‌شود (فرسوده)، این اجازه می‌دهد تا ورق‌های نازک بدون گاز کمکی بریده شود. فرایند برش لیزری با استفاده از سیستم‌های CAD/CAM آفلاین، کنترل سیستم‌های مسطح سه محور یا ربات‌های شش محوره را برای برش لیزری سه بعدی، به اتوماسیون می‌دهد.

بهبود در دقت، مربع بودن لبه و کنترل ورودی گرما بدان معنی است که فرایند لیزر به طور فزاینده‌ای جایگزین سایر روش‌های برش پروفایل مانند پلاسما و سوخت اکسی می‌شود. دستگاه‌های لیزر هنری بسیاری برای اهداف برش در بازار وجود دارند که می‌توانند از آن برای برش فلزات، چوب‌ها و چوب‌های مهندسی شده استفاده کنند.

 

 

 

 

چگونه لنزهای استفاده شده، بر ضخامت برش اثر می‌گذارند؟

فرایند برش لیزری شامل متمرکز کردن پرتو لیزر، معمولا با یک لنز (گاهی اوقات با یک آینه مقعر) به یک نقطه کوچک که دارای قدرت کافی برای تولید برش لیزر است، می‌باشد. لنز با فاصله کانونی آن تعریف می‌شود که یعنی فاصله لنز تا نقطه متمرکز است. فاکتورهای مهم که کارایی فرایند را کنترل می‌کنند، قطر نقطه متمرکز d و عمق تمرکز (L) است.

عمق تمرکز مسافت موثر است که در آن، برش رضایت بخش حاصل می‌شود. می‌توان آن را به عنوان مسافتی تعریف کرد که مساحت نقطه تمرکز بیش از 50 درصد افزایش نیابد. قطر نقطه کانونی لیزر و عمق تمرکز آن به قطر پرتوی لیزر خام روی لنز و فاصله کانونی لنزها بستگی دارد.
برای قطر پرتو لیزر خام ثابت، کاهش در فاصله کانونی لنزهای فوکوس، منجر به قطر نقطه کانونی و عمق فوکوس کوچک‌تر می‌شود. برای داشتن لنز با فوکوس ثابت، افزایش در قطر پرتوی خام هم باعث کاهش هم قطر نقطه و هم از عمق فوکوس می‌‎شود.

برای امکان مقایسه بین لیزرها با قطر پرتوهای مختلف، از عاملی به نام فوکوس شماره F استفاده می‌کنیم که این فاصله کانونی، F، بر اساس قطر پرتوی خام ورودی تقسیم می‌شود. الزامات برش به شرح زیر است:

• الف چگالی قدرت بالا که بر اساس آن، نقطه متمرکز کوچک است.
• ب عمق طولانی تمرکز برای پردازش مواد ضخیم‌تر با تحمل مناسب برای تغییر موقعیت تمرکز.
از آن جا که این دو مورد با یکدیگر در تضاد هستند، باید یک سازش انجام شود. تنها نکته دیگر این است که هر چه فاصله کانونی کوتاه‌تر باشد، لنز به قطعه کار نزدیک‌تر است و بنابراین احتمالا در اثر برش، در روند آن آسیب بیش‌تری دیده می‌شود.

 

در حقیقت، بهینه سازی فاصله کانونی برای هر ضخامت مواد ممکن است اما این شامل زمان تنظیم اضافی هنگام تغییر از یک شغل به شغل دیگر می‌شود که باید در برابر افزایش سرعت متعادل باشد. در واقعیت، از تغییر لنز جلوگیری می‌شود و با سرعت برش سازشی انجام می‌پذیرد. مگر این که یک کار خاص، دارای الزامات ویژه باشد.

 

 

کدام نوع برش لیزری برای ورق فلزی استفاده می‌شود؟

امروزه در پویان فلز و اکثر شرکت های بزرگ، بیش‌تر برش‌های لیزری فلزی صنعتی با استفاده از دو نوع لیزر CO2 و فیبر انجام می‌شود.

 

 

لیزر CO2

لیزر CO2 (دی اکسید کربن) در مخلوط گاز تولید می‌شود که بیش تر از دی اکسید کربن، هلیوم و ازت تشکیل شده است. چنین لیزری با استفاده از تخلیه الکتریکی به صورت الکتریکی پمپ می‌شود. لیزرهای CO2 معمولا در طول موج 10.6 میکرومتر منتشر می‌شوند. آن‌هایی که براش پردازش مواد استفاده می‌شوند، می‌توانند پرتوهای بسیاری از کیلووات قدرت را تولید کنند. راندمان‌های دیافراگم لیزر CO2 حدود 10 درصد است که بیش‌تر از لیزرهای حالت جامد پمپ لامپ (به عنوان مثال لیزرهای ND: YAG) است اما پایین‌تر از بسیاری لیزرهای دارای دیود است.

