مقارنة كفاءة القطع بالليزر: الهواء مقابل الأكسجين مقابل النيتروجين

ويتكون الهواء، وهو "غاز الحياة" الأساسي الذي نتنفسه يوميًا، من حوالي 781 تيرابايت3 تيرابايت من النيتروجين، و211 تيرابايت3 تيرابايت من الأكسجين، و0.931 تيرابايت3 تيرابايت من الأرجون، و0.041 تيرابايت3 تيرابايت من ثاني أكسيد الكربون، وكميات ضئيلة من الغازات الأخرى بما في ذلك النيون والهيليوم والميثان والهيدروجين. أما بخار الماء فيمكن أن يشكِّل ما يصل إلى 41 تيرابايت3 تيرابايت من الغلاف الجوي في الظروف الرطبة.

والآن، دعونا نتعمق في فوائد القطع بالهواء في عملية القطع بالليزر.

مبدأ القطع بالهواء

ويشبه مبدأ القطع بالهواء إلى حد كبير مبدأ القطع بالنيتروجين في عمليات القطع بالليزر. فهو يسخر طاقة الليزر لصهر المعدن مع استخدام غاز عالي الضغط لطرد المواد المنصهرة من الشق. وأثناء هذه العملية، قد تخضع بعض المواد المعدنية للأكسدة أو الاحتراق، مما يؤدي إلى تكوين أكاسيد معدنية على سطح القطع. تشمل الأكاسيد الشائعة الألومينا الصلبة الرمادية (Al₂O₃)، والمغنتيت الصلب الأسود (Fe₃O₄)، وأكسيد النحاس (II) (CuO).

يمكن تسخير الهواء، الموجود في كل مكان في الغلاف الجوي، لتطبيقات القطع من خلال سلسلة من الخطوات التحضيرية. يتم ضغطه في البداية في خزان لتخزين الهواء، ثم يخضع لعمليات الترشيح والتبريد والتجفيف لإزالة الملوثات مثل الرطوبة والزيت. هذه المعالجة تجعل الهواء مناسبًا لعمليات القطع. إن التركيب الطبيعي للهواء، الذي يحتوي على ما يقرب من 21% من الأكسجين، يعوض جزئيًا غياب الأكسجين النقي أو النيتروجين النقي في عملية القطع.

من الناحية النظرية، يمكن تطبيق القطع الهوائي على أي مادة معدنية يمكن صهرها بواسطة طاقة الليزر. ومع ذلك، قد تختلف فعالية وجودة القطع اعتمادًا على عوامل مثل سُمك المادة والتوصيل الحراري ومعلمات الليزر المحددة المستخدمة. يمكن أن يؤدي وجود الأكسجين في الهواء إلى تفاعلات طاردة للحرارة مع بعض المعادن، مما قد يعزز سرعات القطع ولكنه يؤثر أيضًا على جودة حافة القطع وأكسدة السطح.

توفر طريقة القطع بالهواء بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لاستخدام الغازات النقية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات غير الحرجة أو المواد الأقل عرضة للأكسدة. ومع ذلك، بالنسبة للقطع الدقيق أو عند العمل مع المعادن عالية التفاعل، قد يكون من الأفضل استخدام غازات مساعدة أخرى مثل النيتروجين أو الأرجون لتقليل الأكسدة وتحقيق جودة حافة فائقة.

قطع الهواء تجربة الكفاءة والتأثير

تقييم أداء القطع على ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني وسبائك الألومنيوم باستخدام 6 كيلو وات القطع بالليزر ماكينة مزودة بالهواء والنيتروجين/الأكسجين كغازات قطع.

التجربة 1: مقارنة النيتروجين والهواء قطع الفولاذ المقاوم للصدأ

⊙ مقارنة بين تأثير قسم قطع النيتروجين والهواء

⊙ مقارنة بين سرعة القطع بالنيتروجين والهواء

تحليل التأثير:

يعرض الشكل أعلاه نتائج القطع من 10 مم إلى 4 مم من الفولاذ المقاوم للصدأ، بهذا الترتيب.

بالمقارنة مع القطع بالنيتروجين، يبدو مقطع القطع باستخدام الهواء أكثر قتامة، ولكن لا يوجد خبث. بعد التلميع، يمكن أن يحقق مقطع القطع أيضًا مظهرًا أكثر إشراقًا.

فيما يتعلق بالسرعة، فإن قطع الفولاذ المقاوم للصدأ بالهواء أسرع قليلاً من النيتروجين، ولكن الفرق ليس كبيرًا.

