برش لیزر فلزات

دستگاه برش فلز با لیزر روی دستگاه CNC نیز سوار می شود و مسیر از پیش تعیین شده را به منظور برش دنبال می کند. اشعه لیزر متمرکز شده روی سطح قطعه، باعث ذوب شدن، تبخیر یا سوختن ناحیه برش می شود. دمش جت گاز فرآیند حذف مذاب از لبه برش را تکمیل می کند و سطحی با پرداخت بسیار عالی را به جا می گذارد.

فرآیند تولید اشعه لیزر در برش لیزر فلزات

تولید اشعه برش لیزر فلزات به وسیله تحریک ماده لیزر از طریق تخلیه الکتریکی یا لامپ های خاص در محفظه های بسته صورت می گیرد. بعد از تحریک ماده لیزر، اشعه توسط اپتیک های درون محفظه انعکاس می یابد تا جایی که به انرژی مطلوب برسد و سپس به شکل نور تک رنگ از محفظه آزاد می شود.

برای هدایت اشعه به لنز و قطعه کار از آینه ها یا اپتیک های فیبری استفاده می شود. اپتیک ها و لنز ها روی ضخامت اشعه برش لیزر فلزات مشابه ذره بین روی نور مرئی عمل می کنند. ضخامت اشعه لیزرمعمولا کمتر از 0.32 میلی متر است و تا 0.025 میلی متر کاهش می یابد بسته به ضخامت قطعه کار فلزی، پهنای شکاف در حدود 0.1 میلی متر به دست می آید.

روش های انجام برش لیزر فلزات

برش لیزر فلزات به چندین روش انجام می شود که بین آنها چند روش ذیل کاربرد بیشتری دارند. این روش ها به دسته های لیزر گازی، لیزر مایع و لیزر جامد تقسیم می شود. بین این روش ها لیزر مایع کاربرد چندانی در صنایع به خصوص در برش لیزر فلزات ندارد.

برش لیزر فلزات با لیزر CO₂

از بین روش های گازی برش لیزر ، لیزر CO₂ به منظور حکاکی، سوراخ کاری و برش استفاده می شود. برش فلز با لیزر CO₂ به وسیله گذراندن جریان با فرکانس رادیویی پر انرژی درون ترکیب گازی ایجاد می شود. روش برش فلز با لیزر CO₂ از طریق فرکانس رادیویی روش جدید تری است. روی جریان نیاز به الکترودی دارد که نه تنها خورده می شود بلکه احتمال تخریب اپتیک ها را نیز دارد. به دلیل پایین بودن هزینه تجهیزات برش لیزر فلزات در این روش، کماکان بسیاری از صنایع از لیزر CO₂ استفاده می کنند.

بزرگترین ایراد برش فلز با لیزر CO₂ انعکاس آن از سطح بیشتر فلزات و عدم توانایی نفوذ پذیری به منظور برش است. طول موج این دسته از لیزرها در حد نور مادون قرمز است. برش لیزر فلزات انعکاس دهنده مانند برنج یا آلومینیوم یا فلزاتی با ضریب انتقال حرارت بالا مثل مس با این فرآیند در عمل غیر ممکن است. بنابراین از برش لیزر CO₂  در صنعت بیشتر برای برش مواد غیر فلزی از قبیل چوب، پلاستیک، شیشه و سنگ یا برش فولادهای کربنی به کار می رود. به خصوص که در ضخامت های بیشتر برش با لیزر CO₂   کیفیت سطحی بهتری به جای می گذارد.

برش لیزر فلزات با لیزر کریستالی

لیزرهای کریستالی از جمله نئودیمیوم (Nd) و نئودیمیوم ایتریوم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG) شباهت های زیاد ولی کارکردهای متفاوتی دارند. در این دسته لیزرها از لامپ ها و دیود های لیزری برای برانگیختن یون های نئودیمیوم استفاده می شود. یون های برانگیخته شده انرژی خود را به شکل فوتون هایی با طول موج پایین آزاد می کنند.

لیزر یاگ Nd:YAG طول موج کوتاه تری نسبت به لیرز CO2 و انرژی بیشتری دارد و در صنعت برای طیف وسیع تری از برش لیزر فلزات به کار می رود. بزرگترین عیب این نوع لیزر استهلاک بالای قطعات آن است که نیاز به جایگزین کردن آن ها موجب بالا رفتن هزینه برش فلز با لیزر می شود.

