القطع بالليزر: من أولى المبادئ إلى حالة الفن

نبذة مختصرة

  تقدم هذه الورقة لمحة عامة عن موضوع القطع بالليزر. المواضيع التي تشملها: تفاعلات المواد بالليزر ، أنواع الليزر المختلفة ، النمو التقني والتجاري لقطع الليزر والحالة الفنية.

المبادئ الأولى

  يتم إجراء معظم القطع بالليزر باستخدام ليزر CO2 أو Nd: YAG. تتشابه المبادئ العامة للقطع مع كلا النوعين من الليزر على الرغم من أن ليزر CO2 يسيطر على السوق لأسباب ، والتي ستتم مناقشتها في وقت لاحق في الورقة. الآلية الأساسية للقطع بالليزر بسيطة للغاية ويمكن تلخيصها على النحو التالي:

1. يتم إنتاج شعاع عالي الكثافة من ضوء الأشعة تحت الحمراء بواسطة ليزر.

2. هذا الشعاع يركز على سطح الشغل بواسطة العدسة.

3. تسخن الحزمة المركزة المادة وتنشئ ذوبانًا محليًا جدًا (يبلغ قطره عادة أقل من 0.5 ملم) في جميع أنحاء عمق الورقة.

4. يتم إخراج المادة المنصهرة من المنطقة بواسطة نفاثة غازية مضغوطة تعمل بشكل محوري مع شعاع الليزر كما هو موضح في التين 1. (NB مع بعض المواد ، يمكن لهذا الغاز النفاث تسريع عملية القطع من خلال العمل الكيميائي والمادي أيضًا. على سبيل المثال ، يتم قطع الكربون أو الفولاذ الخفيف بشكل عام في طبقة نفاثة من الأكسجين النقي ، وتولد عملية الأكسدة التي بدأها تسخين الليزر درجة الحرارة الخاصة بها وهذا يزيد بشكل كبير من كفاءة العملية.

5. يتم نقل هذه المنطقة الموضعية من إزالة المواد عبر سطح الورقة وبالتالي توليد قطع. تتحقق الحركة عن طريق التلاعب في البقعة الليزرية المركزة (بواسطة مرايا CNC) أو بتحريك الورقة ميكانيكياً على طاولة CNC X-Y. تتوفر أيضًا أنظمة "الهجين" حيث يتم نقل المادة في محور واحد ويتم نقل بقعة الليزر في الجانب الآخر. تتوفر أنظمة روبوتية بالكامل لتمييز أشكال ثلاثية الأبعاد. Nd: يمكن لليزر YAG استخدام الألياف البصرية بدلا من المرايا لكن هذا الخيار غير متوفر لطول ليزر CO2 الأطول الموجي.

  الشكل 1. تخطيطي لقطع الليزر. يمكن ضبط حامل العدسة أو الفوهة (أو كليهما) من اليسار إلى اليمين أو الدخول والخروج من مستوى الرسم. هذا يسمح لمركزية الحزمة الموجهة مع فوهة. يمكن أيضًا ضبط المسافة الرأسية بين الفوهة والعدسة. قبل الانتقال إلى وصف أكثر تفصيلاً لعملية القطع ، الآن هو الوقت المناسب لتلخيص فوائد القطع بالليزر.

أ. عملية التخفيض بسرعة عالية مقارنة بطرق التنميط الأخرى. على سبيل المثال ، ليزر CO2 1500W سوف يقطع الفولاذ الطري 2mm في 7.5mmin-1. سوف تقوم الآلة نفسها بقص ألواح الأكريليك السميكة 5mm عند ~ 12mmin-1.

في معظم الحالات (مثل المثالين المذكورين أعلاه) ستكون مكونات القطع جاهزة للخدمة فور قطعها دون أي عملية تنظيف لاحقة.

C. عرض القطع (عرض الشق) ضيق للغاية (عادة 0.1 إلى 1.0mm). يمكن القيام بعمل تفصيلي للغاية دون قيود على الحد الأدنى من دائرة نصف قطرها الداخلي التي تفرضها آلات الطحن والطرق الميكانيكية المماثلة.

D. يمكن أن تكون عملية التحكم CNC بالكامل. هذا بالإضافة إلى عدم الحاجة إلى ترتيبات تعقيدات معقدة ، يعني أنه يمكن تغيير الوظيفة من خلال قطع المكون "A" من الفولاذ إلى قطع المكون "B" خارج البوليمر في ثوانٍ. (ملاحظة: Nd: YAG الليزر لا يمكن قطع معظم المواد البلاستيكية لأنها شفافة إلى Nd: YAG ضوء الليزر).

E. على الرغم من أن القطع بالليزر عملية حرارية ، فإن المساحة الفعلية التي يتم تسخينها بواسطة الليزر تكون صغيرة جدًا ويتم إزالة معظم هذه المادة الساخنة أثناء القطع. وبالتالي ، فإن المدخلات الحرارية إلى الجزء الأكبر من المواد منخفضة للغاية ، والحد من المناطق المصابة بالحرارة والتشويه الحراري عموما يتم تجنبه.

