برش لیزری چیست و چگونه کار می کند؟

برش لیزری عمدتاً یک فرآیند حرارتی است که در آن از یک پرتو لیزر متمرکز برای ذوب مواد در یک منطقه موضعی و یک جت گازی هم محور برای بیرون ریختن مواد مذاب و ایجاد کرف استفاده می­ گردد. یک برش پیوسته با حرکت پرتو لیزر یا قطعه کار تحت کنترل CNC ایجاد می شود.

سه نوع عمده برش لیزری وجود دارد:

• برش ذوبی (فیوژن)

در این نوع  برش، از یک گاز بی اثر (معمولاً نیتروژن) برای بیرون راندن مواد مذاب از داخل پوسته استفاده می ­گردد. گاز نیتروژن به صورت گرمازا با مواد مذاب واکنش نمی دهد و بنابراین به انرژی ورودی کمک نمی ­نماید.

• برش شعله (هوا برش)

در برش شعله، از اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می­ گردد. این کار علاوه بر اعمال نیروی مکانیکی بر روی مواد مذاب، یک واکنش گرمازا ایجاد می­نماید که انرژی ورودی به فرآیند را افزایش می­ دهد.

• برش از راه دور

در برش از راه دور، مواد تا حدی توسط یک پرتو لیزر با شدت بالا تبخیر می‌شوند و اجازه می‌دهند ورق‌های نازک بدون گاز کمکی بریده شوند.

در فرآیند برش لیزری با استفاده از سیستم‌های آفلاین CAD/CAM که سیستم‌های تخت سه‌محوره یا روبات‌های شش محوره را برای برش‌های لیزری سه‌بعدی کنترل و به اتوماسیون کمک می‌کنند، استفاده می­ نمایند.

بهبود در دقت، مربع لبه و کنترل حرارت ورودی به این معنی است که فرآیند لیزر به طور فزاینده ای جایگزین سایر تکنیک­ های برش پروفیل مانند پلاسما و سوخت اکسی می ­گردند. دستگاه­ های لیزری بسیار پیشرفته ­ای در بازار برای اهداف برش وجود دارد که می­ توان از آنها برای برش فلزات، چوب­ها و … استفاده نمود.

لنز مورد استفاده در برش لیزری چه تاثیری بر ضخامت برش دارد؟

خدمات برش لیزری به دو دسته کلی خدمات برش لیزر فلزات و خدمات حک و برش لیزر غیر فلزات تقسیم می شود ، فرآیند برش لیزری شامل تمرکز یک پرتو لیزر، معمولاً با یک لنز (گاهی اوقات با یک آینه مقعر)، به نقطه کوچکی است که چگالی توان کافی برای ایجاد برش لیزری دارد. لنز با فاصله کانونی آن، که فاصله لنز تا نقطه متمرکز است، تعریف می­ گردد. قطر نقطه متمرکز (d) و عمق تمرکز (L) از جمله عوامل مهم بر کارایی فرآیند حاکم هستند. عمق فوکوس فاصله موثری است که می­ توان از آن برش رضایت بخشی حاصل کرد و می ­توان آن را به عنوان فاصله­ ای تعریف کرد که مساحت نقطه متمرکز بیش از ۵۰٪ افزایش نمی­ یابد.

قطر نقطه کانونی لیزر و عمق فوکوس به قطر پرتو لیزر خام روی لنز و فاصله کانونی لنز بستگی دارد. برای یک قطر پرتو لیزر خام ثابت، کاهش فاصله کانونی لنز و فوکوس منجر به قطر نقطه کانونی و عمق تمرکز کمتر می‌شود. برای یک لنز با طول فوکوس ثابت، افزایش قطر پرتو خام هم قطر نقطه و هم عمق فوکوس را کاهش می‌دهد.

بنابراین برای مقایسه بین لیزرهایی با قطر پرتوهای مختلف، از فاکتوری به نام عدد f فوکوس استفاده می‌کنیم که فاصله کانونی F است، تقسیم بر قطر پرتو خام ورودی، D.

الزامات برش لیزری چیست؟

الزامات برش لیزری به شرح زیر است:

• چگالی توان بالا و در نتیجه اندازه نقطه متمرکز کوچک
• عمق فوکوس طولانی برای پردازش مواد ضخیم تر با تحمل معقول برای تغییر موقعیت فوکوس.

