هل تساءلت يومًا كيف يتم قص التصاميم المعقدة بهذه الدقة على مواد مختلفة؟ تكشف هذه المقالة النقاب عن عالم القطع بالليزر الرائع وتستكشف تقنياته وتطبيقاته. وفي النهاية، ستفهم كيف تقوم هذه التقنية بتشكيل كل شيء من المعدن إلى المنسوجات، واعدةً بمستقبل من الإمكانيات التي لا نهاية لها.
أحدثت تقنية القطع بالليزر، التي ظهرت لأول مرة في السبعينيات، ثورة في الإنتاج الصناعي الحديث. تُستخدم هذه التقنية متعددة الاستخدامات الآن على نطاق واسع في القطع الدقيق لمواد متنوعة، بما في ذلك الصفائح المعدنية والبلاستيك والزجاج والسيراميك وأشباه الموصلات والمنسوجات والخشب والورق. إن قدرتها على توفير عمليات قطع نظيفة ودقيقة مع الحد الأدنى من نفايات المواد جعلت منها أداة لا غنى عنها في مختلف قطاعات التصنيع.
في السنوات القادمة، من المتوقع أن يشهد القطع بالليزر نموًا كبيرًا، لا سيما في تطبيقات الآلات الدقيقة والآلات الدقيقة. وهذا التوسع مدفوع بالتطورات في تكنولوجيا الليزر، مثل تحسين جودة الشعاع، ومخرجات الطاقة الأعلى، وأنظمة التحكم المحسنة. وتتيح هذه التطورات للمصنعين تحقيق مستويات غير مسبوقة من الدقة والكفاءة في عمليات القطع المعقدة.
يتضمن المبدأ الأساسي للقطع بالليزر التطبيق المركز لضوء عالي الطاقة لتسخين المواد ومعالجتها بسرعة. عندما يتفاعل شعاع الليزر المركز مع قطعة العمل، فإنه يخلق منطقة موضعية من الحرارة الشديدة. وهذا يؤدي إما إلى ذوبان المادة أو تبخرها أو خضوعها لمزيج من العمليتين، اعتمادًا على خصائص المادة ومعلمات الليزر.
عندما يخترق شعاع الليزر قطعة العمل، تبدأ عملية القطع الفعلية. يجتاز الشعاع على طول الكفاف المحدد مسبقًا، مما يؤدي إلى ذوبان أو تبخير المادة في مساره باستمرار. ولتعزيز جودة القطع وكفاءته، يتم توجيه غاز مساعد عالي الضغط (عادةً النيتروجين أو الأكسجين أو الهواء المضغوط) بشكل محوري مع شعاع الليزر. يخدم هذا الغاز النفاث عدة وظائف حاسمة:
والنتيجة هي شق دقيق وضيق بين الجزء المقطوع والمادة المتبقية. يكون عرض خطوط الشق هذه صغيراً بشكل ملحوظ، وغالباً ما يكون مطابقاً تقريباً لقطر شعاع الليزر المركز نفسه. ويسمح هذا المستوى العالي من الدقة بالتصميمات المعقدة والتفاوتات الضيقة مما يجعل القطع بالليزر مثاليًا للتطبيقات التي تتراوح من التصنيع الصناعي واسع النطاق إلى عمليات التصنيع الدقيقة الدقيقة.
القطع باللهب، والمعروف أيضًا باسم القطع بالوقود الأوكسجيني، هو عملية قطع حراري مستخدمة على نطاق واسع تستخدم في المقام الأول لقطع الفولاذ منخفض ومتوسط الكربون. وتستخدم هذه التقنية مزيجًا من غاز الوقود (عادةً الأسيتيلين أو البروبان أو الغاز الطبيعي) والأكسجين النقي لتوليد لهب بدرجة حرارة عالية وتسهيل عملية القطع.
في هذه الطريقة، يتم تسخين المعدن أولاً إلى درجة حرارة الاشتعال (حوالي 870 درجة مئوية أو 1600 درجة فهرنهايت للصلب الطري) باستخدام لهب غاز الوقود. وبمجرد وصول المعدن إلى درجة الحرارة هذه، يتم توجيه تيار من الأكسجين عالي النقاء إلى المنطقة المسخنة. ثم يتم بعد ذلك زيادة الأكسجين المضغوط، الذي يتراوح عادةً من 3 إلى 6 بار (30 إلى 60 رطل لكل بوصة مربعة)، لبدء عملية القطع والحفاظ عليها.
