برتری لیزرها در برش ورق‌های فلزی و غیر فلزی را می‌توان در سه پارامتر سرعت برش، دقت برش و کیفیت برش خلاصه کرد. اما در این صنعت فراگیر کدام دسته از لیزرها مناسب‌تر هستند؟! قطعا پاسخ کلی این پرسش، لیزرهایی هستند که از نظر بازدهی تولید صنعتی و همچنین تعمیرات و نگهداری، مقرون به صرفه باشند. برای تشخیص ویژگی‌های ذکر شده لازم است تا ساختار لیزرها و نحوه عملکرد آن‌ها را مقایسه کنیم. در این مقاله به تجزیه و تحلیل دقیق و جامع در تجهیزات برش و همچنین تأثیر تجهیزات جدید را بر سایر فرآیندهای ساخت ورق‌های فلزی موجود خواهیم پرداخت.
تکامل فناوری برش لیزر فیبر نوری
از زمانی که لیزرهای CO2 برای اولین بار جهت برش در دهه 1980 معرفی شدند، برش لیزر فیبر یکی از اختلال‌آمیزترین فناوری‌های معرفی شده به بازار فلزکاری بوده است. با گذشت زمان، فناوری لیزر فیبر یک انقلاب در صنعت برش و جوش لیزری در نظر گرفته شد. تنها در پنج سال، لیزرهای فیبر به آستانه برش 4 کیلوواتی دست یافتند که همین مدت پیشرفت برای لیزرهای CO2 تقریباً چهار برابر یعنی بیست سال طول کشید. پس از ده سال، لیزرهای فیبر به سطح توان 15 کیلووات برای برش دست یافتند و هم اکنون لیزرهای فیبری با توان بیش از 20 کیلووات نیز در صنعت برش فلزات استفاده می‌شوند.
مزایای فناوری برش لیزری فیبر نوری
در مورد مزایای کلی لیزرهای فیبر نوری در مقاله « چرا لیزرهای فیبر نوری انتخاب اول صنعت‌گران شده است؟!» مواردی را برشمردیم. مزایای اصلی برش ورق فلزی تخت با فناوری لیزر فیبر، از پیکربندی یکپارچه فیبر نوری و طراحی حالت جامد فشرده آن در ساختار فیبر ناشی می‌شود که تعمیر و نگهداری آن را آسان ساخته است و هزینه عملیات کمتری نسبت به لیزرهای CO2 قابل مقایسه دارد. همانطور که در ادامه بررسی خواهیم کرد، ویژگی‌های پرتو لیزر فیبر نیز سرعت برش بسیار سریعتری نسبت به سایر لیزرها ایجاد می‌کند.
پرتو متمرکز یک لیزر فیبر 2 کیلوواتی در مقایسه با یک لیزر گازی دی‌اکسید کربن 4 کیلوواتی، 5 برابر چگالی توان بیشتری را در نقطه کانونی ایجاد می‌کند که ناشی از ساختار یکپارچه کاواک تمام فیبر لیزرهای فیبری است. همچنین به دلیل طول موج کوتاه‌تر لیزر فیبر، ویژگی جذب نور لیزر در ماده را بیش از 2 برابر افزایش می‌دهد. جذب بیشتر طول موج لیزر فیبر و چگالی توان بالاتر ایجاد شده توسط پرتو متمرکز، سرعت برش را تا 5 برابر در لیزرهای فیبر نوری افزایش می‌دهد.
لیزر فیبر لیزر CO2
سیستم‌های برش لیزر فیبر مطمئناً می‌توانند بیش از 1 اینچ ضخامت را با توان لیزر فیبر بالاتر برش دهند و حتی با استفاده از نیتروژن به عنوان گاز کمکی، سرعت برش را نیز بیشتر کنند. به طور قطع، اگر شما در حال پردازش مواد ضد زنگ، آلومینیوم، برنج یا مس هستید، فناوری لیزر فیبر بدون در نظر گرفتن ضخامت، سریعترین و مقرون به صرفه ترین نوع لیزرها برای کار شما است.
مزایای سرعت بالای برش لیزر فیبر، زمانی که از نیتروژن به عنوان گاز کمکی استفاده می‌شود بسیار قابل توجه است. زیرا مواد مذاب توسط نیتروژن به همان سرعتی که ذوب می شود از داخل پوسته خارج می شود. هرچه چگالی توان پرتو لیزر بیشتر باشد، مواد سریعتر به حالت مذاب می‌رسند، سرعت تغذیه سریعتر می‌شود. استفاده موثر از مزایای سرعت لیزرهای فیبر با قدرت بالا، نیازمند برنامه ریزی و مدیریت دقیق تمام فرآیندها است. با سه تا چهار برابر توان عملیاتی بیشتر و هزینه عملیاتی کمتر لیزرهای فیبر نوری، بازدهی و سود مالی چند پله سعود خواهد کرد. در نتیجه هزینه کمتر برای هر قطعه، حاشیه سود بالقوه بالاتر و زمان بازگشت کوتاه تر سرمایه را به دنبال خوهد داشت. همچنین مزیت افزایش ظرفیت دستگاه برش با لیزر فیبر را نباید فراموش کرد زیرا حجم قطعات معمولی را بسیار سریعتر پردازش می‌کنید و این فرصت را فراهم می‌کند که کارهای بیشتری را برای افزایش بیشتر درآمد و سود فروش خود انجام دهید. لیزر فیبر می‌تواند مس، برنج و آلومینیوم را بسیار بهتر و ایمن تر از لیزرهای دیگر برش دهد، زیرا پرتو راحت تر جذب می‌شود و منعکس نمی شود. هزینه های عملیاتی لیزر فیبر معمولاً نصف هزینه‌های لیزرهای دی‌اکسید کربن است که دلیل آن مصرف برق کمتر و راندمان الکتریکی بالای لیزرهای فیبر است.
