كيفية اختيار آلات قطع الأنابيب بالليزر للمواد المختلفة للأنابيب؟

توافق المواد وتأثيره على أداء قطع الأنابيب بالليزر

المواد الشائعة المستخدمة في الأنابيب المتوافقة مع قطع الليزر (الفولاذ المقاوم للصدأ، الألومنيوم، النحاس الأصفر، النحاس، التيتانيوم)

تعمل ماكينات قص الليزر بالألياف بشكل جيد جدًا مع خمسة أنواع رئيسية من المعادن. يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ كثيرًا لأنه مقاوم للتآكل في التطبيقات الصناعية. ويُعد الألومنيوم شائعًا في صناعة الأجزاء الخفيفة المستخدمة في الطائرات والمركبات الفضائية. ويُستخدم النحاس الأصفر أحيانًا في التفاصيل الزخرفية على المباني. أما النحاس فيُستَخدم بكثرة في الأسلاك الكهربائية والأنابيب، بينما يُوجد التيتانيوم غالبًا في الأجهزة الطبية حيث تكون القوة هي العامل الأهم. يمكن لهذه الأنظمة الحديثة بالليزر قطع صفائح فولاذية بسماكة تصل إلى 25 مم، ومعادن غير حديدية بسماكة حوالي 15 مم. تحافظ هذه الماكينات على دقة تبلغ ±0.1 مم، وهي دقة تُحدث فرقًا كبيرًا عند تصنيع أجزاء يجب أن تتحمل الأوزان أو تشكل إغلاقات محكمة دون تسريبات.

كيف تؤثر تركيبة المادة على جودة القص وكفاءة المعالجة

يلعب التركيب الكيميائي للمواد دورًا كبيرًا في كيفية تفاعلها مع أشعة الليزر أثناء عمليات القطع. فعلى سبيل المثال، يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على الكروم، مما يعني أننا في كثير من الأحيان نحتاج إلى دعم النيتروجين أثناء عملية القطع لمنع تكوّن طبقات أكسيد غير مرغوبة. وتشكل الألومنيوم تحديات مختلفة بسبب توصيله الحراري العالي الذي يصل إلى حوالي 237 واط/متر كلفن، مما يجعل من الضروري استخدام ليزر نبضي للتحكم بفعالية في بركة الانصهار. وعند العمل مع النحاس أو البرنج، يجد المشغلون عادةً أن الأكسجين يعمل بشكل جيد مع الصفائح الرقيقة، في حين أن الهواء المضغوط أكثر ملاءمة للمواد السميكة. هذه مجرد بعض العوامل المهمة التي يأخذها الفنيون في خط الإنتاج بعين الاعتبار عند إعداد عمليات قطع الليزر.

يزيد المحتوى العالي من الكربون في الفولاذ من صلابة الحافة ولكنه يقلل من سرعات القطع بنسبة 18—22٪ مقارنةً بالفولاذ الطري بسبب متطلبات امتصاص الطاقة الأعلى.

تحديات التوصيل الحراري والانعكاسية في المعادن غير الحديدية

يُعد الألمنيوم من المواد التي تفقد الحرارة بسرعة نسبيًا، مما يعني أنه يحتاج إلى طاقة أكثر بنسبة تتراوح بين 15 و20 بالمئة لكل وحدة مساحة مقارنةً بالفولاذ، فقط للحفاظ على عرض قطع ثابت. وعند العمل مع النحاس، تظهر مشكلة مختلفة تمامًا؛ إذ يعكس النحاس حوالي 85 إلى 90 بالمئة من الطول الموجي البالغ 1 ميكرومتر الصادر عن الليزر الليفي. وهذا يخلق مشاكل جسيمة مع الأشعة المنعكسة التي قد تؤدي فعليًا إلى تلف المكونات البصرية. ولتلافي هذا الخطر، يضطر العديد من ورش العمل إلى الاستثمار في أنواع مختلفة من أنظمة توصيل الشعاع مصممة خصيصًا لتقليل هذه المخاطر. ثم يأتي التيتانيوم، الذي يصبح شديد السخونة عند تعرضه للأكسجين. ونتيجةً لهذا التفاعل، يجب على الشركات المصنعة استخدام خلطات خاصة من الغازات الخاملة أثناء عمليات القطع لمنع اشتعال المواد بشكل غير متوقع.

