برش لیزری

برش لیزری فناوری است که از لیزر برای تبخیر مواد استفاده می کند و در نتیجه لبه برش ایجاد می شود.در حالی که معمولاً برای کاربردهای تولید صنعتی استفاده می شود، اکنون توسط مدارس، مشاغل کوچک، معماری و علاقمندان استفاده می شود.برش لیزری با هدایت خروجی یک لیزر پرقدرت معمولاً از طریق اپتیک کار می کند.اپتیک لیزر و CNC (کنترل عددی کامپیوتری) برای هدایت پرتو لیزر به مواد استفاده می شود.یک لیزر تجاری برای برش مواد از یک سیستم کنترل حرکت برای پیروی از یک کد CNC یا G الگوی برش بر روی مواد استفاده می کند.پرتو لیزر متمرکز به سمت مواد هدایت می‌شود، که سپس یا ذوب می‌شود، می‌سوزد، بخار می‌شود، یا توسط یک جت گاز منفجر می‌شود، [1] که لبه‌ای با سطح با کیفیت بالا باقی می‌گذارد.[2]

در سال 1965، اولین دستگاه برش لیزری تولیدی برای سوراخ کردن قالب های الماس استفاده شد.این دستگاه توسط مرکز تحقیقات مهندسی برق غرب ساخته شده است.[3]در سال 1967، بریتانیا پیشگام برش جت اکسیژن با کمک لیزر برای فلزات بود.در اوایل دهه 1970، این فناوری برای برش تیتانیوم برای کاربردهای هوافضا تولید شد.در همان زمان، لیزرهای CO2 برای برش غیر فلزات، مانند منسوجات، سازگار شدند، زیرا در آن زمان، لیزرهای CO2 به اندازه کافی برای غلبه بر رسانایی حرارتی فلزات قدرتمند نبودند.[5]

روند

برش لیزری صنعتی فولاد با دستورالعمل های برش برنامه ریزی شده از طریق رابط CNC
پرتو لیزر به طور کلی با استفاده از یک لنز با کیفیت بالا در ناحیه کار متمرکز می شود.کیفیت پرتو تأثیر مستقیمی بر اندازه نقطه متمرکز دارد.باریک ترین قسمت پرتو متمرکز معمولاً کمتر از 0.0125 اینچ (0.32 میلی متر) قطر دارد.بسته به ضخامت مواد، پهنای کرف به کوچکی 0.004 اینچ (0.10 میلی متر) امکان پذیر است.[6]برای اینکه بتوان برش را از جایی غیر از لبه شروع کرد، قبل از هر برش سوراخ انجام می شود.سوراخ کردن معمولاً شامل یک پرتو لیزر پالسی پرقدرت است که به آهستگی سوراخی در مواد ایجاد می کند و برای مثال فولاد ضد زنگ با ضخامت 0.5 اینچ (13 میلی متر) حدود 5 تا 15 ثانیه طول می کشد.

پرتوهای موازی نور منسجم از منبع لیزر اغلب در محدوده بین 0.06-0.08 اینچ (1.5-2.0 میلی متر) قطر قرار می گیرند.این پرتو معمولاً توسط یک عدسی یا یک آینه به نقطه بسیار کوچکی در حدود 0.001 اینچ (0.025 میلی متر) متمرکز و تشدید می شود تا یک پرتو لیزر بسیار شدید ایجاد کند.به منظور دستیابی به صاف ترین سطح ممکن در حین برش کانتور، جهت قطبش پرتو باید در حول اطراف قطعه کار منحنی چرخانده شود.برای برش ورق فلز، فاصله کانونی معمولاً 1.5-3 اینچ (38-76 میلی متر) است.[7]

مزایای برش لیزر نسبت به برش مکانیکی شامل نگهداری آسان تر و کاهش آلودگی قطعه کار است (زیرا لبه برشی وجود ندارد که بتواند توسط مواد آلوده شود یا مواد را آلوده کند).دقت ممکن است بهتر باشد، زیرا پرتو لیزر در طول فرآیند فرسوده نمی شود.همچنین احتمال تاب برداشتن مواد در حال برش کاهش می‌یابد، زیرا سیستم‌های لیزری دارای یک منطقه کوچک تحت تأثیر حرارت هستند.[8]برش برخی از مواد نیز با روش های سنتی بسیار دشوار یا غیرممکن است.

