ماشین‌های برش لیزری لوله ای، چه مواد لوله‌ای را به‌صورت دقیق پردازش می‌کنند؟

چگونه لوله ماشین های برش لیزر با مواد مختلف کار کنید

اصول اساسی تعامل لیزر و ماده در برش لوله

اثربخشی برش لیزری واقعاً به این بستگی دارد که مواد مختلف چگونه انرژی را جذب و پخش می‌کنند. فلزات را به عنوان مثال در نظر بگیرید، فولاد ضدزنگ و آلومینیوم رفتارهای کاملاً متفاوتی دارند چرا که خواص حرارتی آنها تفاوت چندانی نمی‌کنند. فولاد ضدزنگ هدایت حرارتی خوبی ندارد، حدود 15 وات/متر کلوین که یعنی گرما تمایل دارد در یک نقطه تمرکز پیدا کند. آلومینیوم داستانی متفاوت دارد، هدایت‌پذیری بالاتری دارد، حدود 205 وات/متر کلوین، بنابراین گرما سریع‌تر پخش می‌شود و این امر باعث دشواری در ایجاد ذوب یکنواخت می‌شود. مس نوع دیگری از حیوانات است. در طول موج 1 میکرون، مس تقریباً کل نور را بازتاب می‌دهد، دقیقاً 95 درصد. این مشکل بازتاب نیازمند تغییرات جدی در پرتو لیزر است تا بتوان برش‌های پایداری ایجاد کرد. با نگاهی به لیزرهای فیبری جدید، می‌توانند تقریباً تمام انرژی فولاد را جذب کنند، نزدیک به 99 درصد جذب، اما در مورد مس با کاهش جذب تا 60-70 درصد مواجه می‌شوند. به همین دلیل، کارگاه‌هایی که با مس کار می‌کنند اغلب نیازمند روش‌ها و تجهیزات خاصی هستند تا بتوانند کار را به خوبی انجام دهند.

تفاوت‌های عملکردی بین لیزر فیبری و لیزر CO₂ در پردازش فلزات

در برش فولادهای ضدزنگ و کم‌کربن، لیزرهای فیبری به‌سادگی لیزرهای CO2 را به‌خوبی شکست می‌دهند، به‌ویژه هنگام کار با لوله‌های دیواره‌نازک که می‌توانند تا ۳۰٪ سریع‌تر برش بدهند. دلیل چیست؟ لیزرهای فیبری در طول موج بسیار کوتاه‌تری حدود ۱/۰۸ میکرون کار می‌کنند که توسط فلزاتی مانند فولاد بهتر جذب می‌شود، بنابراین انرژی کمتری هدر می‌رود و زمان چرخه کلی کوتاه‌تر می‌شود. از سوی دیگر، لیزرهای CO2 طول موجهای طولانی‌تری در حدود ۱۰/۶ میکرون دارند که در واقع برای برخی کارهای خاص کارایی بهتری دارند. هنگام برش فلزات غیرآهنی مانند برنج، بازتاب کمتری دارند، بنابراین تولیدکنندگان هنوز هم در برخی کارهای خاص که در آنها پایداری اهمیت بیشتری دارد به آنها متکی هستند. با توجه به اعداد اخیر از بخش هوافضا در سال ۲۰۲۳، شرکت‌هایی که از لیزرهای فیبری استفاده می‌کنند، هزینه برش فولاد ضدزنگ خود را حدود ۱۸/۵ دلار در متر در مقایسه با سیستم‌های سنتی CO2 کاهش داده‌اند. بیشتر این صرفه‌جویی‌ها از نیاز کمتر به گاز کمکی در طول عملیات و بهره‌وری الکتریکی بهتر در کل فرآیند حاصل شده است.