 

یک لیزر CO2 می‌تواند مواد ضخیم‌تر از 5 میلی‌متر را سریع‌تر از یک لیزر فیبر با همان قدرت برش دهد. همچنین هنگام برش مواد ضخیم‌تر، یک سطح صاف‌تر ایجاد کند. تاریخ برش لیزری فلزات، با لیزرهای CO2 آغاز شد. اکثر دستگاه‌های برش لیزر CO2 سیستم‌های سه محوره (X,Y کنترل موقعیت یابی دو بعدی و Z کنترل ارتفاع محور هستند) با این وجود چندین راه برای دستیابی به حرکت X,Y وجود دارد: با حرکت دادن سر لیزر، حرکت دادن قطعه کار یا ترکیبی از هر دو.

محبوب‌ترین رویکرد به عنوان سیستم نوری پرواز شناخته می‌شود جایی که قطعه کار در حالت ثابت قرار دارد و آینه‌ها در دو محور X,Y جا به جا می‌شوند. از مزایای این رویکرد این است که موتورها همیشه در جرم ثابت و مشخصی حرکت می‌کنند. این اغلب می‌تواند بسیار سنگین‌تر از قطعه کار باشد اما پیش بینی و کنترل آن آسان‌تر است.

از آن جا که قطعه کار جا به جا نمی‌شود، بدان معنی است که هیچ محدودیت واقعی برای وزن ورق وجود ندارد. نقطه ضعف سیستم نوری پرواز، در اندازه پرتو است؛ زیرا پرتوی لیزر هیچگاه موازی نیست و در حالی که لیزر را ترک می‌کند، کمی واگرا می‌شود.
این بدان معنی است که بدون کنترل واگرایی، ممکن است تغییراتی در عملکرد برش بین قسمت‌های مختلف ایجاد شود که به دلیل تغییر اندازه در پرتو خام است. این اثر را می‌توان با اضافه کردن یک نور موازی کاهش داد یا برخی از سیستم‌ها از کنترل آینه تطبیقی نیز استفاده می‌کنند.
جایگزین یک سیستم نوری ثابت است که در آن سر لیزر ثابت باقی می‌ماند و قطعه کار در هر دو محور X,Y منتقل می‌شود. این وضعیت ایده‌آل به صورت نوری است اما وضعیت بدتر از نظر مکانیکی است به خصوص برای ورق‌های سنگین‌تر. برای ورق‌های نسبتا سبک، یک سیستم نوری ثابت می‌تواند گزینه مناسبی باشد اما با افزایش وزن ورق، قرارگیری دقیق مواد با سرعت بالا می‌تواند یک مشکل باشد.

 

 

گزینه سوم در پویان فلز، به عنوان یک سیستم ترکیبی شناخته می‌شود که سر لیزر در یک محور حرکت می‌کند و مواد در محور دیگر منتقل می‌شوند. این اغلب بهبودی در نور ثابت است اما هنوز هم با وزن سنگین‌تر، ورق دچار مشکل می‌شود.

 

 

لیزرهای فیبری

لیزرهای فیبری عضو خانواده‌ای هستند که لیزرهای حالت جامد نامیده می‌شوند. در لیزرهای حالت جامد، پرتو توسط یک محیط جامد تولید می‌شود. لیزرهای فیبر، لیزرهای دیسک و لیزرهای ND:YAG در یک گروه قرار دارند. پرتو لیزر فیبر توسط یکسری دیودهای لیزر ایجاد می‌شود.
پرتو لیزر سپس از طریق فیبر نوری که در آنجا تقویت می‌شود، منتقل می‌شود شبیه یک حفره لیزری معمولی در لیزرهای CO2 پرتو تقویت شده، در هنگام خروج از فیبر نوری جمع می‌شود و سپس توسط یک لنز یا آینه مقعر، بر روی ماده قابل برش متمرکز می‌شود.

