ماشین کاری و برش لیزری
روشهای مختلف برش لیزر (یا برش پرتو لیزر) که شامل جدا کردن قطعات جامد با ایجاد شکاف کوچک بین آنها با پرتو لیزر پرتوان است، یک رشته مهم در پردازش مواد لیزری صنعتی یا به طور خاص لیزر است. ماشینکاری برش لیزری برای طیف وسیعی از مواد، از جمله بسیاری از فلزات (به عنوان مثال انواع مختلف فولاد، آلیاژهای تیتانیوم، برنج، مس، آلومینیوم)، سرامیک، شیشه، نیمه هادی ها و سایر کریستال ها، پلاستیک ها و حتی پارچه ها اعمال می شود. برای برخی از آنها، به سختی روش برش جایگزینی در دسترس است، در حالی که برخی دیگر با تکنیک های سنتی مانند پانچ یا برش پلاسما رقابت می کنند. حتی در موارد برش سنتی که هنوز رایج است، برش لیزری به طور آزمایشی اهمیت بیشتری پیدا میکند، برای مثال برخی از فولادهای سخت که امکان راهحلهای با وزن کمتر را در ساخت خودرو فراهم میکنند، باعث ایجاد مشکلاتی برای ماشینهای پانچ میشوند که برش لیزری این چالش ها را برطرف میکند.
در تولید صنعتی، با توجه به نوع محصول نهایی شرایط متعددی وجود دارد که برخی از مواد جامد نیاز به برش دارند. بسیاری از قطعات فلزی، به عنوان مثال برای ماشینهای ابزار، کشتیها، اتومبیلها و وسایل خانگی (مانند سینکهای آشپزخانه) در اصل از صفحات فلزی بزرگتری ساخته میشوند که باید از آنها جدا شوند. در بسیاری از موارد، نیاز به برشهای خاص روی صفحات است، به عنوان مثال برای کاهش وزن قطعات، ورودی کابل ها، وارد کردن اجزای دیگر، مشبک کردن لولههای نفت و گاز در صنایع نفت و پتروشیمی، برشهای سه بعدی در محصولات پیچیده مانند خودرو سازی همگی نیاز به برشهای دقیق لیزری دارند.
عملیات مشابه برای بسیاری از قطعات متشکل از مواد دیگر، مانند تراشه های نیمه هادی، سرامیک، شیشه های نمایشگر، پلاستیک های جامد و فویل های پلیمری، چوب برای مبلمان و غیره مورد نیاز است که نقش برش لیزری در آنها بسیار حیاتی و مهم است. کاربردهای برش لیزری در ابعاد بسیار کوچک نیز حائز اهمیت است. یک ناحیه خاص ریزماشین کاری لیزری یا میکروماشین کاری است که در آن ساختارهای بسیار ظریف (مثلاً برای استنت هایی که باید در شریان های قلب کاشته شوند، یا برای سیستم های میکرو الکترومکانیکی) تولید می شوند. بنابراین، برخی از پیشرفتهای تکنولوژیکی به فرآیندهای خاص برش لیزری بستگی دارد و حتی در هر خانهای هم اکنون تعداد زیادی اقلامی وجود دارد که با لیزر برش داده شدهاند.
برش لیزری از برخی جهات شبیه سوراخ کاری لیزری است، اما هدف آن جداسازی قطعات در ابعاد طولی است. اغلب برش لیزر با ایجاد یک سوراخ در خارج از خط اصلی برش شروع می شود. از جایی که فرآیند برش خط می تواند با حرکت نازل پرتو لیزر و یا حرکت قطعه پردازش ادامه یابد. در ساده ترین موارد، برش در امتداد خطوط مستقیم انجام می شود، اما می توان خطوط پیچیده را حتی با لبه های شیب دار برش داد. خطوط مستطیلی و دایره ای رایج ترین شکلهای برش هستند، اما اشکال پیچیده ای برای برخی از کاربردها مورد نیاز است.
انواع برش لیزری
- فرآیندهای برش مبتنی بر ذوب (برش ذوب و دمش، برش فیوژن)
این نوع برش برای صفحات فولادی ضخیم، همانطور که برای ماشین آلات سنگین مورد نیاز است، کاربرد دارد. به عنوان مثال در کشتی سازی بیشتر از فرآیندهای برشی استفاده می شود که فقط بر اساس ذوب فلز است. این به این دلیل است که ذوب به حرارت کمتری نسبت به تبخیر نیاز دارد، به طوری که سرعت پردازش معقول را می توان با لیزر محقق کرد. این ماده با یک جت گاز پرفشار، از نازل پردازش لیزری (سر برش) به قطعه کار در یک فاصله کاری کوچک از مرتبه 1 میلی متر تا 2 میلی متر هدایت می شود. جت گاز همچنین از نازل پردازش لیزری در برابر آلودگی ها و گازهای ایجاد شده در ناحیه برش محافظت می کند.