عوامل کلیدی موثر بر سازگاری مواد و دقت برش

سه متغیر به‌صورت اساسی بر کیفیت برش تأثیر می‌گذارند:

1. ضخامت ماده : لوله‌های ≥10 میلی‌متر اغلب نیازمند برش چندمرحله‌ای یا پالسی هستند تا بتوان تجمع گرما را کنترل کرد و از تاب‌خوردگی جلوگیری نمود.
2. تمرکز پرتو : یک لکه کانونی 0.1 میلی‌متری دقت بالایی را در فولادهای زنگ‌نزن نازک فراهم می‌کند، اما می‌تواند در مواد بسیار هادی مانند آلومینیوم ناپایداری ایجاد کند.
3. گازهای کمکی : نیتروژن اکسیداسیون را در فولادهای زنگ‌نزن جلوگیری می‌کند و لبه‌های تمیزی تولید می‌کند، در حالی که هوای فشرده 40% صرفه‌جویی در هزینه را برای آلومینیوم فراهم می‌کند، بدون اینکه کیفیت را تحت تأثیر قرار دهد.

برای فولاد کربنی، حفظ فشار گاز در محدوده 1.2–1.5 بار ضروری است تا از تشکیل سرباره جلوگیری شود و کیفیت برش به‌صورت مداوم حفظ شود.

فولاد زنگ‌نزن و فولاد نرم: کاربردهای اصلی برای ماشین‌های برش لیزری لوله

فولاد ضدزنگ و فولاد نرم بیش از 65٪ از کاربردهای صنعتی برش لیزری لوله (IMTS 2023) را شامل می‌شوند و به دلیل تعادل خوبی که بین استحکام، جوش‌پذیری و واکنش‌پذیری نسبت به انرژی لیزر دارند، ارزشمند هستند. این مواد را می‌توان در ضخامت‌های 0.5 میلی‌متر تا 25 میلی‌متر با مناطق تحت تأثیر حرارتی بسیار کم پردازش کرد، که آن‌ها را برای تولید با دقت بالا ایده‌آل می‌کند.

دقت و کارایی در برش لیزری لوله‌های فولاد ضدزنگ

فولادهای زنگ‌نزن از خانواده آستنیتی مانند 304 و 316 به دلیل داشتن حدود 18 تا 20 درصد کروم کاربرد گسترده‌ای دارند. این همان عاملی است که به آنها مقاومت بسیار خوبی در برابر زنگ زدگی و آسیب‌های شیمیایی می‌دهد. در مورد برش این مواد، فناوری لیزر فیبری امروزی این امکان را فراهم می‌کند تا برش‌های بسیار دقیقی به دست آید. منظور ما عرض شیار برش به اندازه کمی 0.1 میلی‌متر و دقت ابعادی در محدوده مثبت یا منفی 0.05 میلی‌متر حتی برای لوله‌هایی با ضخامت 15 میلی‌متر است. تولیدکنندگان تجهیزات پزشکی و شرکت‌هایی که لوله‌های مورد استفاده در فرآوری مواد غذایی را تولید می‌کنند، به شدت به این سطح از دقت نیاز دارند. محصولات آنها نیازمند سطوحی کاملاً صاف و بدون لبه‌های ناهموار یا خراطیدگی هستند که تنها سیستم‌های پیشرفته لیزری می‌توانند به طور مداوم و در طول تولید، این کیفیت را فراهم کنند.

تنظیمات لیزر و گازهای کمکی بهینه برای برش پاک فولادهای زنگ‌نزن

برای دستیابی به برش‌های بدون اکسیداسیون، استفاده از گاز کمکی نیتروژن در فشار 12 تا 16 بار برای لوله‌های فولادی ضدزنگ 3 تا 8 میلی‌متری پیشنهادی است. برای ضخامت‌های بیشتر (10 تا 15 میلی‌متر)، یک لیزر فیبری با توان 4 کیلووات که در سرعت 0.8 تا 1.2 متر/دقیقه کار می‌کند، نتیجه‌ای بدون گیچ و با حداقل تغییرات حرارتی فراهم می‌کند. این پارامترها امکان تکرارپذیری بالا را در محیط‌های تولید خودکار فراهم می‌کنند.