التجربة 2: مقارنة بين قطع الفولاذ الكربوني بالأكسجين والهواء

⊙ مقارنة بين تأثيرات قسم قطع الأكسجين والهواء

⊙ مقارنة بين سرعة القطع بالهواء والأكسجين

تحليل التأثير:

يعرض الشكل أعلاه نتائج القطع من 10 مم إلى 3 مم من الفولاذ الكربوني، بهذا الترتيب.

مقارنةً بقطع الأكسجين، يحتوي الفولاذ الكربوني 8 مم على بقايا خبث طفيفة، ويحتوي الفولاذ الكربوني 10 مم على بقايا خبث أكثر حدة.

لذلك، لا يُنصح بالقطع الهوائي لقطع ألواح الصلب الكربوني التي يزيد سمكها عن 10 مم.

التجربة 3: مقارنة النيتروجين والهواء قطع الألومنيوم سبيكة

⊙ مقارنة بين تأثير قسم قطع النيتروجين والهواء

⊙ مقارنة بين سرعة القطع بالنيتروجين والهواء

تحليل التأثير:

يعرض الشكل أعلاه نتائج القطع من 10 مم إلى 3 مم ألواح الألومنيومبهذا الترتيب.

بالمقارنة مع القطع بالنيتروجين، يؤدي القطع بالهواء إلى قطع أدق وبقايا خبث أقل.

من حيث السرعة، يكون القطع بالهواء لألواح الألومنيوم أسرع قليلاً من النيتروجين، ولكن الفرق ليس كبيرًا.

الملخص

أُجريت تجارب لتقييم أداء وكفاءة القطع بالهواء مقابل القطع بالنيتروجين/الأكسجين على مواد وسماكات ألواح مختلفة.

كشف التقييم الشامل أن القطع بالهواء هو خيار فعال من حيث التكلفة للتطبيقات ذات المتطلبات الأقل صرامة. يمكن أن يؤدي استخدام الهواء كغاز مساعد للقطع إلى تقليل تكاليف الإنتاج بشكل كبير مقارنة بالنيتروجين أو الأكسجين.

ومع ذلك، من الضروري ملاحظة الاعتبارات التالية عند اختيار القطع الهوائي:

1. جودة الهواء: يجب معالجة الهواء المضغوط بدقة لضمان الأداء الأمثل للقطع. وينبغي أن تشمل هذه المعالجة ما يلي:

• تجفيف بارد لتحقيق نقطة ندى الضغط بين 3-8 درجات مئوية
• عملية إزالة الشحوم متعددة المراحل
• الترشيح للوصول إلى محتوى زيت سائل يبلغ ≤0.003 جزء في المليون ومحتوى زيت بخار يبلغ ≤0.003 جزء في المليون
• تنفيذ مرشحات متخصصة مصممة لإزالة ملوثات الزيت الغازية

2. الصيانة: من الضروري إجراء صيانة منتظمة وشاملة لنظام معالجة الهواء، بما في ذلك:

• صيانة ضاغط الهواء
• فحص المجفف البارد وصيانته
• استبدال الفلتر في الوقت المناسب

يمكن أن يؤدي إهمال إجراءات الصيانة هذه إلى:

• تلوث خط أنابيب الغاز بالماء والنفط
• تعفير العدسة الواقية مما يؤثر على جودة القطع
• تلف محتمل لمجموعة المرآة الداخلية بسبب ارتفاع درجات الحرارة الناجم عن تفاعلات الحزمة عالية الطاقة

3. تحسين العملية: لتحديد حل القطع الأكثر فعالية من حيث التكلفة الذي يتماشى مع متطلبات الإنتاج المحددة، يجب على المصنعين مراعاة ما يلي:

• كفاءة القطع (على سبيل المثال، سرعة القطع، وزمن الثقب)
• تكاليف التشغيل (بما في ذلك استهلاك الغاز والصيانة)
• جودة القطع (مثل خشونة الحافة وتكوين الخبث والمنطقة المتأثرة بالحرارة)
• الاعتبارات الخاصة بالمواد (على سبيل المثال، حساسية الأكسدة ونطاق السماكة)

من خلال تقييم هذه العوامل بعناية وموازنتها مع احتياجات الإنتاج، يمكن للمصنعين تحقيق نتائج أعلى جودة مع تحسين التكاليف. ويضمن هذا النهج أن طريقة القطع المختارة لا تلبي المواصفات الفنية فحسب، بل تتماشى أيضًا مع كفاءة الإنتاج الكلية والاعتبارات الاقتصادية.