بررسی مزایا و معایب برشکاری ورق با لیزر

برشکاری ورق با لیزر یک فرایند گرمایی است که در آن یک اشعه لیزر متمرکز برای ذوب ماده در یک ناحیه مورد استفاده قرار می گیرد.

یک پرتوی لیزر که معمولا نادیدنی است، در منبع تولید لیزر ایجاد می شود و و توسط آینه ها به سمت نازل برش هدایت و توسط یک لنز متمرکز می شود.

فاصله لنز نسبت به محل ورق قابل تنظیم می باشد تا بتوان نقطه کانونی پرتو را در ارتفاع مناسب دریافت کرد.

پرتوی قوی نور به سرعت دمای قطعه کار را بالا می برد و ماده را ذوب می کند.

در این روش یک جت گاز، مواد را از ناحیه برش بیرون زده و یک برش پیوسته به وسیله حرکت پرتوی لیزر ایجاد می شود.

گاز کمکی (گاز برش) جهت محافظت و خنک کردن لنز و همزمان جهت کنار زدن ماده ذوب شده از شیار برش استفاده می شود.

مزایای برشکاری ورق با لیزر:
به طور کلی می توان برشکاری ورق با لیزر را به صورت زیر بیان کرد:

1 - سرعت بالا برش در مقایسه با سایر روش ها، به عنوان مثال یک لیزر CO2 1500 وات می تواند فولاد نرم با ضخامت 2 میلی متر را با سرعت 7.5 متر بر دقیقه برش دهد.

2 - در بیشتر موارد اجزای برش بعد از برش بدون هیچ عملیات اصلاحی، بلافاصله آماده کاربرد است.

3 - پهنای برش (پهنای شیار) بسیار باریک است (بین 0.1 تا 1 میلی متر). قطعات دارای جزئیات و شکل های پیچیده بدون محدودیت و نگرانی از حداقل شعاع داخلی که توسط فرزکاری و سایر روش های ماشین کاری مشابه تحملی می شود، قابل ایجاد است.

4 - فرایند به طور کامل قابل کنترل توسط ماشین های CNC است. این مزیت همراه با عدم ضرورت به کار بردن آرایش پیچیده جیگ ها به این معنی خواهد بود که به طور مثال تغییر عملیات برش از محصول الف از جنس فولاد به محصول ب از جنس پلیمر در کسر دقیقه انجام می پذیرد.

5 - اگرچه برش لیزر یک فرایند حرارتی است، منطقه حقیقی که توسط لیزر گرم می شود بسیار کم است و بخش عمده ماده گرم شده از محل برش خارج می شود بنابراین مقدار گرمای ورودی به حجم ماده بسیار کم است. HAZ بسیار کوچک است و از اعوجاج اجتناب می شود.

6 - این فرایند یک فرایند بدون تماس است، به این معنی که قطعه کار نیاز به گیره بندی پیچیده ندارد و کافی است زیر پرتو موقعیت دهی شود. مواد انعطاف پذیر و بسیار نرم می توانند با دقت فوق العاده بریده شوند و در حین برش جا به جا نشوند.

7 - باریکی عرض شیار و عدم وجود نیروهای مکانیکی بر روی ورق تحت برش: طراحی و چینش قطعات تولیدی بر روی ورق می تواند بسیار نزدیک به یکدیگر باشد. بنابراین دورریز مواد می تواند به حداقل برسد. در بعضی موارد این مزیت تا آن جا پیش می رود که هیچ دور ریزی بین قطعات مجاور نیست.

8 - اگرچه سرمایه اولیه برای تهیه ماشین برش ورق با لیزر قابل توجه است، هزینه کارکرد و عملیات دستگاه کم است. همانند روش های برش مکانیکی تیغه یا ابزار خاص گران و مصرف شونده ای نیاز نخواهد بود.

9 - محیط کار تمیز بوده و کارایی بالاست و رضایت کارکنان را در پی دارد و با روش های تولید دیگر قابل رقابت شدید است.

10 - ماشین برشکاری ورق با لیزر در مقایسه با بسیاری دیگر از روش های برش مکانیکی بسیار امن است.