چرا فولاد کم‌کربن با برش لیزر فیبری لوله‌ای به‌خوبی سازگار است

محتوای کربن نسبتاً پایین در فولاد نرم (کمتر از 0.3 درصد) باعث می‌شود که این فولاد در دمای حدود 1500 درجه سانتی‌گراد به سرعت تبخیر شود. این خاصیت فولاد نرم را به‌ویژه برای کاربردهای برش با لیزر فیبری مناسب می‌کند. با استفاده از یک سیستم لیزری استاندارد 6 کیلوواتی، اپراتورها می‌توانند لوله‌های فولادی نرم به ضخامت 20 میلی‌متر را با سرعت‌های قابل توجهی به میزان حدود 2.5 متر در دقیقه ببرند. برش‌ها لبه‌های تقریباً عمودی با انحراف زاویه‌ای بسیار کم (حدوداً نیم درجه مثبت یا منفی) ایجاد می‌کنند که این امر برای جوشکارها بسیار خوب است، چرا که نیازی به صرف زمان اضافی برای پایان دادن به لبه‌های برش پس از آن نیست. از دیدگاه هزینه، این سیستم‌های لیزری همچنین صرفه‌جویی قابل توجهی را فراهم می‌کنند. داده‌های صنعتی منتشر شده در سال 2023 توسط FMA نشان می‌دهد که با تغییر از روش‌های برش پلاسما سنتی به لیزر، هزینه‌های عملیاتی حدوداً 23 درصد کاهش می‌یابند.

مدیریت حرارتی و کیفیت برش در لوله‌های فولادی ضخیم

برای لوله‌های فولادی کربنی با ضخامت بیش از 25 میلی‌متر، حالت‌های لیزری پالسی (1–2 kHz) به کنترل ورود حرارت و جلوگیری از تاب‌برداشتن کمک می‌کنند. استفاده از مخلوط‌های گازی اکسیژنی به عنوان گاز کمکی، بیرون‌ریزی سرباره را بهتر می‌کند و بقایای موجود در بخش‌های 30 میلی‌متری را 40٪ کاهش می‌دهد. این امر دقت ابعادی را برای اجزای سازه‌ای در ساختمان و ماشین‌آلات سنگین تضمین می‌کند.

مطالعه موردی: قطعات فولادی با تحمل بالا در بخش‌های هوافضا و خودرو

یک تأمین‌کننده درجه یک خودرویی، برش لیزری سه‌بعدی لوله را جهت تولید 5000 عدد لوله تزریق سوخت به‌صورت روزانه با دقت ابعادی 99.7٪ اجرا کرد. همین سیستم تکرارپذیری 0.12 میلی‌متری را برای پیچ‌های هیدرولیکی هواپیما از جنس SS304 فراهم کرد و زمان پس‌پردازش را نسبت به روش‌های ماشین‌کاری متداول 62٪ کاهش داد.

آلومینیوم و سایر فلزات غیرآهنی: چالش‌ها و پیشرفت‌ها

مشکلات ناشی از بازتاب‌پذیری و هدایت حرارتی در برش لوله آلومینیومی

در واقع آلومینیوم نور را بسیار خوب منعکس می‌کند، حدود ۹۰٪ در طول‌موج‌های لیزری معمولی که با آن‌ها کار می‌کنیم و همچنین گرما را بسیار سریع از دست می‌دهد. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند لیزر به‌صورت یکنواخت انرژی را جذب نکند و در حین پردازش مشکلاتی ایجاد کند. بعد چه اتفاقی می‌افتد؟ خب، حوضچه مذاب کنترل را از دست می‌دهد و شیار برش نامنظم به نظر می‌رسد، به‌ویژه وقتی که لوله‌های دیواره نازکی که در تولید بسیار رایج‌اند، مورد کار قرار گیرند. هدایت حرارتی نیز چالش دیگری است، چون آلومینیوم گرما را تقریباً پنج برابر بهتر از فولاد ضدزنگ هدایت می‌کند. به همین دلیل، اپراتورها باید پارامترهای خود را بسیار دقیق تنظیم کنند اگر بخواهند برش‌های تمیزی بدون آن ریزش‌های ناخواسته داشته باشند که هیچ‌کس نمی‌خواهد بعد از کار با آن‌ها سر و کار داشته باشد.