برش لیزری برای فلزات دارای مزایایی نسبت به برش پلاسما است که دقت بیشتری دارد[9] و انرژی کمتری هنگام برش ورق فلز مصرف می کند.با این حال، اکثر لیزرهای صنعتی نمی توانند ضخامت فلز بیشتری را که پلاسما می تواند برش دهند.ماشین‌های لیزری جدیدتر که با توان بالاتر (6000 وات، برخلاف ماشین‌های برش لیزر اولیه 1500 وات) کار می‌کنند، از نظر توانایی در برش مواد ضخیم به ماشین‌های پلاسما نزدیک می‌شوند، اما هزینه سرمایه این گونه ماشین‌ها بسیار بالاتر از پلاسما است. ماشین‌های برش که قادر به برش مواد ضخیم مانند ورق فولادی هستند.[10]
انواع

برش لیزری CO2 4000 وات
سه نوع اصلی لیزر وجود دارد که در برش لیزری استفاده می شود.لیزر CO2 برای برش، حفاری و حکاکی مناسب است.لیزرهای نئودیمیم (Nd) و نئودیمیم ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG) از نظر سبک یکسان هستند و فقط در کاربرد متفاوت هستند.Nd برای خسته کننده و در جاهایی که انرژی زیاد اما تکرار کم مورد نیاز است استفاده می شود.لیزر Nd:YAG در جاهایی که به قدرت بسیار بالا نیاز است و برای حفاری و حکاکی استفاده می شود.هر دو لیزر CO2 و Nd/Nd:YAG می توانند برای جوشکاری استفاده شوند.[11]

لیزرهای CO2 معمولاً با عبور جریان از مخلوط گاز (برانگیخته DC) یا استفاده از انرژی فرکانس رادیویی (RF-excited) "پمپ می شوند".روش RF جدیدتر است و محبوبیت بیشتری پیدا کرده است.از آنجایی که طراحی های DC به الکترودهای داخل حفره نیاز دارند، می توانند با فرسایش الکترود و آبکاری مواد الکترود روی ظروف شیشه ای و اپتیک مواجه شوند.از آنجایی که رزوناتورهای RF دارای الکترودهای خارجی هستند، مستعد این مشکلات نیستند.لیزر CO2 برای برش صنعتی بسیاری از مواد از جمله تیتانیوم، فولاد ضد زنگ، فولاد ملایم، آلومینیوم، پلاستیک، چوب، چوب مهندسی شده، موم، پارچه و کاغذ استفاده می شود.لیزرهای YAG در درجه اول برای برش و خراش دادن فلزات و سرامیک ها استفاده می شود.[12]

علاوه بر منبع تغذیه، نوع جریان گاز نیز می تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد.انواع رایج لیزرهای CO2 شامل جریان محوری سریع، جریان محوری آهسته، جریان عرضی و دال است.در تشدید کننده جریان محوری سریع، مخلوط دی اکسید کربن، هلیوم و نیتروژن با سرعت بالا توسط یک توربین یا دمنده به گردش در می آید.لیزرهای جریان عرضی مخلوط گاز را با سرعت کمتری به گردش در می آورند و به دمنده ساده تری نیاز دارند.تشدید کننده‌های خنک‌شده با دیفیوژن دارای یک میدان گاز ساکن هستند که نیازی به فشار یا ظروف شیشه‌ای ندارند، که منجر به صرفه‌جویی در توربین‌های جایگزین و ظروف شیشه‌ای می‌شود.

