القطع بالليزر

القطع بالليزرهي تقنية تستخدمالليزرلتبخير المواد، مما أدى إلى حافة القطع.في حين أنه يستخدم عادة لتطبيقات التصنيع الصناعي، فإنه يستخدم الآن من قبل المدارس والشركات الصغيرة والهندسة المعمارية والهواة.الليزرقطعيعمل عن طريق توجيه مخرجات الليزر عالي الطاقة الأكثر شيوعًا من خلال البصريات.البصريات الليزروCNC(التحكم العددي بالكمبيوتر) يستخدم لتوجيه شعاع الليزر إلى المادة.يستخدم الليزر التجاري لقطع المواد نظام التحكم في الحركة لمتابعة CNC أورمز Gللنمط الذي سيتم قطعه على المادة.يتم توجيه شعاع الليزر المركز نحو المادة، والتي إما أن تذوب، أو تحترق، أو تتبخر، أو تتطاير بعيدًا بواسطة تيار من الغاز، ترك حافة ذات تشطيب سطحي عالي الجودة.

تاريخ

في عام 1965، تم استخدام أول آلة قطع بالليزر للإنتاجتدريباتثقوب فيالماس يموت.تم تصنيع هذه الآلة بواسطةمركز أبحاث الهندسة الكهربائية الغربية.في عام 1967، كانت بريطانيا رائدة في قطع المعادن بنفث الأكسجين بمساعدة الليزر.وفي أوائل سبعينيات القرن العشرين، تم إدخال هذه التكنولوجيا حيز الإنتاج لقطع التيتانيوم لاستخدامه في تطبيقات الفضاء الجوي.وفي الوقت نفسه، شركة CO₂تم تكييف الليزر لقطع المعادن غير المعدنية، مثلالمنسوجات، لأنه في ذلك الوقت، CO₂لم تكن أشعة الليزر قوية بما يكفي للتغلب على هذه المشكلةتوصيل حراريمن المعادن.

عملية

يتم تركيز شعاع الليزر بشكل عام باستخدام عدسة عالية الجودة على منطقة العمل.الجودة الشعاعله تأثير مباشر على حجم البقعة المركزة.يبلغ قطر الجزء الأضيق من الحزمة المركزة عمومًا أقل من 0.0125 بوصة (0.32 مم).اعتمادا على سمك المادة،الشقمن الممكن أن يصل عرضها إلى 0.004 بوصة (0.10 مم). لكي تتمكن من البدء في القطع من مكان آخر غير الحافة، يتم عمل ثقب قبل كل قطع.يتضمن الثقب عادةً شعاع ليزر نبضي عالي الطاقة يُحدث ثقبًا في المادة ببطء، ويستغرق حوالي 5 إلى 15 ثانية بسمك 0.5 بوصة (13 ملم).الفولاذ المقاوم للصدأ، على سبيل المثال.

غالبًا ما يقع قطر الأشعة المتوازية للضوء المتماسك من مصدر الليزر في نطاق يتراوح بين 0.06 إلى 0.08 بوصة (1.5 إلى 2.0 ملم).عادةً ما يتم تركيز هذا الشعاع وتكثيفه بواسطة عدسة أو مرآة إلى نقطة صغيرة جدًا تبلغ حوالي 0.001 بوصة (0.025 ملم) لإنشاء شعاع ليزر شديد الكثافة.من أجل تحقيق أفضل نتيجة ممكنة أثناء القطع الكنتوري، يجب تحديد اتجاه الشعاعالاستقطابيجب أن يتم تدويرها أثناء دورانها حول محيط قطعة العمل المحددة.بالنسبة لقطع الصفائح المعدنية، يكون البعد البؤري عادة 1.5-3 بوصة (38-76 ملم).

مميزات القطع بالليزرالقطع الميكانيكيةتتضمن سهولة إجراء العمل وتقليل تلوث قطعة العمل (نظرًا لعدم وجود حافة قطع يمكن أن تتلوث بالمواد أو تلوث المادة).قد تكون الدقة أفضل لأن شعاع الليزر لا يتآكل أثناء العملية.هناك أيضًا فرصة أقل لتشويه المادة التي يتم قطعها، نظرًا لأن أنظمة الليزر بها صغر حجمهامنطقة المتضررة الحرارة.كما أن بعض المواد يصعب جدًا أو يستحيل قطعها بالوسائل التقليدية.