بهترین روش‌ها برای کاهش اکسیداسیون و بهبود کیفیت برش

استفاده از نیتروژن به عنوان گاز کمکی، اکسیداسیون را نسبت به اکسیژن تا 70% کاهش می‌دهد. ترکیب این روش با حالت‌های لیزری با فرکانس بالا (≥2000 هرتز) و فواصل بهینه نازل (0.8–1.2 میلی‌متر) باعث بهبود 25% در صافی لبه‌ها می‌شود. این تنظیمات برای دستیابی به سطوح بدون آلودگی و آماده جوشکاری در کاربردهای با ارزش بالا ضروری هستند.

مطالعه موردی: قطعات فریم آلومینیومی برای خودروهای برقی

یک تولیدکننده در سال ۲۰۲۳ آزمایش‌هایی انجام داد که در آن توانست دقتی در حدود ۰٫۰۵ میلی‌متر (مثبت و منفی) در تولید جعبه‌های باتری خودروهای برقی با استفاده از دستگاه لیزر فیبری ۶ کیلوواتی خود به دست آورد. همچنین آنها چیزی جالب متوجه شدند وقتی لوله‌های آلومینیومی سری ۶xxx را برش می‌دادند؛ با پیگیری تغییرات دما در حین کار، موفق به کاهش قابل توجهی در میزان ضایعات شدند، به طوری که از حدود ۱۲ درصد ضایعات به کمی بیشتر از ۳ درصد رسیدند. بر اساس مطالعات اخیر منتشر شده در جاهایی مانند مجله Journal of Materials Processing Technology، به طور قطع تمایل به استفاده بیشتر از آلومینیوم برای سبک‌تر کردن خودروها افزایش یافته است. سازندگان خودروهای برقی اکنون حدود چهل درصد از قطعاتی که قبلاً از فولاد تولید می‌شدند را با این قطعات آلومینیومی برش‌کاری شده جایگزین می‌کنند.

استفاده روزافزون از لیزرهای فیبری برای کار با آلومینیوم در کاربردهای صنعتی

لیزرهای فیبری اکنون برش لوله‌های آلومینیومی را در دست گرفته‌اند و ۶۸٪ از نصب‌های جهانی را به خود اختصاص داده‌اند. طول موج ۱٫۰۸ میکرومتری آنها جذب بهتری نسبت به لیزرهای CO₂ فراهم می‌کند و این امکان را فراهم می‌کند که برش آلومینیوم ۸ میلی‌متری با سرعت ۱٫۲ تا ۱٫۸ متر بر دقیقه و بدون ایجاد ضایعات انجام شود. این عملکرد، استفاده گسترده آنها را در بخش‌های تهویه مطبوع، حمل‌ونقل و انرژی‌های تجدیدپذیر تسریع کرده است.

مس و برنج: راندن مرزهای فناوری برش لیزری لوله

چالش‌های ناشی از بازتاب بالا در پردازش لوله‌های مسی و برنجی

هنگام کار با مواد مسی و برنجی، آنها تمایل دارند حدود 95٪ انرژی لیزری را در آن طول موج‌های مادون قرمز منعکس کنند، مطابق تحقیقات اخیر انجمن پردازش لیزری در سال 2023. این بازتاب مشکلات واقعی برای قطعات نوری ایجاد می‌کند و حفظ شرایط پایدار پردازش را بسیار دشوار می‌سازد. برنج دشواری دیگری را نیز اضافه می‌کند، زیرا هنگام برش دادن، عنصر روی تمایل به تبخیر دارد و این امر باعث برش‌های نامناسب با لبه‌های ناهموار و گاهی حتی تشکیل حفره‌های خیلی کوچک در ماده می‌شود. برای غلبه بر این مشکلات، بیشتر متخصصان به تنظیمات لیزر پالسی همراه با کمک گاز نیتروژن متکی هستند. پالس‌ها کنترل بهتر ذوب کردن را فراهم می‌کنند، در حالی که نیتروژن اکسیداسیون را کاهش می‌دهد و فرآیند برش کلی را برای تولیدکنندگانی که با این فلزات دشوار سروکار دارند، قابل پیش‌بینی‌تر و مطمئن‌تر می‌کند.