برای برش مبتنی بر ذوب معمولاً چندین کیلووات توان لیزر مورد نیاز است (گاهی اوقات بیش از 10 کیلو وات)، بهویژه برای صفحات ضخیمتر، اما اغلب کیفیت پرتو بالایی مورد نیاز نیست. می توان از لیزرهای موج پیوسته و پالسی استفاده کرد. لیزرهای توان بالاب CO2 سالها مورد استفاده قرار میگیرند، بهویژه برای برش ورقهای نسبتاً ضخیم، اما اکنون با لیزرهای حالت جامد پرقدرت پمپ شده با دیود از جمله لیزرهای فیبر، بهویژه برای ورقهای نازکتر جایگزین میشوند. برای تحویل پرتو، اغلب از کابل های فیبر با قدرت بالا استفاده می شود. در اینجا کاملا قابل قبول است که کیفیت پرتو بسیار بالا در خروجی امکان پذیر نباشد.
اگر ضخامت ورق فلزی از چند میلی متر تجاوز نکند، می توان چندین متر برش در دقیقه با چند کیلووات توان لیزر به دست آورد. برای ضخامت بیشتر، فرآیند به طور قابل توجهی کندتر می شود. کیفیت نتایج برش به دست آمده اغلب خیلی بالا نیست. به طور معمول، موج های قابل توجه و سایر نواقص، همچنین مناطق متاثر از حرارت قابل توجه با اکسیداسیون مشاهده می شود که نیاز به پردازش ثانویه دارد.
- برش واکنشی (برش به کمک اکسیژن، برش شعله)
هنگامی که یک جت اکسیژن خالص همراه با پرتو لیزر به ناحیه برش تزریق می شود، سرعت برش می تواند چندین برابر بیشتر باشد. این باعث اکسیداسیون (سوختن) فلز خارج شده (به عنوان مثال فولاد) می شود و بنابراین گرمای اضافی قابل توجهی را به فرآیند می دهد که می تواند به طور قابل توجهی بیشتر از گرمای وارد شده با لیزر باشد. راندمان برش چنین برش های واکنشی (همچنین برش شعله یا برش لیزری تثبیت شده با سوزاندن) با توجه به توان لیزر مورد نیاز به ترتیب بهبود یافته است. از سوی دیگر، کیفیت نتایج هم از نظر زبری سطح (ریپل ها) و هم به دلیل تمایل به تشکیل لایه های اکسیدی بر روی سطوح برش به طور آزمایشی پایین تر است. این لایه های اکسید شده می توانند در مراحل بعدی پردازش مانند جوشکاری و پوشش لیزری مشکلاتی ایجاد کنند. اگر فرآیندهای اضافی برای رفع چنین مشکلاتی مورد نیاز باشد، مزیت سرعت پردازش بالاتر ممکن است از بین برود، اما اگر پردازش ثانویه ضروری نباشد برش واکنشی بسیار مطلوب خواهد بود.
- برش مبتنی بر تبخیر یا تصعید (Sublimation Cutting)
برای برشهای ریز (برش دقیق) ورق های فلزی نازک با کیفیت پردازش به طور قابل ملاحظه ای بالاتر، از روش های برش سازگار استفاده می شود. در اینجا، بیشتر از لیزرهای پالسی، به طور ایده آل با مدت زمان پالس نانوثانیه یا حتی کوتاه تر استفاده می شود. لیزرهای حالت جامد به ویژه لیزر فیبر بسیار مطلوب هستند. کیفیت پرتو بالاتر (گاهی اوقات حتی با پراش محدود) نیز مورد نیاز است. شدت نوری اعمال شده با فوکوس بیشتر یا استفاده از پالسهای قوی به قدری زیاد می شود (برای مثال حدود 110 وات بر سانتی متر مربع) که دفع مواد عمدتاً به شکل بخار انجام می شود. با استفاده از یک گاز فرآیندی بی اثر مانند نیتروژن یا آرگون از اکسید شدن قطعه نیز جلوگیری می شود.
اصطلاح برش تصعید نیز در این مورد استفاده می شود، اگرچه تصعید به معنای دقیق معمولاً رخ نمی دهد. در زمینه برش لیزری، اساساً منظور این است که تبخیر آنقدر سریع اتفاق می افتد که هیچ مقدار قابل توجهی از ذوب در قطعه کار در هیچ زمانی وجود ندارد. که تا حد زیادی مشکل اعوجاج ایجاد شده توسط دینامیک مذاب را از بین می برد.
