فرآیندهای اصلی برش لیزری

فرآیندهای اصلی برش لیزری شامل مراحل زیر می­ باشد:

1. تولید پرتو
2. تمرکز پرتو
3. گرمایش و ذوب موضعی
4. بیرون ریختن مواد
5. حرکت پرتو

هر مرحله جدایی ناپذیر از فرآیند برش لیزری است و هنگامی که به درستی اجرا گردد، یک برش دقیق ایجاد می­ نماید.

بررسی انواع فرآیندهای اصلی برش لیزری

1. تولید پرتو

اصطلاح لیزر از مخفف LASER یا Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation گرفته شده است. در اصل، این مخفف اصول اولیه تولید لیزر – تحریک و تقویت را خلاصه می­ نماید. همراه با این اصول، تشدید کننده لیزر از فرآیندهای گسیل خود به خود و انتشار تحریک شده برای تولید یک پرتو نور با شدت بالا استفاده می ­کند که هم از نظر فضایی و هم از نظر طیفی منسجم است (یعنی یک پرتو لیزر).

• • گسیل خود به خود:

تشدید کننده لیزر حاوی یک محیط لیزر فعال (مانند CO2، Nd:YAG و غیره) است که الکترون­ های آن توسط یک منبع انرژی خارجی، مانند لامپ فلاش یا قوس الکتریکی تحریک می­ گردد. همانطور که محیط انرژی دریافت و جذب می­ کند، اتم های آن فرآیندی را تجربه می کنند که به عنوان انتشار خود به خود شناخته می شود. در طی این فرآیند، انرژی جذب شده توسط یک اتم باعث می شود که الکترون های اتم برای مدت کوتاهی به سطح انرژی بالاتری بپرند و سپس به حالت اولیه خود بازگردند. پس از بازگشت الکترون ها به حالت پایه خود، اتم فوتون نوری ساطع می ­نماید.

• • گسیل تحریک‌شده:

فوتون‌هایی که در اثر گسیل خود به خود تولید می‌شوند، در محیطی حرکت می‌کنند که در حفره‌ای از تشدیدگر لیزری بین دو آینه قرار دارد. یک آینه بازتابنده است تا فوتون ها را در محیط حرکت کند، بنابراین آنها به انتشار گسیل های تحریک شده ادامه می دهند، و آینه دیگر تا حدی انتقال دهنده است تا به برخی فوتون ها اجازه فرار دهد. گسیل تحریک‌شده فرآیندی است که در آن یک فوتون (یعنی فوتون فرودی) اتمی را تحریک می‌کند که از قبل در سطح انرژی بالاتری قرار دارد. این برهم کنش اتم تحریک شده را مجبور می­ سازد تا با گسیل یک فوتون دوم با همان طول موج ثابت یا همدوس با فوتون فرود، به حالت پایه خود برسد.

حتما مطالعه کنید : پیشرفت در تکنولوژی جوشکاری لیزری

• • فرآیند انتشار یک فوتون:

گسیل فوتون دیگر، قدرت و شدت پرتو نور را تقویت می‌­نمایدد. بنابراین انتشار تحریک شده فوتون های نور (یعنی نوعی تابش الکترومغناطیسی) یا به عبارت دیگر، تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش باعث تقویت نور می­ گردد. فوتون های نادرست در رزوناتور از طریق آینه نیمه انتقال دهنده بدون انعکاس در محیط عبور می کنند و پرتو لیزر اولیه را ایجاد می­ نمایند. پس از تولید، پرتو وارد سر برش لیزر شده و توسط آینه ها به عدسی فوکوس هدایت می­ گردد.

2. تمرکز پرتو

لنز فوکوس پرتو لیزر را از طریق مرکز نازل در انتهای سر برش لیزر به سطح قطعه کار متمرکز می­ نماید. با فوکوس کردن پرتو، عدسی انرژی پرتو را در نقطه کوچک تری متمرکز می کند که شدت پرتو (I) را افزایش می دهد. معادله زیر اصل اساسی پشت این اتفاق را نشان می دهد:

Power Density (Intensity) = P/πr^2

جایی که P قدرت پرتو لیزر اولیه را نشان می دهد و πr2 نشان دهنده سطح مقطع پرتو است. همانطور که لنز پرتو لیزر را متمرکز می کند، شعاع (r) پرتو کاهش می یابد. این کاهش شعاع، سطح مقطع را کاهش می‌دهد، که به نوبه خود شدت آن را افزایش می‌دهد، زیرا اکنون قدرت آن در سطح کوچک‌تری توزیع می‌گردد.