آیا لیزر الیافی می‌تواند مس خالص را به‌طور مطمئن برش دهد؟ تحلیل فنی

امروزه لیزرهای فیبری در توان‌های یک کیلووات یا بالاتر می‌توانند به راحتی ورق‌های مسی خالص به ضخامت 3 میلی‌متر را برش دهند و دقتی در حدود 0.1 میلی‌متری فراهم کنند که بیشتر به دلیل فناوری بهتر کنترل پرتو ممکن شده است. اما نکته‌ای وجود دارد که باید به آن توجه کرد: این برش‌ها حدود 30 تا 40 درصد زمان بیشتری نسبت به برش فولاد طول می‌کشد، چرا که مس هدایت گرمایی بسیار خوبی دارد. عامل این دستاورد، طول موج 1.08 میکرومتر لیزر است که توسط مس به میزان تقریبی 22 درصد جذب می‌شود و این میزان تقریباً سه برابر بهتر از لیزرهای CO2 سنتی است. این بهبود باعث شده تا در تولید قطعات ظریفی مانند لوله‌های انتقال برق با دیواره‌های نازک و سیستم‌های تبادل گرمایی خاص که دقت بسیار مهم است، گام‌های بزرگی برداشته شود.

راهکارهایی برای کاهش خطر بازتاب و بهبود یکنواختی برش

سه روش اثبات شده که پردازش مس و برنج را بهبود می‌دهند:

• درمان‌های سطحی : پوشش‌های ضد بازتاب جذب را 18 تا 25 درصد افزایش می‌دهند
• شکل‌دهی پرتو الگوهای نقطه‌ای مستطیلی اتلاف ناشی از بازتاب را کاهش می‌دهند
• تکنیک‌های ترکیبی : پیش‌گرمایش با توان پایین پیرو یک برش پالسی، حوضچه مذاب را پایدار می‌کند

این روش‌ها باعث کاهش 62% ی درشتی شده و سرعت برش تا 20 متر در دقیقه روی لوله‌های برنجی 2 میلی‌متری حفظ می‌شود.

درخواست بازار در برابر محدودیت‌های فنی برای برش لیزری برنج

طبق آخرین نتایج از بررسی برش صنعتی جهانی 2023، تقاضا برای قطعات برنجی دقیق تقریباً 50 درصد افزایش یافته است، اما هنوز هم چالش‌های فنی زیادی وجود دارد که باید برطرف شوند. دستیابی به دقت‌های بسیار بالا با تلورانس کمتر از 0.2 میلی‌متر که برای مواردی مانند تزیینات داخلی، قطعات کشتی و تجهیزات پزشکی مورد نیاز است، با سیستم‌های برش معمولی به راحتی امکان‌پذیر نیست. البته لیزر فیبری 6 کیلوواتی می‌تواند برش برنج 8 میلی‌متری را با دقت 0.25 درجه انجام دهد، اما هزینه کار با چنین دستگاهی حدود 180 دلار در ساعت است. این هزینه بالا باعث می‌شود که بیشتر شرکت‌ها این دستگاه‌ها را تنها در صورت ضرورت استفاده کنند، معمولاً برای کاربردهای هوافضایی گران‌قیمت یا دستگاه‌های اندازه‌گیری خاصی که چنین دقتی واقعاً اهمیت دارد.

راهنمای سازگاری مواد برای ماشین‌های برش لیزری لوله

نمودار مناسب‌بودن لیزر: فولاد زنگ‌نزن، فولاد کم‌کربن، آلومینیوم، مس، برنج

ماشین‌های پیشرفته برش لیزری لوله عملکرد متفاوتی در برش مواد کلیدی دارند:

فولادهای زنگ‌نزن و کم‌کربن همچنان سازگارترین مواد با لیزر هستند و به‌طور مداوم دقتی در حد کمتر از ±0.1 میلی‌متر فراهم می‌کنند. آلومینیوم نیازمند سرعت برش 30٪ بیشتر از فولاد است تا جوشکاری اتفاق نیفتد، در حالی که انعکاس‌پذیری مس موفقیت را محدود می‌کند — تنها 42٪ از تولیدکنندگان در سال 2023 نتایج قابل‌اعتمادی در برش مس خالص گزارش کرده‌اند.