فاصله کانونی نسبت به سطح قطعه کار:
اندازه کوچک پرتوی متمرکز شده توسط کانونی کردن اشعه لیزر شدت بالایی برای ذوب ماده فراهم می کند. بالاتر و پایین تر از کانون، شدت کاهش می یابد.

در کل، نقطه کانونی باید به صورت دقیق با مراجعه به سطح قطعه کار موقعیت دهی شود و این موقعیت باید در طی عملیات حفظ شود.

نقطه کانونی باید کنترل شود تا از بابت کارکرد بهینه برش مطمئن شویم.

تغییرات در ماده و ضخامت ممکن است نیاز به تغییرات در کانون داشته باشد و نیز تغییرات در شکل پرتوی لیزر آن و تغییرات دما در منبع تولید لیزر و یا آلودگی ها روی لنز ممکن است نقطه کانونی را اندکی تغییر دهد.

نوع و فشار گازهای کمکی مورد استفاده:
در فرایند برش، برای خروج مذاب از شیار برش از گازهای بی اثر مثل آرگون یا گازهای فعال مثل اکسیژن استفاده می شود.

گازهای مورد نیاز جهت بیرون راندن مذاب از شکاف برش مواد مصرفی مهم در عملیات برشکاری ورق با لیزر هستند.

گاز کمکی می تواند تأثیر مستقیمی بر افزایش طول عمر اجزای اپتیکی، افزایش سرعت برش و بهبود کیفیت برش داشته باشد.

همه این موارد می تواند منجر به یک عملیات لیزری صحیح و کم هزینه شود. بنابراین نوع و فشار گاز برش در دستیابی به برش خوب تعیین کننده است.

بسته به نوع گاز کمکی استفاده شونده دو پروسه برش موجود است:

گازهای فعال:
هنگام برش توسط اکسیژن ماده می سوزد و بعد از بالا رفتن دمای ماده تا دمای احتراق توسط اشعه لیزر، ماده بخار می شود.

از طرفی واکنش بین اکسیژن و ماده، انرژی اضافی جهت حرارت تولید می کند که باعث حمایت از فرایند برش می شود.

واکنش های گرمازا دلیل افزایش قابلیت نفوذ هنگام استفاده از گاز اکسیژن به عنوان گاز کمکی در برش جنس های با ضریب بازتابش بالا و ضخیم است.

اکسیژن اگرچه سطح برش را با لایه اکسیدی می پوشاند، در فولادهای کربنی و فولادهای کم آلیاژ کارایی برش خوبی می دهد.

گازهای خنثی:
هنگام برش با گازهای غیر واکنش دهنده و خنثی همچون نیتروژن یا آرگون، ماده تنها توسط انرژی لیزر ذوب می شود و توسط انرژی جنبشی ناشی از جت گاز از شیار برش خارج می شود.

از آن جایی که گازهای خنثی با ماده ذوب شده واکنش نمی دهند و حرارت اضافی تولید نمی شود، برای قطعه کار با ضخامت مشابه معمولا توان لیزر، بسیار بالاتر از حالت برش با گاز کمکی اکسیژن است.

برش با گاز خنثی معمولا به عنوان برش تمیز یا برش فشار بالا شناخته می شود. در برش فولادهای پر آلیاژ بیشتر از نیتروژن استفاده می شود.

همچنین نیتروژن به صورت فزاینده ای برای قطعاتی به کار می رود که پوشش دهی پودری شده اند.

هرگونه اکسید در سطح برش خورده، اتصال بین پوشش و قطعه را کم می کند و در نتیجه ممکن است باعث مشکلات خوردگی و فرسودگی شود.

مزیت استفاده از گاز اکسیژن در آزاد کردن انرژی و کم کردن کشش سطحی است، که تولیدکننده را قادر می سازد سرعت برش را تا حد قابل قبولی بالا ببرد.

در طرف مقابل با بکارگیری گاز بی اثر دیگر از انرژی اضافی اکسیداسیون خبری نیست و صرفا این پرتو لیزر است که فرایند مذاب سازی سطح در حال برش را بر عهده دارد.

به طور معمول فشارهای گازهای بی اثر برای برشکاری خیلی بیشتر از فشار گازهای فعال مثل اکسیژن است.