برش لیزر فلزات با لیزر فایبر

از بین لیزرهای حالت جامد، لیزر فایبر نیز طول موجی در حد لیزرهای یاگ و ده برابر بیشتر از لیزرهای دی اکسید کربن دارد. در این لیزرها از فایبرهای شیشه ای برای شدت دادن به پرتو لیزر استفاده می کنند که منجر به ایجاد نقطه اثری بسیار نازک می شود. برش لیزر فلزات انعکاس دهنده یا هادی حرارت با استفاده از این فرآیند سهولت زیادی دارد. برش لیزر این دسته از فلزات با روش های دیگر با خطر انعکاس اشعه نور مواجه است. انعکاس اشعه در برش فلز با لیزر از نفوذپذیری اشعه جلوگیری می کند و به دستگاه آسیب می رساند.

از برش فلز با لیزر فایبربه دلیل سرعت عملکرد بالا و تاثیرات حرارتی پایین تر نسبت به روش های دیگر به طور روز افزونی در صنایع برش لیزر فلزات استفاده می شود. قیمت لیزر فایبراز نظر تجهیزات اندکی بالاتر از قیمت برش لیزری فلزات با دو فرآیند دیگر است، اما هزینه مصرف انرژی و تعمیرات در این روش به حدی کم است که در کنار عملکرد خوب، قیمت برش فایبر با در نظر گرفتن هزینه های بلند مدت به صرفه تر از روش های دیگر می شود.

برش لیزر فلزات با فرآیند میکروجت

لیزر میکروجت تلفیقی از فرآیند برش فلز با لیزر و برش واترجت است که در آن اشعه لیزر با جریان آب فشار پایین جفت می شود. در این فرآیند برش لیزر با استفاده از جریان آبی انجام می شود که همانند اپتیک ها جهت تاثیر اشعه را روی قطعه مشخص می کند.

جریان اشعه لیزر تماما درون ستون واترجت حبس می شود. مزایای این روش حذف ذرات کنده شده و خنک کنندگی سریع قطعه حین برش لیزر فلرات است. بنابراین از تاثیرات منفی گرما روی سطح برش جلوگیری می شود.

دمش گاز کمکی در فرآیند برش لیزر فلزات

در فرآیند برش، دمش گاز کمکی به منظور خروج مذاب از محل برش انجام می شود. به این منظور از اکسیژن یا گازهای نجیب مثل آرگون استفاده می شود. گاز کمکی باعث افزایش طول عمر اجزای اپتیکی، افزایش سرعت برش و بهبود کیفیت برش لیزر فلرات می شود. دقت در انتخاب فشار و نوع گاز برش روی کیفیت فرآیند تاثیر دارد.

گاز اکسیژن در برش لیزر فلرات

همانند روش هوابرش ، برش لیزر با اکسید ضعیف توسط اکسیژن باعث سوختن ماده و افزایش سرعت برش می شود. این افزایش سرعت به دلیل تولید انرژی اضافی برای حرارت دهی و کاهش دمای ذوب و بخار اکسید انجام می شود. این واکنش ها منجر به افزایش قابلیت نفوذ و ضخامت برش نیز می شود که به برش قطعات با ضریب بازتابش بالا یا ضخامت زیاد کمک می کند. اکسیژن بیشتر برای برش لیزری فلزاتی مثل فولادهای کربنی و فولادهای کم آلیاژ استفاده می شود و باعث پوشانده شدن سطح برش با لایه اکسیدی می شود.

برش لیزر فلزات با گاز خنثی

برش لیزر فلزات با گاز خنثی به منظور برش موادی همچون آلومینیوم و فولاد زنگ نزن که اکسید های نسوز دارند، انجام می شود. اکسیژن تاثیر منفی روی سرعت برش لیزر فلزات این دسته دارد. در برش فلز با لیزر با استفاده از این گازها، ذوب ماده فقط از طریق تابش پرتو صورت می گیرد و وظیفه گاز خارج کردن ماده ذوب شده از ناحیه برش است. بنابراین سرعت و ضخامت برش در این روش کمتر است و نیاز به فشار بیشتر گاز برای انجام فرآیند برش لیزر وجود دارد.

سیستم خنک کاری برش با لیزر

خنک کاری موثر دستگاه برش لیزر فلزات بر کیفیت برش با لیزر ورق فلزی قطعه کار تاثیر زیادی دارد. سیستم خنک کاری حول ژانراتور دستگاه لیزر و اپتیک ها می گردد و بایستی به طور مداوم توسط گردش ماده خنک کننده سرد شود. ماده خنک کننده در این سیستم معمولا هوا یا آب است.