يتميز القطع بالليزر للمعادن عن القطع بالبلازما بكونه أكثر دقة ويستخدم طاقة أقل عند قطع الصفائح المعدنية؛ومع ذلك، فإن معظم أجهزة الليزر الصناعية لا يمكنها اختراق سمك المعدن الأكبر الذي تستطيع البلازما اختراقه.آلات الليزر الأحدث التي تعمل بطاقة أعلى (6000 واط، على عكس تقديرات آلات القطع بالليزر المبكرة التي تبلغ 1500 واط) تقترب من آلات البلازما في قدرتها على قطع المواد السميكة، ولكن التكلفة الرأسمالية لهذه الآلات أعلى بكثير من تكلفة ماكينات القطع بالليزر. آلات القطع بالبلازما قادرة على قطع المواد السميكة مثل الألواح الفولاذية.

أنواع

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الليزر المستخدمة في القطع بالليزر.الشركة2الليزرمناسب للقطع والمملة والنقش.الالنيوديميوم(الثانية) والنيوديميومالإيتريوم والألومنيوم والعقيق(الثانية: ياج) الليزر متطابق في الأسلوب ويختلف فقط في التطبيق.يتم استخدام Nd للملل وحيث تكون هناك حاجة إلى طاقة عالية ولكن تكرار منخفض.يتم استخدام ليزر Nd:YAG حيثما تكون هناك حاجة إلى طاقة عالية جدًا وللحفر والحفر.كلا شركة2ويمكن استخدام ليزر Nd/Nd:YAGلحام.

شركة2عادةً ما يتم "ضخ" الليزر عن طريق تمرير تيار عبر مزيج الغاز (مثار بالتيار المستمر) أو باستخدام طاقة التردد اللاسلكي (مثار بالترددات اللاسلكية).الطريقة الترددات اللاسلكيةهو الأحدث وأصبح أكثر شعبية.نظرًا لأن تصميمات التيار المستمر تتطلب أقطابًا كهربائية داخل التجويف، فإنها يمكن أن تواجه تآكل القطب وطلاء مادة القطب عليهالأواني الزجاجيةوبصريات.نظرًا لأن رنانات التردد اللاسلكي تحتوي على أقطاب كهربائية خارجية، فهي ليست عرضة لهذه المشكلات.شركة2يتم استخدام الليزر في القطع الصناعي للعديد من المواد بما في ذلك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الطري والألمنيوم والبلاستيك والخشب والخشب الهندسي والشمع والأقمشة والورق.يستخدم ليزر YAG في المقام الأول لقطع ونقش المعادن والسيراميك.

بالإضافة إلى مصدر الطاقة، يمكن أن يؤثر نوع تدفق الغاز على الأداء أيضًا.المتغيرات الشائعة لـ CO2تشمل أشعة الليزر 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.تعمل أشعة الليزر ذات التدفق العرضي على توزيع مزيج الغاز بسرعة أقل، مما يتطلب منفاخًا أبسط.تحتوي الرنانات ذات الألواح أو المبردة بالانتشار على حقل غاز ثابت لا يتطلب أي ضغط أو أدوات زجاجية، مما يؤدي إلى توفير في استبدال التوربينات والأواني الزجاجية.

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

أميكروجيت ليزرهي طائرة موجهة بالمياه النفاثةالليزرحيث يقترن شعاع الليزر النابض بنفث ماء منخفض الضغط.يُستخدم هذا لأداء وظائف القطع بالليزر أثناء استخدام نفث الماء لتوجيه شعاع الليزر، مثل الألياف الضوئية، من خلال الانعكاس الداخلي الكلي.وتتمثل مزايا ذلك في أن الماء يزيل أيضًا الحطام ويبرد المادة.المزايا الإضافية التي يتميز بها القطع بالليزر "الجاف" التقليدي هي سرعات التقطيع العالية والتوازيالشق، والقطع متعدد الاتجاهات.