لماذا تشكل المواد العاكسة للغاية مثل النحاس والبرونز خطرًا على أنظمة الليزر الليفي

المعادن مثل النحاس والبرونز التي تعكس الضوء بشكل جيد يمكنها إرجاع حوالي 65 إلى 75 بالمئة من طاقة الليزر مباشرة إلى النظام البصري. وهذا يسبب مشاكل حقيقية في المعدات مثل المُضاعفات (الرنانات) والمحاورات. وفقًا لبحث بونيمان من العام الماضي، تصل فواتير إصلاح هذه الأضرار عادةً إلى حوالي 740,000 دولار. ويقلل البرونز الذي يحتوي على أقل من 30% من الزنك من هذه الانعكاسية إلى مستوى قابل للعمل، وعادة ما يكون بين 45 و50%. كان النحاس الخالص دائمًا صعبًا، وكان يحتاج إلى أجهزة ليزر CO2 التقليدية حتى وقت قريب. لكن حدثت بعض الاختراقات مؤخرًا. يمكن لأجهزة الليزر الليفية التي تعمل عند أطوال موجية تبلغ 1070 نانومتر مع أشعة بزاوية خاصة أن تقطع بالفعل صفائح نحاسية بسماكة تتراوح بين 2 إلى 5 مم، مستهلكةً فقط 15% من التكلفة الطاقوية التي تستهلكها أنظمة CO2 التقليدية. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا في المصروفات التشغيلية.

مطابقة قوة الليزر لمتطلبات نوع الأنبوب وسمكه

اختيار واط الليزر بناءً على نوع المعدن وسماكة الجدار

يعتمد اختيار قوة الليزر المناسبة إلى حد كبير على نوع المادة التي نعمل بها وعلى سماكة الجدران. على سبيل المثال، عند التعامل مع أنابيب رقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة أقل من 5 مم، يجد معظم الأشخاص أن ليزرات الألياف ذات القدرة بين 3 و4 كيلوواط تؤدي المهمة بشكل جيد. ولكن الأمور تتغير عندما ننظر إلى مواد أثقل مثل الفولاذ الكربوني بسماكة 10 مم، حيث يحتاج المشغلون عمومًا إلى ما لا يقل عن 6 كيلوواط فقط للحفاظ على سرعة القطع فوق مترين في الدقيقة وفقًا لأحدث دليل من JQ Laser لعام 2024. ثم هناك تلك المواد صعبة المعالجة ذات التوصيلية العالية مثل النحاس والتايتنيوم. هذه المواد تمتص الطاقة بشكل كبير، وبالتالي يُنصح عادةً باستخدام أنظمة بقدرة تتراوح بين 8 و12 كيلوواط عندما تتجاوز السماكة علامة 6 مم.

الإعدادات المثلى لأنابيب الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ

يستجيب الفولاذ الكربوني بشكل متوقع للطاقة الليزرية، مما يسمح بإجراء قطع فعال عند 3—4 كيلوواط. على النقيض من ذلك، يستفيد الفولاذ المقاوم للصدأ من دخل طاقة أعلى بنسبة 10—15٪ واستخدام غاز النيتروجين كدرع لحفظ جودة الحافة. أظهرت دراسة أجريت في عام 2024 أن استخدام ليزر ألياف بقدرة 4 كيلوواط على فولاذ مقاوم للصدأ بسماكة 5 مم حقق نعومة حافة بنسبة 98.5٪، وهو ما يفوق الأنظمة ذات القدرة 3 كيلوواط (92٪) بشكل كبير.