چون این دو الزام با یکدیگر در تضاد هستند، باید مصالحه کرد. تنها نکته دیگر این است که هر چه فاصله کانونی کوتاه تر باشد، لنز به قطعه کار نزدیکتر است و بنابراین احتمال آسیب بیشتر در اثر پاشش در فرآیند برش وجود دارد. در واقع، می ­توان فاصله کانونی را برای هر ضخامت ماده بهینه نمود، اما این امر مستلزم زمان تنظیم اضافی هنگام تغییر از یک کار به کار دیگر است، که باید در برابر سرعت افزایش یافته متعادل و در واقع، از تغییر لنز اجتناب می شود.

چه نوع برش لیزری برای ورق فلز استفاده می شود؟

امروزه بیشتر برش ­های لیزری صنعتی ورق با استفاده از دو نوع لیزر CO2 و فایبر انجام می ­شود.

• لیزر CO2

لیزر CO2 (لیزر دی اکسید کربن) در مخلوط گازی تولید می ­شود که بیشتر از دی اکسید کربن (CO2)، هلیوم و نیتروژن تشکیل شده است. چنین لیزری با استفاده از تخلیه الکتریکی به صورت الکتریکی پمپ می شود. لیزرهای CO2 معمولاً در طول موج ۱۰.۶ میکرومتر منتشر می ­کنند. آنهایی که برای پردازش مواد مورد استفاده قرار می­ گیرند.

• لیزر فایبر

لیزرهای فایبر عضوی از خانواده ای به نام لیزرهای حالت جامد هستند. در لیزرهای حالت جامد، پرتو توسط یک محیط جامد تولید می شود. لیزرهای فایبر، لیزرهای دیسکی و لیزرهای Nd:YAG در همین دسته قرار دارند.

یک پرتو لیزر فایبر توسط یک سری از دیودهای لیزر تولید می ­شود. پرتو لیزر سپس از طریق یک فیبر نوری منتقل می­ شود و در آنجا تقویت می شود (شبیه به یک حفره لیزر معمولی در لیزرهای CO2). پرتو تقویت شده، هنگام خروج از فیبر نوری، همسو می­ شود و سپس توسط یک عدسی یا یک آینه مقعر بر روی ماده­ای که قرار است برش داده شود متمرکز می­ شود. لیزرهای فایبر دارای مزایای ذیل می ­باشند:

• • • برخلاف یک تشدید کننده CO2 معمولی، یک منبع لیزر فایبر هیچ بخش متحرک (به عنوان مثال فن برای گردش گاز) یا آینه در منبع تولید کننده نور ندارد. این یک مزیت بزرگ از نظر کاهش نیازهای تعمیر و نگهداری و هزینه های عملیاتی است.
    • لیزرهای فایبر معمولاً دو تا سه برابر لیزرهای CO2 با همان قدرت انرژی کارآمدتر هستند.
    • لیزر فایبر می­ تواند صفحات نازک را سریع تر از لیزر CO2 با همان قدرت برش دهد. این به دلیل جذب بهتر طول موج لیزر فایبر در قسمت جلویی برش است.
    • لیزرهای فایبر قادر به برش مواد بازتابنده بدون ترس از آسیب انعکاس پشت دستگاه هستند. این امر اجازه می­ دهد تا مس، برنج و آلومینیوم بدون مشکل بریده شوند.

انعکاس چه مشکلاتی ایجاد می کند؟

آلومینیوم نسبت به فولاد کربن منگنز یا فولاد ضد زنگ بازتابش بیشتری دارد و این پتانسیل را دارد که به خود لیزر آسیب برساند. اکثر دستگاه‌های برش لیزر از یک پرتو لیزر در راستای یک ورق صاف مواد استفاده می‌کنند. این بدان معناست که اگر پرتو لیزر توسط ورق مسطح منعکس شود، می تواند از طریق اپتیک تحویل پرتو  به خود لیزر منتقل و به طور بالقوه باعث آسیب قابل توجهی گردد.

این انعکاس به طور کامل از سطح ورق نمی آید، بلکه ناشی از تشکیل یک حوضچه مذاب است که می ­تواند بسیار بازتابنده باشد. به همین دلیل به سادگی پاشش سطح ورق با یک پوشش غیر بازتابنده مشکل را به طور کامل برطرف نمی ­نماید.

به عنوان یک قاعده کلی افزودن عناصر آلیاژی بازتاب آلومینیوم را به لیزر کاهش می دهد، بنابراین پردازش آلومینیوم خالص نسبت به آلیاژهای سنتی سری ۵۰۰۰ سخت تر است. با پارامترهای برش خوب و ثابت، بسته به مواد مورد استفاده، احتمال بازتاب را می­ توان تقریباً به صفر کاهش داد. با این حال، هنوز هم لازم است بتوان از آسیب دیدن لیزر در حین ایجاد شرایط یا در صورت بروز مشکل در تجهیزات جلوگیری نمود.