- برش لیزری هدایت شونده با پرتو آب
این نوع برش یک فناوری دارای پرتو لیزر در یک جت آب با قطر کوچک (سوراخ کاری لیزری هدایت شونده با پرتو آب، حفاری لیزری میکروجت آب) است. در اینجا یک جت آب توسط نازلی با قطر 50 میکرومتر تشکیل می شود و در فاصله چند میلی متری یا چند سانتی متری به سمت قطعه کار به سمت پایین می افتد. پرتو لیزر (مثلاً از یک لیزر پالسی نانوثانیه) به جت آب تزریق میشود که به عنوان یک موجبر نوری عمل میکند و نور را با انعکاس داخلی کامل آن به سمت قطعه کار هدایت میکند. با توجه به کنتراست ضریب شکست بالا (آب به هوا)، هدایت پرتو حتی برای کیفیت پرتو بسیار پایین لیزر به خوبی کار می کند. کنترل دقیق فاصله کاری مورد نیاز نیست، زیرا قطر جت آب تفاوت زیادی ندارد. آب همچنین برای از بین بردن آلودگی های سطح نیز کارایی دارد.
هنگام برخورد پرتو لیزر به قطعه کار آب به طور موثر آن را خنک می کند، بنابراین از هر ناحیه تحت تأثیر حرارت قابل توجهی جلوگیری می کند. توجه داشته باشید که پالسهای لیزر میتوانند مواد را علیرغم وجود آب سرد از بین ببرند، زیرا گرمایش پالسی سطح بهقدری سریع است که در طی آن زمان کوتاه حداقل اتلاف انرژی از طریق آب یا از طریق هدایت گرما به ماده پردازش شده وجود دارد. خنک شدن توسط آب عمدتاً در فواصل زمانی بسیار طولانیتر بین پالسها اتفاق میافتد.
میکرو برش
برای ریز ماشینکاری، از پرتوهای با فوکوس قویتر و حتی مدت زمان پالس کوتاهتر در حوزه پیکوثانیه یا حتی فمتوثانیه استفاده میشود. لیزرهای فوق سریع مورد نیاز معمولاً کیفیت پرتو بالایی دارند و تمرکز دقیق تابش آنها را آسان می کند. متأسفانه، از نظر توان متوسط، آنها به طور قابل توجهی گرانتر و محدودتر از لیزرهای پالس طولانی تر هستند. سرعت پردازش به دلیل میانگین توان کمتر، کاهش می یابد، اما برای ابعاد نسبتاً کوچک برش های مورد نیاز، سرعت پردازش عملا اهمیت کمتری دارد.
- برش از راه دور
در بیشتر موارد، برش لیزری با فاصله کاری نسبتاً کمی در حد 1 میلی متر انجام می شود. با این حال، امکان برش از راه دور نیز وجود دارد، یعنی با فواصل کاری بسیار بزرگتر. این می تواند مزایای عملی قابل توجهی مانند بهره وری بالا حداقل برای برش مواد نسبتا نازک با استفاده از یک اسکنر لیزری مناسب داشته باشد. در حالی که استفاده از پرتو لیزر در فواصل بیشتر تا زمانی که کیفیت پرتو آن به اندازه کافی بالا باشد مشکلی ندارد، اما امکان تامین یک جت پرفشار گاز فرآیند در فواصل زیاد وجود ندارد. بنابراین، برش از راه دور معمولاً باید بدون چنین گازی کار کند، که حاکی از محدودیت های جدی است. از سوی دیگر، اجتناب از مصرف گاز البته یک مزیت است و ساخت سر برش نیز بسیار ساده تر است.
- برش سه بعدی
بسیاری از فرآیندهای برش لیزر اساساً فقط در دو بعد کار می کنند، به عنوان مثال برای برش ورق های فلزی تخت کافی است قطعه کار یا سر لیزر را در دو بعد حرکت دهید و جهت نازل لیزر را ثابت نگه دارید. دستگاههای برش لیزری انعطافپذیرتر امکان برش سه بعدی را فراهم میکنند، یعنی شامل تغییر جهت پرتو لیزر یا جهت قطعه کار نیز میشوند. برای مثال، برای عملیات برش بر روی قطعات کار که قبلاً خم شده یا اشکال هندسی پیچیدهتری دارند، برش سه بعدی لازم است. چنین ماشین هایی نیاز به تجهیزات حرکتی پیچیده تری دارند که شامل محرک ها و موتورها، حسگرهای موقعیت، کنترل الکترونیکی و نرم افزاری است.