ژنراتور لیزر و اپتیک خارجی (از جمله لنز فوکوس) نیاز به خنک کننده دارند.بسته به اندازه و پیکربندی سیستم، گرمای تلف شده ممکن است توسط یک خنک کننده یا مستقیماً به هوا منتقل شود.آب یک خنک کننده معمولی است که معمولاً از طریق چیلر یا سیستم انتقال حرارت به گردش در می آید.

میکروجت لیزری یک لیزر هدایت شونده با جت آب است که در آن یک پرتو لیزر پالسی به یک جت آب کم فشار متصل می شود.این برای انجام عملکردهای برش لیزری استفاده می شود در حالی که از جت آب برای هدایت پرتو لیزر، بسیار شبیه یک فیبر نوری، از طریق بازتاب کامل داخلی استفاده می شود.از مزایای این کار این است که آب زباله ها را نیز از بین می برد و مواد را خنک می کند.مزایای اضافی نسبت به برش لیزری سنتی "خشک" سرعت برش بالا، کرف موازی و برش همه جهته است.[13]

لیزرهای فیبر نوعی لیزر حالت جامد هستند که به سرعت در صنعت برش فلز در حال رشد هستند.برخلاف CO2، فناوری فیبر از یک محیط جامد بهره می برد، برخلاف گاز یا مایع."لیزر دانه" پرتو لیزر را تولید می کند و سپس در یک فیبر شیشه ای تقویت می شود.لیزرهای فیبر با طول موج تنها 1064 نانومتر، یک نقطه بسیار کوچک (تا 100 برابر کوچکتر در مقایسه با CO2) تولید می کنند که آن را برای برش مواد فلزی بازتابنده ایده آل می کند.این یکی از مزایای اصلی فیبر در مقایسه با CO2 است.[14]

مزایای برش لیزر فیبر عبارتند از:

زمان پردازش سریع
کاهش مصرف انرژی و قبض - به دلیل کارایی بیشتر.
قابلیت اطمینان و عملکرد بیشتر - بدون اپتیک برای تنظیم یا تراز و بدون لامپ برای تعویض.
حداقل نگهداری
توانایی پردازش مواد بسیار بازتابنده مانند مس و برنج
بهره وری بالاتر – هزینه های عملیاتی کمتر، بازگشت سرمایه بیشتری را به شما ارائه می دهد.[15]

مواد و روش ها
روش های مختلفی در برش با استفاده از لیزر وجود دارد که از انواع مختلفی برای برش مواد مختلف استفاده می شود.برخی از روش ها عبارتند از تبخیر، ذوب و دمیدن، ضربه و سوختن مذاب، ترک تنش حرارتی، خراش دادن، برش سرد و برش لیزری تثبیت شده سوزاندن.

برش تبخیر
در برش تبخیر، پرتو متمرکز، سطح ماده را تا نقطه اشتعال گرم می کند و یک سوراخ کلید ایجاد می کند.سوراخ کلید منجر به افزایش ناگهانی قدرت جذب می شود و به سرعت سوراخ را عمیق تر می کند.همانطور که سوراخ عمیق تر می شود و مواد به جوش می آیند، بخار تولید شده دیواره های مذاب را فرسایش می دهد و به بیرون پرتاب می شود و سوراخ را بیشتر بزرگ می کند.معمولاً مواد غیر ذوب مانند چوب، کربن و پلاستیک های ترموست را با این روش برش می دهند.
ذوب و باد کردن
ذوب و دمش یا برش ذوبی از گاز پرفشار برای دمیدن مواد مذاب از ناحیه برش استفاده می‌کند که نیاز برق را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.ابتدا مواد تا نقطه ذوب حرارت داده می شود و سپس یک جت گاز مواد مذاب را از داخل پوسته خارج می کند و نیازی به افزایش بیشتر دمای مواد نیست.مواد برش خورده با این فرآیند معمولاً فلزات هستند.