في منطقة القطع، يخضع المعدن المسخّن لتفاعل سريع طارد للحرارة مع الأكسجين، مما يؤدي إلى احتراقه وتأكسده. ويولّد تفاعل الأكسدة هذا كمية كبيرة من الحرارة الإضافية - تصل إلى خمسة أضعاف طاقة لهب التسخين المسبق. وبعد ذلك يتم طرد الأكسيد المنصهر والمعدن الناتج من الشق بواسطة الطاقة الحركية لنفث الأكسجين، مما يؤدي إلى قطع نظيف.
يوفر التفاعل الكيميائي وتوليد الحرارة في القطع باللهب العديد من المزايا:
ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن القطع باللهب يقتصر في المقام الأول على المواد الحديدية ذات إمكانية الأكسدة العالية. لقطع المعادن الأخرى أو لتحقيق دقة أعلى، قد تكون الطرق البديلة مثل القطع بالبلازما أو القطع بالليزر أكثر ملاءمة.
الشكل 1 يقوم شعاع الليزر بصهر قطعة العمل بينما يقوم غاز القطع بنفخ المادة المنصهرة والخبث في الشق
القطع الانصهاري، المعروف أيضًا باسم القطع الذائب، هو عملية حرارية متطورة تستخدم على نطاق واسع في تصنيع المعادن الدقيقة ويمكن توسيع نطاقها لتشمل مواد أخرى قابلة للانصهار، بما في ذلك السيراميك المتقدم. تستخدم هذه التقنية مصدر حرارة عالي الطاقة، عادةً ما يكون ليزر أو بلازما، لصهر المادة بسرعة. يتم تعزيز العملية بواسطة نفاثة غاز عالية الضغط، عادةً ما تكون نيتروجين أو أرغون، يتم توجيهها عبر الشق (مسار القطع) بضغط يتراوح بين 2 إلى 20 بار (200 إلى 2000 كيلو باسكال).
يعد الاختيار بين النيتروجين والأرجون كغازات قطع أمرًا بالغ الأهمية ويعتمد على المادة والنتيجة المرجوة. كلاهما غازان خاملان، مما يعني أنهما لا يتفاعلان كيميائيًا مع المادة المنصهرة في الشق. يخدم هذا الخمول وظيفتين هامتين:
غالبًا ما يُفضل استخدام النيتروجين لقطع الفولاذ الطري والفولاذ المقاوم للصدأ نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة وقدرته على إنتاج حواف خالية من الأكسيد. أما الأرغون، كونه أكثر كثافة، فيستخدم عادةً للمواد الأكثر تفاعلية أو عندما تكون عمليات القطع فائقة النقاء ضرورية، كما هو الحال في تطبيقات الفضاء الجوي.
يعد ضغط الغاز المساعد معلمة حاسمة تؤثر على جودة القطع وعرض الشق وسرعة القطع. تسمح الضغوطات الأعلى عمومًا بسرعات قطع أعلى ويمكن أن تنتج شقوقًا أضيق، ولكنها قد تزيد أيضًا من خطر تكوين خبث في الجزء السفلي من القطع. يعد تحسين ضغط الغاز، إلى جانب معلمات أخرى مثل طاقة الليزر وسرعة القطع، أمرًا ضروريًا لتحقيق التوازن المطلوب بين الإنتاجية وجودة القطع في التطبيقات الصناعية.
القطع بالهواء المضغوط هو عملية قطع حراري فعالة ومناسبة للألواح المعدنية الرقيقة، وعادةً ما يصل سمكها إلى 3-6 مم حسب المادة. تستخدم هذه الطريقة تيار هواء عالي الضغط لإزالة المعدن المنصهر من منطقة القطع.
في هذه العملية، يتم توجيه الهواء المضغوط بضغط يتراوح من 5 إلى 7 بار (500-700 كيلو باسكال) من خلال فوهة مصممة خصيصًا. يقوم تيار الهواء عالي السرعة هذا بطرد المعدن المنصهر الناتج عن لهب وقود الأكسجين أو قوس البلازما بشكل فعال، مما يؤدي إلى قطع نظيف وضيق.