3. گرمایش و ذوب موضعی و خروج مواد

همانطور که پرتو به سطح ماده برخورد می­ کند، مواد تشعشع را جذب می­ نماید و انرژی داخلی را افزایش می ­دهد و گرما تولید می­ کند. شدت بالای پرتو لیزر به آن اجازه می دهد تا یک ناحیه موضعی از سطح قطعه کار را گرم، ذوب و تا حدی یا به طور کامل تبخیر نماید. ضعیف شدن و حذف ناحیه آسیب دیده مواد برش های مورد نظر را تشکیل می دهد. گاز کمکی که در سر برش لیزر ساطع می ­گردد و به صورت هم محور به پرتو متمرکز می رود، برای محافظت و خنک کردن لنز فوکوس استفاده می شود، و ممکن است برای بیرون راندن مواد ذوب شده به بیرون از پوسته استفاده شود. برش لیزری از چندین نوع مکانیزم برش و حذف مواد از جمله برش ذوبی، برش تخریب شیمیایی، برش تبخیر، خط کشی و برش اکسیداسیون استفاده می ­نماید.

• • برش فیوژن: که به آن برش مذاب گاز بی اثر یا برش گاز بی اثر نیز گفته می­ شود، برش فیوژن توسط دستگاه های برش لیزر CO2 و Nd:YAG استفاده می­ شود. پرتو لیزر تولید شده توسط دستگاه برش قطعه کار را ذوب می ­کند و مواد ذوب شده توسط یک جت گاز کمکی به کار رفته از ته قفسه خارج می شود. گاز کمکی و فشار گاز کمکی به کار گرفته شده به نوع ماده بریده شده بستگی دارد، اما گاز بی اثر همیشه بر اساس عدم واکنش شیمیایی آن نسبت به ماده انتخاب می شود. این مکانیزم برای برش لیزری اکثر فلزات و ترموپلاستیک ها مناسب می­  باشد.

• • تخریب شیمیایی: تجزیه شیمیایی توسط دستگاه های برش لیزر CO2 استفاده می­شود و برای برش لیزری پلیمرهای ترموست و مواد آلی مانند چوب مناسب است. از آنجایی که مواد ترموست و آلی در هنگام اعمال گرما ذوب نمی شوند، پرتو لیزر در عوض مواد را می سوزاند و به کربن و دود تبدیل می­ گردد.

• • برش تبخیری: برش تبخیری توسط دستگاه های برش لیزر CO2 استفاده می شود و به دلیل نزدیک بودن نقطه ذوب و جوش برای موادی مانند اکریلیک و پلی استال برش لیزری مناسب است. از آنجایی که لیزر تبخیر مواد در طول برش تبخیر می شود، لبه تولید شده به طور کلی براق و صیقلی است.

• • حکاکی کردن: حکاکی کردن توسط دستگاه های برش لیزر CO2 و Nd:YAG برای ایجاد شیارها یا سوراخ هایی با نفوذ جزئی یا کامل، معمولاً بر روی سرامیک ها یا تراشه های سیلیکونی استفاده می شود. این شیارها و سوراخ ها امکان شکستن مکانیکی در امتداد خطوط ساختاری ضعیف شده را فراهم می­ کنند.

• • برش اکسیداسیون: که به آن برش اکسیژن شعله نیز گفته می­شود، برش اکسیداسیون توسط دستگاه های برش لیزر CO2 و Nd:YAG استفاده می­شود و برای برش لیزر فولاد نرم و کربنی مناسب است. برش اکسیداسیون یکی از نمونه‌های مکانیزم برشی، برش مذاب گاز راکتیو است که به طور خاص از گازهای کمکی واکنش‌پذیر شیمیایی استفاده می‌کند.. همانطور که از نامش پیداست، برش اکسیداسیون از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می کند که به طور گرمازایی با مواد واکنش می دهد. گرمای تولید شده فرآیند برش را تسریع و یک لبه مذاب اکسید شده تولید می‌­نماید که می‌تواند به راحتی توسط یک جت گاز حذف شود تا لبه‌ای تمیزتر در برش لیزری ایجاد گردد.