احتياجات الطاقة العالية للملفات النحاسية والتيتانيوم ذات الجدران السميكة

درجة انصهار التيتانيوم العالية التي تبلغ حوالي 1668 درجة مئوية، بالإضافة إلى الطبيعة العاكسة للنحاس، تعني أن معظم الورش تحتاج إلى أشعة ليزر ألياف بتصنيف يتراوح بين 8 إلى 12 كيلوواط، أو اللجوء إلى إعدادات لحام الليزر الهجين عند التعامل مع سماكات جدران تزيد عن 6 ملليمترات. في الواقع، تُظهر بعض طرز أشعة الليزر بالألياف الأحدث قدرة على قطع صفائح نحاسية بسماكة 8 مم وبقوة 6 كيلوواط فقط دون الإضرار بالعناصر البصرية، لكن لا يزال العديد من المصنّعين يفضلون استخدام أشعة الليزر CO2 التقليدية بالنسبة لأي سماكة 10 مم فأكثر وفقًا للمعايير المرجعية لشركة Feijiu Laser التي نعتمد عليها جميعًا. ولا تنسَ استخدام غاز النيتروجين المساعد أثناء عمليات القطع، فهو يحدث فرقًا كبيرًا في تقليل التشوه ومنع الأكسدة غير المرغوب فيها على هذه المعادن الصعبة.

الليزر بالألياف مقابل ليزر CO2: اختيار التكنولوجيا المناسبة لمادتك

مزايا أشعة الليزر بالألياف في قص أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم، والنحاس

عندما يتعلق الأمر بالعمل مع معادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم، وأنابيب النحاس الأصفر المتوسطة التي تُستخدم بكثرة في أجزاء السيارات ومكونات الطائرات، فإن الليزر الليفي يتفوق بوضوح على الخيارات الأخرى. يمكن لهذه الأنظمة تحقيق دقة تصل إلى 0.1 مم للمواد التي تصل سماكتها إلى 20 مم، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب. وليس هذا فحسب، بل إن أنظمة الليزر الليفي تعمل عادةً بسرعة تزيد بنسبة 30 بالمئة تقريبًا مقارنةً بأنظمة CO2 التقليدية، وتستهلك ما بين 20 إلى 30 بالمئة أقل من غاز النيتروجين أثناء التشغيل. ولكن ما يميزها حقًا هو طول موجتها البالغ 1,064 نانومتر، والذي يقلل فعليًا من التلف الحراري في أجزاء النحاس الأصفر الحساسة مثل وصلات الأجهزة الدقيقة. وهذا يعني أن المصانع تحصل على استقرار أفضل في الأبعاد دون مشكلات التواء التي تعاني منها التقنيات القديمة.

فعالية ليزر CO2 على المواد شديدة الانعكاس مثل النحاس والنحاس الأصفر

عند العمل مع أنابيب النحاس أو البرصنج التي يزيد سمكها عن 15 مم، لا يزال معظم المحترفين يفضلون أشعة الليزر من نوع CO2 بسبب طول موجتها البالغ 10.6 ميكرومتر. هذه الأطوال الموجية لا تنعكس بقدر ما تنعكس أشعة الليزر الليفية، مما يجعلها أكثر عملية لهذا النوع من العمل. وقد أظهرت الدراسات أن أنظمة ليزر CO2 يمكنها الاحتفاظ بالتسامحات ضمن حدود ±0.15 مم حتى على البرصنج الذي يصل سُمكه إلى 25 مم. كما أنها تقطع بسرعة تبلغ حوالي 2.5 متر في الدقيقة، ولا توجد تقريبًا أي فرصة لحدوث انعكاس خلفي يتسبب في تلف أثناء العملية، وهو أمر تم تأكيده من خلال اختبارات متعددة للتجهيز الحراري. وبسبب هذا الأداء الموثوق، تُستخدم أشعة ليزر CO2 بشكل شائع في التطبيقات الحيوية مثل تصنيع المكونات الكهربائية والهندسة البحرية حيث تكون الدقة هي العامل الأهم.