ترک خوردگی استرس حرارتی
مواد شکننده به ویژه به شکست حرارتی حساس هستند، ویژگی‌ای که در ترک‌خوردگی با تنش حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.یک پرتو بر روی سطح متمرکز شده و باعث گرمایش موضعی و انبساط حرارتی می شود.این منجر به ترک می شود که می تواند با حرکت دادن پرتو هدایت شود.ترک را می توان به ترتیب m/s جابجا کرد.معمولاً در برش شیشه استفاده می شود.

مخفی کاری ویفرهای سیلیکونی
اطلاعات بیشتر: مکعب ویفر
جداسازی تراشه‌های میکروالکترونیکی که در ساخت دستگاه‌های نیمه‌رسانا از ویفرهای سیلیکونی تهیه می‌شود، ممکن است توسط فرآیند موسوم به تاس مخفی انجام شود که با لیزر Nd:YAG پالسی کار می‌کند، طول موج آن (1064 نانومتر) به خوبی با دستگاه الکترونیکی سازگار است. شکاف باند سیلیکون (1.11 eV یا 1117 نانومتر).

برش واکنشی
همچنین "برش لیزری تثبیت شده سوزاندن"، "برش شعله" نیز نامیده می شود.برش واکنشی مانند برش مشعل اکسیژن است اما با پرتو لیزر به عنوان منبع احتراق.بیشتر برای برش فولاد کربنی در ضخامت های بیش از 1 میلی متر استفاده می شود.از این فرآیند می توان برای برش صفحات فولادی بسیار ضخیم با قدرت لیزر نسبتاً کمی استفاده کرد.

تلورانس ها و پرداخت سطح
برش های لیزری دارای دقت موقعیت دهی 10 میکرومتر و تکرارپذیری 5 میکرومتر هستند.[نیازمند منبع]

زبری استاندارد Rz با ضخامت ورق افزایش می یابد، اما با قدرت لیزر و سرعت برش کاهش می یابد.هنگام برش فولاد کم کربن با توان لیزر 800 وات، زبری استاندارد Rz 10 میکرومتر برای ضخامت ورق 1 میلی متر، 20 میکرومتر برای 3 میلی متر و 25 میکرومتر برای 6 میلی متر است.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
کجا: {\displaystyle S=}S= ضخامت ورق فولادی بر حسب میلی متر;{\displaystyle P=}P= قدرت لیزر بر حسب کیلووات (برخی برش‌های لیزری جدید دارای قدرت لیزر 4 کیلووات هستند).{\displaystyle V=}V= سرعت برش بر حسب متر در دقیقه.[16]

این فرآیند قادر است تا تلورانس های بسیار نزدیک را، اغلب تا 0.001 اینچ (0.025 میلی متر) نگه دارد.هندسه قطعات و استحکام مکانیکی دستگاه ارتباط زیادی با قابلیت تحمل دارد.سطح معمولی حاصل از برش پرتو لیزر ممکن است از 125 تا 250 میکرو اینچ (0.003 میلی متر تا 0.006 میلی متر) متغیر باشد.[11]

تنظیمات ماشین

لیزر اپتیک پرنده دو پالت

سر لیزر اپتیک پرنده
به طور کلی سه پیکربندی مختلف از دستگاه های برش لیزر صنعتی وجود دارد: مواد متحرک، هیبریدی و سیستم های اپتیک پرنده.اینها به روشی اشاره دارد که پرتو لیزر بر روی ماده ای که قرار است برش یا پردازش شود، حرکت می کند.برای همه اینها، محورهای حرکت معمولاً محور X و Y تعیین می شوند.اگر ممکن است سر برش کنترل شود، به عنوان محور Z تعیین می شود.