F. وهي عملية عدم اتصال ، مما يعني أن المواد تحتاج فقط إلى شدها برفق أو وضعها تحت الحزم فقط. يمكن قطع المواد المرنة أو الضعيفة بدقة كبيرة ولا تشوه أثناء القطع ، كما هو الحال عند القطع بالطرق الميكانيكية.

نظرا إلى طبيعة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي لهذه العملية ، فإن ضيق عرض keft وعدم وجود قوة ميكانيكية على الورقة يتم قطعها ، يمكن ترتيب المكونات "للالتصاق" بالقرب من بعضها البعض. وبالتالي ، يمكن تقليل النفايات المادية إلى الحد الأدنى. في بعض الحالات ، يمكن تمديد هذا المبدأ إلى أن لا تكون هناك أية نفايات على الإطلاق بين حواف متماثلة من المكونات المتجاورة.

H. على الرغم من أن التكلفة الرأسمالية لآلة القطع بالليزر كبيرة ، فإن تكاليف التشغيل منخفضة بشكل عام. توجد العديد من الحالات الصناعية حيث دفعت منشأة كبيرة لنفسها في أقل من عام.

1. إن العملية هادئة للغاية مقارنة بالتقنيات المتنافسة ، وهو عامل يحسن بيئة العمل والكفاءة أو الكادر التشغيلي.

تعتبر آلات القطع بالليزر آمنة الاستخدام للغاية بالمقارنة مع العديد من نظائرها الميكانيكية.

مقارنة بين CO2 و Nd:

  YAG قطع الليزر. ثاني أكسيد الكربون و Nd: ليزر YAG على حد سواء توليد حزم عالية الكثافة من ضوء الأشعة تحت الحمراء والتي يمكن أن تركز وتستخدم للقطع.

  أقل بكثير Nd: يتم بيع ليزر YAG كما آلات القطع مقارنة مع ليزر CO2. ويرجع ذلك إلى أن ليزر CO2 يكون أكثر فعالية في تطبيقات القطع العامة. nd: ليزر YAG المفضل فقط:

A. إذا كان العمل التفصيلي الدقيق للغاية مطلوبًا في قسم المواد الرقيقة.

ب- إذا كانت المواد العاكسة للغاية مثل سبائك النحاس أو الفضة يجب أن تُقطع على أساس منتظم

أو

C. في حالة استخدام ليف ضوئي لنقل شعاع الليزر إلى قطعة العمل.

  على الرغم من أن ليزر CO2 و Nd: YAG يولدان ضوء الأشعة تحت الحمراء ، فإن طول موجة ضوء ليزر CO2 هو عشرة أضعاف من آلات Nd: YAG (10.6 ميكرون و 1.06 ميكرون على التوالي). نظرًا لأن ضوء الليزر Nd: YAG له طول موجي أقصر ، فإنه يتميز بثلاث مزايا أكثر من ضوء ليزر CO2:

1. Nd: يمكن تركيز ضوء الليزر YAG إلى بقعة أصغر * من ضوء ليزر CO2. وهذا يعني أنه يمكن تحقيق عمل أكثر تفصيلاً وأكثر تفصيلاً (مثل أيدي الساعة الزينة).

2. Nd: YAG ضوء الليزر ينعكس بسهولة أقل من الأسطح المعدنية. لهذا السبب ، تتناسب ليزر Nd: YAG للعمل على معادن عاكسة للغاية مثل الفضة.

3. Nd: YAG ضوء يمكن أن ينتقل من خلال الزجاج (ضوء CO2 لا يمكن). وهذا يعني أنه يمكن استخدام عدسات زجاجية عالية الجودة لتركيز الشعاع على أقل حجم ممكن *. أيضا ، يمكن استخدام الألياف البصرية الكوارتز لحمل شعاع لمسافات طويلة نسبيا إلى الشغل. وقد أدى ذلك إلى استخدام واسع النطاق لليزر Nd: YAG على خطوط إنتاج السيارات حيث تكون المساحة المتاحة على الخطوط مرتفعة.

  * ملاحظة: في حالة استخدام الألياف الضوئية ، قد تفقد قدرة ضوء الليزر Nd: YAG إلى نقطة صغيرة جدًا إذا كان متوسط ​​الطاقة أعلى من 100 واط. قد يكون حجم البقعة المركّز بعد السفر عبر الألياف الضوئية أكبر من بقعة ليزر CO2

  يكون للطول الموجي الأقصر: Nd: YAG ضوء الليزر عيب رئيسي واحد:

1. معظم المواد العضوية (مثل البلاستيك ، والمنتجات الخشبية ، والجلود ، والمطاط الطبيعي ، إلخ) تكون شفافة لضوء الليزر Nd: YAG. لهذا السبب لا يمكن قطعها بواسطة ليزر Nd: YAG. إذا كانت طاقة الليزر منخفضة أو حجم البقعة المركزة كبيرًا ، يمر الضوء عبر المادة بدون تدفئة كافية لقصها. إذا ازدادت كثافة شعاع الليزر ، عن طريق زيادة الطاقة أو تقليل حجم البقعة ، ستستجيب المادة في النهاية مع انفجار موضعي قد ينتج عنه تمزق أو ثقب.