منابع لیزر فیبر مزایای زیر را دارند:

1- یک منبع لیزر فیبر برخلاف یک تشدید کننده CO2 معمولی، هیچ منبع متحرک (به عنوان مثال فن‌هایی برای گردش گاز) یا آینه‌هایی در منبع تولید نور ندارد. این یک مزیت عمده از نظر کاهش نیازهای نگهداری و هزینه‌های عملیاتی است.
2- لیزرهای فیبر معمولا دو تا سه برابر انرژی بیش‌تری دارند که لیزرهای CO2 با همان قدرت دارند.
3- لیزر فیبر می‌تواند ورق‌های نازک را سریع‌تر از یک لیزر CO2 با همان قدرت برش دهد. این امر به دلیل جذب بهتر طول موج لیزر فیبر در جهت برش است.
4- لیزرهای فیبر قادر به قطع مواد بازتابنده و بدون ترس از بازتاب‌های برگشتی به دستگاه هستند. این امر باعث می‌شود مس، برنج و آلومینیوم بدون مشکل بریده شوند.

 

 

لیزرهای دیود مستقیم

فناوری لیزر با دیود مستقیم، آخرین پیشرفت در زمینه لیزرهای حالت جامد است. در این فناوری چندین پرتو لیزر ساطع شده از دیودهای ساطع شده با لیزر با طول موج های مختلف با استفاده از تکنیک‌های به اصطلاح ترکیبی پرتو، برافروخته می‌شوند.
برخلاف لیزرهای فیبر، لیزرهای دیود مستقیم شامل مرحله تقویت روشنایی نیستند و باعث می‌شوند تلفات نوری کمتری به دست آمده و راندمان دیافراگم بالاتری داشته باشند. با این حال به همین دلیل لیزرهای دیود مستقیم در مقایسه با لیزرهای فیبر، از کیفیت پرتوی پایین‌تری برخوردار هستند. لیزرهای دیود مستقیم در سطح چند کیلو وات قدرت تجاری در دسترس هستند و با موفقیت در برنامه‌های برش فلز مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

 

 

انعکاس باعث چه مشکلاتی می‌شود؟

تمام مواد فلزی نسبت به پرتوهای لیزر CO2 تاثیر منفی دارند تا این که به یک مقدار آستانه چگالی خاص برسند. آلومینیوم نسبت به فولاد منگنز کربن یا استیل، ضد زنگ تر است و پتانسیل ایجاد آسیب به خود لیزر را نیز دارد.
اکثر دستگاه‌های برش لیزری از یک پرتوی لیزری که به صورت عادی در صفحه ورقه مسطح قرار دارد، استفاده می‌کنند. این بدان معناست که در صورت بازتاب پرتو لیزر توسط صفحه صاف، می‌توان آن را از طریق اپتیکال، تحویل پرتو و به داخل لیزر منتقل کرد که به طور بالقوه باعث آسیب قابل توجهی می‌شود.
این بازتاب کاملا از سطح ورق حاصل نمی‌شود بلکه با تشکیل استخر مذاب ایجاد می‌شود که بسیار بازتابنده است. به همین دلیل، سادگی پاشیدن سطح ورق با روکش غیر منعکس کننده، مشکل را به طور کامل برطرف نمی‌کند. به عنوان یک قاعده کلی، افزودن عناصر آلیاژی، بازتابی از آلومینیوم به لیزر را کاهش می دهد، بنابراین آلومینیوم خالص سخت تر از آلیاژ سنتی 5000 سری است.
با پارامترهای برش خوب و مداوم، بسته به مواد مورد استفاده، احتمال بازتاب تقریباً به صفر می‌رسد. با این وجود، هنوز هم لازم است که در هنگام ایجاد شرایط، از آسیب دیدن لیزر یا اشکال در تجهیزات، جلوگیری کنیم.

 

 

سیستم برش آلومینیوم

که بیشتر تجهیزات مدرن از آن استفاده می‌کنند در واقع راهی برای محافظت از لیزر است و نه یک روش ابتکاری برای برش. این سیستم معمولاً به صورت یک سیستم بازتابی برگشتی عمل می‌کند که می‌تواند تشخیص دهد که آیا بیش از حد تابش لیزر از طریق اپتیک بازتاب می یابد.

این کار معمولاً قبل از ایجاد هرگونه آسیب عمده، لیزر را متوقف می‌کند. بدون استفاده از این سیستم خطرات ناشی از پردازش آلومینیوم وجود دارد. پویان فلز و مجموعه پویان فرم فلز خوارزمی به عنوان پیشرو در صنعت برش لیزری، این تضمین را می دهد که تمامی محصولات تولید شده توسط این شرکت، در بالاترین سطح و با بهترین و پیشرفته ترین تجهیزات انجام می گیرد.