مواد نوظهور: تیتانیوم و آلیاژهای خاص در صنایع تخصصی

بخش‌های هوافضا و پزشکی به طور فزاینده‌ای از لیزرهای فیبری برای برش لوله‌های تیتانیومی به ضخامت تا 10 میلی‌متر استفاده می‌کنند. پردازش مؤثر نیازمند موارد زیر است:

• 8–12 کیلووات توان لیزری
• مخلوط گاز محافظ مبتنی بر هلیوم
• مدت زمان پالس کمتر از 0.8 میلی‌ثانیه

آلیاژهای سوپری با پایه نیکل مانند اینکونل، رشد سالانه 19 درصدی در پذیرش برش لیزری را تجربه می‌کنند، به ویژه برای اجزای دودکش با دمای بالا که دوام تا 1,200 درجه سانتی‌گراد مورد نیاز است.

انتخاب نوع مناسب لیزر و پارامترهای آن برای ماده مورد استفاده

چهار عامل به تعیین تنظیمات بهینه لیزر کمک می‌کنند:

1. بازتابندگی ماده : مس نیازمند توان ≥4 کیلووات است، در حالی که فولاد را می‌توان به طور مؤثر با 2 کیلووات برش داد
2. خواص حرارتی : سیستم‌های نازل سه‌بعدی در انتقال گرما از آلومینیوم مفید هستند
3. قطر لوله : محورهای دوار پروفیل‌هایی با حداکثر قطر 300 میلی‌متر را پشتیبانی می‌کنند
4. نیازمندی‌های پوشش سطحی : برش‌های بدون برور در فولاد ضدزنگ نیازمند گازهای کمکی با خلوص 99.995% است

اپراتورها هنگام کار با آلیاژهای جدید باید برش آزمایشی انجام دهند، زیرا حتی تغییر 0.5 درصدی در ترکیب می‌تواند سرعت برش را 12 تا 15 درصد تغییر دهد.

بخش سوالات متداول

• لیزر چگونه فلزات مختلف را برش می‌دهد؟

  برش لیزری به نحوه جذب و پراکندگی انرژی توسط مواد بستگی دارد. فلزاتی مانند فولاد ضدزنگ و آلومینیوم خواص گرمایی متفاوتی دارند که واکنش آنها به برش لیزری را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

• مزایای لیزر فیبری نسبت به لیزر CO2 در برش فلزات چیست؟

  لیزرهای فیبری سرعت و کارایی بهتری نسبت به لیزرهای CO2 فراهم می‌کنند، به خصوص برای لوله‌های با دیواره نازک، به دلیل طول موج کوتاه‌تر و جذب بهتر انرژی.

• آیا لیزرهای فیبری می‌توانند مس و برنج را به‌خوبی برش دهند؟

  لیزرهای فیبری می‌توانند مس و برنج را با تنظیمات خاصی مانند حالت پالسی لیزر برش دهند، اما نسبت به فلزات نرم‌تر به توان و زمان بیشتری نیاز دارند.

• گازهای کمکی در برش لیزری چیست؟

  گازهای کمکی مانند نیتروژن و اکسیژن برای بهبود کیفیت برش، جلوگیری از اکسیداسیون و افزایش کارایی بسته به نوع ماده استفاده می‌شوند.

• آیا لیزرهای فیبری برای برش آلومینیوم مناسب هستند؟

  بله، لیزرهای فیبری به دلیل کارایی بالا به طور فزاینده‌ای برای برش آلومینیوم استفاده می‌شوند، هرچند به دلیل بازتاب‌دهندگی و هدایت حرارتی آلومینیوم نیاز به تنظیمات خاصی است.