الكفاءة الطاقوية، الصيانة، وتكاليف التشغيل: مقارنة بين الليزر الليفي وCO2

تستخدم أشعة الليزر الليفية ما يصل إلى 50٪ أقل من الطاقة مقارنةً بنماذج CO— (NMLaser 2024)، وتتراوح تكاليف الصيانة حول 0.08 دولار/ساعة مقابل 0.18 دولار/ساعة للأنظمة CO—. ويقلل تصميمها الحالة الصلبة من الحاجة إلى المرايا وغازات الرنين، مما يقلل من التوقف عن العمل والحاجة إلى قطع الغيار.

دحض الأسطورة: هل يمكن لأشعة الليزر الليفية قطع أنابيب النحاس الخالص بأمان؟

في الماضي، كان النحاس ممنوعًا بشكل شبه تام في استخدام أشعة الليزر الليفية بسبب انعكاسيته البالغة 98٪ عند تلك الأطوال الموجية التي تبلغ ميكرونًا واحدًا. لكن الأمور تغيرت كثيرًا في الآونة الأخيرة. تأتي أنظمة الليزر الجديدة بمجموعة متنوعة من التقنيات المتطورة مثل ضوابط تشكيل النبضات، وطبقات مضادة للانعكاس خاصة، وأشعة بزوايا محسّنة تسمح فعليًا للمصنعين بقطع صفائح نحاسية نقية بسماكة تصل إلى 10 مم وبسرعة تقارب 1.8 متر في الدقيقة. كما أن الشقوق الناتجة دقيقة جدًا، حيث تبقى بعرض أقل من 0.3 مم. ووفقًا لبعض الاختبارات التي أجريت العام الماضي، قللت هذه الترقيات مشكلة الانعكاس الخلفي بنسبة تقارب 90٪ مقارنة بما كنا عليه من قبل. تعني هذه القفزة النوعية أن الصناعات مثل تكييف الهواء والتدفئة والتبريد، وأشباه الموصلات، ونقل الطاقة لم تعد بحاجة إلى الاعتماد فقط على تقنية ليزر CO2 التقليدية في أعمال النحاس.

الأسئلة الشائعة

ما المواد المتوافقة مع قص الأنابيب بالليزر؟

تشمل المواد الشائعة المتوافقة مع قص الأنابيب بالليزر الفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم، والنحاس الأصفر، والنحاس، والتيتانيوم.

كيف تؤثر تركيبة المادة على قطع الليزر؟

تؤثر تركيبة المادة على قطع الليزر من خلال التأثير على التوصيل الحراري والانعكاسية، وهي عوامل تلعب دورًا كبيرًا في جودة القطع وكفاءة المعالجة.

لماذا يُفضل استخدام ليزر الألياف لبعض المعادن؟

يُفضل ليزر الألياف للمعادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم بسبب دقته وسرعته واستهلاكه المنخفض للطاقة مقارنةً بأنظمة ليزر CO2 التقليدية.

ما هي التحديات التي تواجه ليزر الألياف عند التعامل مع المواد شديدة الانعكاسية؟

يمكن أن تعكس المواد شديدة الانعكاسية مثل النحاس جزءًا كبيرًا من طاقة الليزر عائدًا إلى النظام، مما قد يتسبب في تلف المعدات. ويتطلب التصدي لهذه التحديات أنظمة متخصصة.

ما هي مزايا ليزر CO2 عند قص النحاس والبرونز؟

يُعد ليزر CO2 فعالاً في قطع النحاس والبرونز السميكين بفضل طول موجته، الذي يقلل من الانعكاس العكسي ويحافظ على الدقة.