لیزرهای مواد متحرک دارای سر برش ثابت هستند و مواد را زیر آن جابجا می کنند.این روش یک فاصله ثابت از ژنراتور لیزری تا قطعه کار و یک نقطه واحد را برای حذف پساب برش فراهم می کند.به اپتیک کمتری نیاز دارد، اما نیاز به حرکت قطعه کار دارد.این ماشین سبک کمترین اپتیک ارسال پرتو را دارد، اما همچنین تمایل به کندترین دارد.

لیزرهای هیبریدی جدولی را ارائه می دهند که در یک محور (معمولاً محور X) حرکت می کند و سر را در امتداد محور کوتاهتر (Y) حرکت می دهد.این منجر به طول مسیر تحویل پرتو ثابت‌تری نسبت به یک ماشین نوری پرنده می‌شود و ممکن است یک سیستم تحویل پرتو ساده‌تر را امکان‌پذیر کند.این می تواند منجر به کاهش اتلاف توان در سیستم تحویل و ظرفیت بیشتر در هر وات نسبت به ماشین های اپتیک پرنده شود.

لیزرهای اپتیک پرنده دارای یک میز ثابت و یک سر برش (با پرتو لیزر) هستند که در هر دو بعد افقی روی قطعه کار حرکت می کند.برش های اپتیک پرنده قطعه کار را در طول پردازش ثابت نگه می دارند و اغلب نیازی به بستن مواد ندارند.جرم متحرک ثابت است، بنابراین دینامیک تحت تأثیر اندازه های مختلف قطعه کار قرار نمی گیرد.ماشین‌های پرنده اپتیک سریع‌ترین نوع هستند که هنگام برش قطعات نازک‌تر سودمند است.[17]

ماشین‌های نوری پرنده باید از روشی برای در نظر گرفتن تغییر طول پرتو از برش میدان نزدیک (نزدیک به تشدیدگر) به برش میدان دور (دور از تشدیدگر) استفاده کنند.روش‌های متداول برای کنترل این امر عبارتند از کولیماسیون، اپتیک تطبیقی ​​یا استفاده از یک محور ثابت با طول پرتو.

 
ماشین‌های پنج و شش محوره نیز امکان برش قطعات کار را فراهم می‌کنند.علاوه بر این، روش های مختلفی برای جهت دهی پرتو لیزر به یک قطعه کار شکل دار، حفظ فاصله فوکوس مناسب و توقف نازل و غیره وجود دارد.

نبض
لیزرهای پالسی که یک انفجار پرقدرت انرژی را برای مدت کوتاهی فراهم می‌کنند، در برخی از فرآیندهای برش لیزر، به‌ویژه برای سوراخ کردن، یا زمانی که سوراخ‌های بسیار کوچک یا سرعت‌های برش بسیار کم مورد نیاز است، بسیار مؤثر هستند، زیرا اگر از پرتو لیزر ثابت استفاده شود، گرما می تواند به حدی برسد که کل قطعه بریده شده را ذوب کند.

اکثر لیزرهای صنعتی توانایی پالس یا برش CW (موج پیوسته) را تحت کنترل برنامه NC (کنترل عددی) دارند.

لیزرهای دو پالس از یک سری جفت پالس برای بهبود سرعت حذف مواد و کیفیت سوراخ استفاده می کنند.اساساً، پالس اول مواد را از سطح خارج می کند و دومی مانع از چسبیدن اجکت به کنار سوراخ یا بریدگی می شود.[18]

مصرف برق
عیب اصلی برش لیزر مصرف برق بالا است.راندمان لیزر صنعتی ممکن است از 5% تا 45% متغیر باشد.[19]مصرف انرژی و کارایی هر لیزر خاص بسته به توان خروجی و پارامترهای عملیاتی متفاوت خواهد بود.این بستگی به نوع لیزر و میزان هماهنگی لیزر با کار در دست دارد.مقدار قدرت برش لیزر مورد نیاز، که به عنوان ورودی گرما شناخته می شود، برای یک کار خاص به نوع ماده، ضخامت، فرآیند (واکنشی/بی اثر) مورد استفاده و نرخ برش مورد نظر بستگی دارد.