4. بررسی حرکت پرتو در فرآیند برش لیزری

هنگامی که گرمایش، ذوب یا تبخیر موضعی شروع گردید، دستگاه ناحیه حذف مواد را در سراسر قطعه کار حرکت می‌دهد تا برش کامل ایجاد شود. این دستگاه با تنظیم آینه های بازتابنده، کنترل سر برش لیزری یا دستکاری قطعه کار به حرکت دست می یابد. سه پیکربندی مختلف برای ماشین‌های برش لیزری وجود دارد که با نحوه حرکت یا حرکت پرتو لیزر بر روی مواد تعریف می‌شوند: مواد متحرک، اپتیک پرواز، و سیستم‌های برش لیزر ترکیبی.

• • مواد متحرک (Moving Material): دستگاه های برش لیزری مواد متحرک دارای یک پرتو لیزر ثابت و یک سطح برش متحرک هستند که مواد به آن چسبانده می شود. قطعه کار به صورت مکانیکی در اطراف تیر ثابت حرکت می کند تا برش های لازم ایجاد گردد. این پیکربندی اجازه می دهد تا فاصله ایستادن یکنواخت و ثابتی داشته باشد و به اجزای نوری کمتری نیاز دارد.
  • اپتیک پرواز (Flying Optics): دستگاه­های برش لیزری اپتیک پرواز دارای یک سر برش لیزری متحرک و یک قطعه کار ثابت هستند. سر نازل روی قطعه کار ثابت در محورهای X و Y حرکت می دهد تا برش های لازم را ایجاد کند. انعطاف‌پذیری دستگاه‌های اپتیک پرنده برای برش مواد با ضخامت و اندازه‌های متغیر و همچنین امکان زمان‌های پردازش سریع‌تر مناسب است. با این حال، از آنجایی که پرتو به طور مداوم در حال حرکت است، طول پرتو در حال تغییر باید در طول فرآیند در نظر گرفته شود. طول پرتو در حال تغییر را می توان با کولیماسیون (تراز کردن اپتیک)، با استفاده از یک محور طول پرتو ثابت، یا استفاده از اپتیک تطبیقی یا سیستم کنترل ارتفاع خازنی که قادر به انجام تنظیمات لازم در زمان واقعی است، کنترل نمود.
  • برش لیزر ترکیبی (Hybrid): ماشین‌های برش لیزری ترکیبی، ترکیبی از ویژگی‌های موجود در مواد متحرک و ماشین‌های اپتیک پرنده را ارائه می‌دهند. این ماشین‌ها دارای یک میز جابجایی مواد هستند که روی یک محور (معمولاً محور X) حرکت می‌کند و یک سر لیزری که روی دیگری (معمولاً محور Y) حرکت می‌کند. سیستم‌های ترکیبی در مقایسه با سیستم‌های اپتیک پرنده، امکان تحویل پرتوهای سازگارتر و کاهش تلفات توان و ظرفیت بیشتر در هر وات را فراهم می­نمایند.

لیزرها به صورت پرتوهای پالسی یا پرتوهای موج پیوسته تولید می­شوند. مناسب بودن هر کدام به خواص ماده برش داده شده و نیازهای کاربردهای برش لیزری بستگی دارد. پرتوهای پالسی به صورت انفجارهای کوتاه خروجی توان تولید ، در حالی که پرتوهای موج پیوسته به صورت خروجی توان بالا و پیوسته تولید می شوند. نوع اولی معمولاً برای برنامه های برش خط یا تبخیر استفاده می­گردد و برای برش طرح های ظریف یا سوراخ کردن مواد ضخیم مناسب است، در حالی که دومی برای برنامه های برش با راندمان بالا و سرعت بالا مناسب است.

منبع سایت : prestigemetals