آلية القطع حرارية في المقام الأول، حيث يتكون الهواء المضغوط من حوالي 781 تيرابايت 3 تيرابايت من النيتروجين و211 تيرابايت 3 تيرابايت من الأكسجين و11 تيرابايت 3 تيرابايت من الغازات الأخرى. يساهم محتوى الأكسجين في التفاعل الطارد للحرارة، مما يعزز كفاءة القطع، بينما يعمل النيتروجين كغاز خامل، مما يساعد على حماية حواف القطع من الأكسدة المفرطة.
تشمل المزايا الرئيسية للقطع بالهواء المضغوط ما يلي:
ومع ذلك، من المهم ملاحظة أنه كلما زادت سماكة المواد، تقل فعالية القطع بالهواء المضغوط، وقد تكون الطرق البديلة مثل القطع بالبلازما أو القطع بالليزر أكثر ملاءمة للألواح الأكثر سماكة.
عندما يتم اختيار المعلمات المثلى، تتشكل سحب البلازما داخل الشق أثناء القطع بالاندماج بالليزر بمساعدة البلازما. وتتكون هذه السحب من بخار المعدن المتأين وغاز القطع المتأين، مما يخلق بيئة عالية الطاقة تعزز عملية القطع.
تعمل سحابة البلازما كوسيط فعال لنقل الطاقة، حيث تمتص إشعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى حرارة موضعية على قطعة العمل. تعمل هذه الآلية على تحسين كفاءة اقتران الطاقة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تسريع ذوبان المعادن وسرعات قطع أسرع. وبالتالي، غالبًا ما يُشار إلى هذه التقنية المتقدمة باسم القطع بالبلازما عالية السرعة.
ويتيح التأثير التآزري بين الليزر والبلازما سرعات قطع تصل إلى 300% أسرع من القطع بالليزر التقليدي، خاصة في المواد الأكثر سمكًا (>6 مم). بالإضافة إلى ذلك، يمكن للعملية التي تتم بمساعدة البلازما تحسين جودة القطع عن طريق تقليل تكوين الخبث وتقليل المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).
من المهم ملاحظة أن القطع بالانصهار بمساعدة البلازما مصمم خصيصًا لأنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون. وتظل سحابة البلازما شفافة بالنسبة لليزر الحالة الصلبة (مثل ليزر الألياف أو الليزر القرصي)، مما يجعل هذه التقنية غير فعالة مع هذه الأنواع من الليزر. ويرجع هذا القيد إلى خصائص الامتصاص المعتمدة على الطول الموجي للبلازما.
تتضمن معلمات العملية الرئيسية لتحسين القطع بمساعدة البلازما ما يلي:
من خلال ضبط هذه المعلمات بدقة، يمكن للمصنعين تحقيق الأداء الأمثل للقطع لمختلف المواد والسماكات وزيادة الإنتاجية إلى أقصى حد مع الحفاظ على عمليات القطع عالية الجودة.
يعمل القطع بالغاز على تبخير المادة وتقليل التأثير الحراري على المادة المحيطة بها.
ثاني أكسيد الكربون المستمر المعالجة بالليزر يمكن أن يحقق هذا التأثير عند تبخير المواد ذات الحرارة المنخفضة والامتصاص العالي، مثل الأغشية البلاستيكية الرقيقة والمواد غير الذائبة مثل الخشب والورق والرغوة.
تتيح أشعة الليزر النبضي فائق القصر تطبيق هذه التقنية على مواد أخرى.
تمتص الإلكترونات الحرة في المعدن الليزر وتسخن بشكل كبير.
لا تتفاعل نبضات الليزر مع الجسيمات المنصهرة والبلازما، وتتسامى المادة مباشرةً دون نقل الطاقة إلى المادة المحيطة بها في صورة حرارة.
لا يوجد تأثير حراري واضح في بيكو ثانية الاستئصال النبضي للمادة، ولا يحدث أي اندماج أو تكوين نتوءات.