یکی از آخرین پیشرفت‌ها در برش لیزری فیبر، اضافه شدن فناوری Beam Shaping است که مشخصات پرتو را برای برش صفحه ضخیم با اکسیژن تغییر می‌دهد. از آنجایی که لیزر فیبر از طریق فیبر نوری تحویل داده می شود، پروفایل پرتو ذاتاً کوچک است و کانال باریکی ایجاد می کند که از طریق مواد متمرکز می شود. در حالی که این مزیت برای چگالی توان برای برش با نیتروژن به عنوان گاز کمکی است، این مورد در مورد برش کمکی اکسیژن صادق نیست. هنگام برش با اکسیژن، پروفایل پرتو عریض‌تر با چگالی توان کمتر ترجیح داده می‌شود، زیرا کانالی وسیع‌تر در ماده ایجاد می‌کند تا فولاد مذاب را از آن خارج کند.
پروفایل عریض‌تر، سرعت برش سریعتر و کیفیت لبه برش را در فولادهای ضخیم‌تر افزایش می‌دهد. فناوری Beam Shaper به پروفیل پرتو گسترده‌تر لازم برای دستیابی به این افزایش عملکرد دست می‌یابد.
برخی از مزیای لیزرهای فیبر نوری در مقایسه با لیزرهای گازی CO2 عبارتند از:
برش لیزر فیبر با توان بالا می‌تواند تا 5 برابر سریعتر از لیزر CO2 معمولی برش دهد و نیمی از هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.
برش‌های لیزری فیبر نیازی به زمان راه اندازی کردن ندارند. در حالی که معمولاً حدود 10 دقیقه در هر راه اندازی برای لیزر CO2 زمان لازم است.
بر خلاف لیزرهای CO2، برش لیزر فیبر هیچ گونه تعمیر و نگهداری مسیر پرتو مانند تمیز کردن آینه یا لنز ندارد.
لیزرهای فیبر یک مسیر پرتو فیبر نوری کاملاً مهر و موم شده هم در منبع برق و هم در تحویل فیبر به سر برش دارند. پرتو در معرض آلودگی های مسیر پرتو قرار نمی‌گیرد.
از آنجایی که یکپارچگی پرتو فیبر همیشه ثابت می‌ماند، پارامترهای برش نیز ثابت می‌ماند و به تنظیمات بسیار کمتری نسبت به لیزر CO2 نیاز دارد.
اگرچه هر لیزر دارای نقاط قوت و موارد استفاده متمایز است، اما لیزر CO2 یک فناوری قدیمی است و لیزرهای فیبر با پیشرفت فناوری به سرعت بازار را در دست گرفته‌اند. کاربردهای روزافزون برش (برش ورق تخت، برش لوله و برش سه بعدی) سیستم‌های لیزر فیبر در چندین زمینه، از جمله هوافضا (قطعات با استحکام بالا که می‌توانند فشارهای فضای بیرون را تحمل کنند)، نظامی و در سایر بخش‌ها برای تولید. تجهیزات متعدد، فرصت رشد بزرگی را برای بازار لیزرهای فیبر ایجاد می‌کند. لیزرهای فیبر را می‌توان در برش سیلیکون برای سلول‌های خورشیدی و نیمه‌هادی ها، برش قطعات فلزی در محیط های تولیدی و صنعتی، برش استنت ها برای صنعت پزشکی، و برش سنگ‌های قیمتی برای استفاده در صنعت جواهرات استفاده کرد. علاوه بر این، لیزرهای فیبر برای برش صفحات استاتور و فویل باتری در صنعت خودرو استفاده می‌شود. علاوه بر این، صنعتی شدن سریع در سراسر جهان، تقاضا برای لیزرهای فیبر پالسی را در کاربردهای برش برای جایگزینی روش‌های مرسوم مانند چاپ مبتنی بر جوهر و اچ شیمیایی افزایش داده است، که پیش‌بینی می‌شود باعث رشد بازار لیزر فیبر شود. افزایش تقاضا برای لیزرهای فیبر در کاربردهای برش به دلیل مصرف انرژی بسیار کمتر نسبت به تکنیک های برش سنتی و اتلاف مواد کم، رو به رشد است. علاوه بر این، کل فرآیند برش لیزر غیر تماسی است که به دلیل خطر کمتر صدمات شخصی، عدم ساییدگی و پارگی قطعات متحرک و بدون آسیب مادی در اثر تماس باعث کاهش زمان خرابی و افزایش سود می شود. بنابراین، استفاده گسترده از لیزرهای فیبر برای برش کاربردها در مناطق مختلف، فرصت های رشد بزرگی را برای استفاده کنندگان لیزر فیبر ایجاد می‌کند.