ليزر الأليافهي أحد أنواع ليزر الحالة الصلبة الذي ينمو بسرعة في صناعة قطع المعادن.على عكس CO₂، تستخدم تقنية الألياف وسيلة كسب صلبة، بدلاً من الغاز أو السائل.ينتج "ليزر البذور" شعاع الليزر ثم يتم تضخيمه داخل ألياف زجاجية.بفضل الطول الموجي الذي يبلغ 1064 نانومتر فقط، تنتج ألياف الليزر حجمًا صغيرًا جدًا للبقعة (أصغر بما يصل إلى 100 مرة مقارنة بثاني أكسيد الكربون).₂) مما يجعلها مثالية لقطع المواد المعدنية العاكسة.هذه هي إحدى المزايا الرئيسية للألياف مقارنةً بثاني أكسيد الكربون₂.

تشمل فوائد قطع الألياف بالليزر ما يلي: -

• أوقات المعالجة السريعة.
• انخفاض استهلاك الطاقة والفواتير - بسبب زيادة الكفاءة.
• موثوقية وأداء أكبر - لا توجد عناصر بصرية يمكن ضبطها أو محاذاتها ولا توجد مصابيح يمكن استبدالها.
• الحد الأدنى من الصيانة.
• القدرة على معالجة المواد شديدة الانعكاس مثل النحاس والنحاس الأصفر
• إنتاجية أعلى - توفر تكاليف التشغيل المنخفضة عائدًا أكبر على استثمارك.

طُرق

هناك العديد من الطرق المختلفة للقطع باستخدام الليزر، حيث تستخدم أنواع مختلفة لقطع المواد المختلفة.بعض الطرق هي التبخير، والصهر والنفخ، والصهر والحرق، والتكسير بالإجهاد الحراري، والخدش، والقطع البارد، والحرق المستقر بالليزر.

قطع التبخير

في القطع بالتبخير، يقوم الشعاع المركز بتسخين سطح المادة إلى نقطة وميض ويولد ثقبًا للمفتاح.يؤدي ثقب المفتاح إلى زيادة مفاجئةالامتصاصيةتعميق الحفرة بسرعة.ومع تعمق الثقب وغليان المادة، يؤدي البخار المتولد إلى تآكل الجدران المنصهرة مما يؤدي إلى قذفها للخارج وزيادة توسيع الحفرة.عادة ما يتم قطع المواد غير القابلة للذوبان مثل الخشب والكربون والبلاستيك المتصلد بالحرارة بهذه الطريقة.

تذوب وتنفخ

يستخدم القطع بالذوبان والنفخ أو الصهر غاز الضغط العالي لنفخ المواد المنصهرة من منطقة القطع، مما يقلل بشكل كبير من متطلبات الطاقة.أولاً، يتم تسخين المادة إلى نقطة الانصهار ثم يقوم نفاث غاز بنفخ المادة المنصهرة خارج الشق لتجنب الحاجة إلى رفع درجة حرارة المادة أكثر من ذلك.المواد المقطوعة بهذه العملية عادة ما تكون معادن.

تكسير الإجهاد الحراري

المواد الهشة حساسة بشكل خاص للكسر الحراري، وهي ميزة يتم استغلالها في التكسير بالإجهاد الحراري.يتم تركيز شعاع على السطح مما يسبب تسخينًا موضعيًا وتمددًا حراريًا.وينتج عن هذا صدع يمكن توجيهه بعد ذلك عن طريق تحريك الشعاع.يمكن تحريك الشق بالترتيب m/s.وعادة ما يستخدم في قطع الزجاج.

التقطيع الخفي لرقائق السيليكون

الانفصالالكترونية دقيقةرقائق كما أعدت فيتصنيع جهاز أشباه الموصلاتمنرقائق السليكونيمكن إجراؤها من خلال ما يسمى بعملية التقطيع الخفية، والتي تعمل بالنبضليزر Nd:YAG، الطول الموجي (1064 نانومتر) متكيف بشكل جيد مع الإلكترونياتفجوة الفرقةلالسيليكون(1.11فولتأو 1117 نانومتر).

قطع رد الفعل

يُطلق على القطع التفاعلي أيضًا "القطع الغازي بالليزر المحترق" و"القطع باللهب".القطع التفاعلي يشبه القطع بشعلة الأكسجين ولكن باستخدام شعاع الليزر كمصدر للإشعال.يستخدم في الغالب لقطع الفولاذ الكربوني بسماكة تزيد عن 1 مم.يمكن استخدام هذه العملية لقطع ألواح فولاذية سميكة للغاية باستخدام طاقة ليزر قليلة نسبيًا.