الشكل 3 القطع بالتغويز: يجعل الليزر المواد تتبخر وتحترق. يؤدي ضغط البخار إلى إخراج الخبث من الشق
تؤثر عدة معاملات على عملية القطع بالليزر، حيث يعتمد بعضها على الأداء الفني لمولد الليزر وماكينة القطع بالليزر، بينما البعض الآخر قابل للتعديل.
تشير درجة الاستقطاب إلى النسبة المئوية لليزر الذي يتم تحويله.
وعادةً ما تكون درجة الاستقطاب حوالي 90%، وهو ما يكفي لتحقيق قطع عالي الجودة.
يؤثر قطر التركيز البؤري على عرض الشق البؤري ويمكن تعديله عن طريق تغيير البعد البؤري لعدسة التركيز البؤري. يؤدي قطر البؤرة الأصغر إلى شقوق أضيق.
يحدد الموضع البؤري قطر الشعاع وكثافة الطاقة وشكل الشق على سطح قطعة العمل.
Fi.4 موضع التركيز البؤري: داخل، وسطح والجانب العلوي من قطعة العمل.
إن طاقة الليزر يجب مطابقتها مع نوع الماكينة ونوع المادة والسُمك.
يجب أن تكون الطاقة عالية بما يكفي بحيث تتجاوز كثافة الطاقة على قطعة العمل عتبة المعالجة.
الشكل 5 قوة ليزر أعلى يمكن أن تقطع المواد الأكثر سمكًا
يُستخدم الوضع المستمر في المقام الأول لقطع الخطوط القياسية على المعادن والبلاستيك بسماكة تتراوح بين المليمترات والسنتيمترات.
لإذابة الثقوب أو إنتاج خطوط دقيقة يتم استخدام الليزر النبضي منخفض التردد.
يجب أن تتطابق قوة الليزر وسرعة القطع مع بعضها البعض. يمكن أن تؤدي سرعة القطع السريعة جدًا أو البطيئة جدًا إلى زيادة الخشونة وتكوين النتوءات.
الشكل 6 تقل سرعة القطع مع انخفاض سمك الصفيحة
يحدد قطر الفوهة تدفق الغاز وشكل تدفق الهواء من الفوهة.
وكلما كانت المادة أكثر سمكًا، زاد قطر نفاثة الغاز، وبالتالي زاد قطر فتحة الفوهة.
يشيع استخدام الأكسجين والنيتروجين كغازات قطع.
يؤثر نقاء الغاز وضغطه على فعالية القطع.
عند القطع بلهب الأكسجين، يجب أن تكون درجة نقاء الغاز 99.95%.
كلما زادت سماكة صفيحة فولاذيةكلما انخفض ضغط الغاز المطلوب.
عند القطع بالنيتروجين، يجب أن تكون درجة نقاء الغاز 99.995% (من الناحية المثالية 99.999%)، وهو ما يتطلب ضغطًا أعلى عند صهر ألواح الصلب السميكة وقطعها.
خلال المراحل الأولية للقطع بالليزر، يجب على المستخدم تحديد معلمات التشغيل الآلي من خلال عمليات الاختبار.
في الوقت الحالي، يتم تخزين معلمات المعالجة الناضجة في جهاز التحكم في نظام القطع، مع البيانات المقابلة لكل نوع من أنواع المواد والسماكة.
تمكّن المعايير التقنية الأفراد الذين ليسوا على دراية جيدة بالتقنية من تشغيل معدات القطع بالليزر بسلاسة.
تحدد عدة معايير جودة حواف القطع بالليزر.
على سبيل المثال، يمكن تقييم معيار تكوين النتوءات والترهل والحبوب بالعين المجردة.
إن الاستقامةوالخشونة وعرض الشق يتطلب القياس باستخدام أدوات متخصصة.
يعد ترسب المواد والتآكل ومنطقة التأثير الحراري والتشوه من العوامل الحاسمة التي يجب مراعاتها عند تقييم جودة القطع بالليزر.
يمكنك أيضاً الاطلاع على 9 معايير للتحقق من جودة القطع بالليزر.
الشكل.7 القطع الجيد، القطع السيئ
إن النجاح المستمر للقطع بالليزر لا مثيل له في معظم التقنيات الأخرى، ويستمر هذا الاتجاه اليوم. في المستقبل، فإن تطبيقات القطع بالليزر ستصبح واعدة بشكل متزايد.