  الوضع مع غير المعادن غير العضوية (مثل السيراميك والنظارات والكربون وما إلى ذلك) معقدة إلى حد ما. يمكن استخدام ليزر CO2 لخفض نسبة كبيرة من هذه المواد ، ولكن ، مرة أخرى ، يمكن أن تواجه آلات YAG في مشاكل المواد الشفافية (وهذا ينطبق على الزجاج والكوارتز على سبيل المثال). قصة نجاح واحدة لكلا النوعين من الليزر هي تحديد سمات ركائز السيراميك لصناعة الإلكترونيات. في بعض الحالات ، يمكن للحشوات غير العضوية التي تستخدم في تلوين المواد البلاستيكية أو تصلبها أن تجعلها مناسبة للقطع Nd: YAG. بشكل عام ، ومع ذلك ، يتم قطع البوليمرات فقط من خلال ليزر CO2.

باختصار ، يمكن استخدام ليزر Nd: YAG لقص التفاصيل الدقيقة ، أو يمكن استخدامه مع ألياف بصرية في هذه الحالة لن يكون من الممكن الحصول على التفاصيل الدقيقة (إلا عند تقطيع الرقائق أو الأقنعة الرقيقة عند طاقة منخفضة). وهي مناسبة بشكل خاص لقطع سبائك عالية الانعكاسية ولكن لا يمكن قطع العديد من غير المعادن.

  من ناحية أخرى ، عادةً ما تكون ليزر ثاني أكسيد الكربون طريقة إنتاج أرخص ، ولذلك فهي مفضلة لأغراض هندسية عامة. كما تتميز ليزرات ثاني أكسيد الكربون بقدرة على قطع نطاق أوسع من المواد من المعادن إلى البوليمرات والخشب.

آليات القطع

  يمكن أن تقوم آليات القطع بتقطيع المواد بالليزر من خلال مجموعة متنوعة من الآليات المختلفة الموضحة أدناه. يتضمن العنوان الفرعي لكل آلية قطع الإشارة إلى مجموعات المواد المقطوعة وأي من الليزرات متضمنة.

  ذوبان القص أو القطع الانصهار (معظم المعادن واللدائن الحرارية - CO2 و Nd: YAG lasers)

  الشكل 2 هو تخطيطي لعملية القص الذائب أو القطع الانصهار. (يشار إليه أيضًا باسم "قطع الغاز الخامل"). [1] في هذه الحالة يذوب شعاع الليزر المركب الشغل ويتم إخراج الصهر من الجزء السفلي للقطع بواسطةالعمل الميكانيكي للطائرات النفاثة الغازية. تشمل المواد التي يتم قطعها بهذه الطريقة غالبية المواد التي يمكن صهرها بمعنى المعادن واللدائن الحرارية. لقطع الليزر بنجاح هذه المواد ، نحتاج إلى اختيار غاز القطع لدينانوع والضغط بعناية.

  يتم اختيار نوع قطع الغاز اعتمادًا على الطبيعة التفاعلية للمواد التي يتم قطعها ، أي

  لا تتفاعل اللدائن الحرارية المولدة كيميائياً مع النيتروجين أو الأكسجين ، لذلك يمكن استخدام الهواء المضغوط كغاز قطع.

  يتفاعل الفولاذ المقاوم للصدأ المصهور مع الأكسجين ولكن ليس مع النيتروجين ولذلك يستخدم النيتروجين في هذه الحالة.

  يتفاعل التيتانيوم المصهور مع الأكسجين أو النيتروجين ، لذلك فإن الأرجون (الخامل كيميائياً) يستخدم كغاز القطع.

  ويعتمد ضغط الغاز المستخدم أيضًا على المواد التي يتم قطعها ، بمعنى أن إزالة البوليمر المنصهر من منطقة القطع (عند قطعه على سبيل المثال ، النايلون) لا يتطلب ضغطًا عاليًا وغازًا ،قطع الرأس قد يكون من 2 إلى 6 بار. من ناحية أخرى ، يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ المصهور دفعًا ميكانيكيًا أكبر بشكل كبير لإزالته من منطقة القطع وبالتالي فإن ضغوط العرض المستخدمة ستكون في النطاق 8–14 بار (يزيد الضغط المطلوب مع سمك الفولاذ).