ضخامت فلز قابل برش توسط لیزر

برش لیزر فلزات در مقایسه با برش پلاسما دقت عملکرد بیشتری دارد و انرژی کمتری مصرف می کند. با این وجود به طور کلی ضخامت برش فلز با لیزر ، کمتر از ضخامت برش پلاسما است. دستگاه های برش که در توان 6000 وات کار می کنند (در مقایسه با 1000 وات دستگاه های برش با لیزر معمول) قابلیت رسیدن به ضخامت برش پلاسما را دارند، اما قیمت برش لیزری فلزات با این دستگاه ها بسیار بالا است. به منظور برش با لیزر فلزاتی که قابلیت انعکاس نور و انتقال حرارت بالایی دارند بایستی از توان های بالاتری استفاده کرد. به طور کلی عمق ضخامت برش لیزری فلزات در توان 1000 وات برای فولاد کربنی 12 میلی متر، برای فولاد زنگ نزن 5 میلی متر و برای فلزات منعکس کننده مثل آلومینیوم و برنج حدود سه میلی متر تخمین زده می شود.

سرعت فرآیند برش لیزر فلزات

سرعت فرآیند برش لیزر در بیشتر ضخامت ها کمتر از سرعت برش پلاسما و بیشتر از سرعت واترجت است. برش ورقی به ضخامت 5 میلی متر توسط روش برش فلز با لیزر با توان 1000 وات برای فولاد ساده کربنی 1.5 تا 2 متر بر دقیقه و برای باقی مواد آزمایش شده زیر 1 متر بر دقیقه است. لازم به ذکر است که در برش لیزری فلزات دسته فولادهای ساده کربنی اثر اکسیژن نیز موجب تسریع سرعت برش می شود.

مزایای برش با لیزر

مزایای برش لیزر فلزات بر بیشتر فرآیند های مکانیکی شامل دقت بیشتر و آلوده شدن کمتر سطح برش است. همچنین به دلیل وجود منطقه متاثر از حرارت با پهنای کم ، اعوجاج و تاثیرات منفی ریزساختاری نیز در قطعه تحت برش وجود ندارد.

برش با لیزر توانایی برش طیف بسیار وسیعی از مواد را دارد. روش برش فلز با لیزر به دلیل تمرکز حرارت بالا قابلیت برش کاری قطعات نازک را هم دارد. روش برش پلاسما در برش قطعات نازک بسیار ضعیف عمل کرده و آن ها را تخریب می کند.

نقاط ضعف فرآیند برش لیزر فلزات

یکی از نقاط ضعف مهم برش با لیزر در زمینه سلامت اپراتور ها و آلودگی محیط کار، گازهای ایجاد شده حین فرآیند برش لیزر فلزات است. گازها و ذرات مضر برای سلامتی بیشتر در برش با لیزر پلیمرها ایجاد می شوند. اما برش لیزری فلزات نیز ممکن است ضررهای جدی برای سلامتی داشته باشند. ذرات کبالت، نیکل، کروم و گازهای نیتروژن دی اکسید باعث بروز سرطان یا آسیب های جدی به ریه می شوند. بنابراین تهویه مناسب در فرآیند برش لیزر فلزات از اهمیت بالایی برخوردار است. از سوی دیگر، نگاه کردن مستقیم به اشعه های لیزر پر انرژی (به طور مثال اشعه لیزر فایبری) موجب آسیب دیدگی شدید قرنیه و چشم می شود. در نتیجه، در کار با این نوع لیزرها محافظت از چشم نیز اهمیت بالایی دارد.

قیمت برش لیزری فلزات

قیمت برش لیزری فلزات مهمترین نقطه ضعف این فرآیند است. این هزینه هم در رابطه با تجهیزات و هم در رابطه با هزینه تعمیرات به طور متوسط بالاتر از تمامی روش های برش تجاری بوده و سرعت فرآیند نیز به اندازه ای بالا نیست که هزینه بالا را توجیه کند. با این وجود همانطور که پیشتر گفته شد، از آنجایی که قیمت لیزر فایبر به طور کلی پایین تر است، با توسعه لیزر فایبرهزینه های تعمیرات و تجهیزات برش لیزر تا حد زیادی کاهش می یابد.

قیمت برش لیزری فلزات بیشتر وابسته به جنس و ابعاد قطعه کار است. به طور کلی بالا بودن برش با لیزر ورق های فلزی با ضخامت بالا صرفه اقتصادی ندارد. برش لیزر فلزات ضخیم تر نیاز به دستگاهی با توان کاری بالاتر دارد که همین موجب افزایش مصرف انرژی، استهلاک زودهنگام قطعات دستگاه و لزوم استفاده از دستگاه های پیشرفته تر و در نهایت افزایش تصاعدی قیمت برش لیزری فلزات می شود. این مسئله به خصوص در برش لیزر فلزات انعکاس دهنده یا دارای ضریب هدایت حرارتی بالا نمود بیشتری می یابد. قطعات بزرگتر نیز ممکن است نیاز به دستگاه برش با میز بزرگتری داشته باشند که موجب افزایش قیمت برش لیزری فلزات می شود.