EN
سازگاری مواد و تأثیر آن بر عملکرد برش لوله با لیزر
مواد رایج لوله که با برش لیزری لوله سازگار هستند (فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، برنج، مس، تیتانیوم)
برشگرهای لیزری فیبر با پنج نوع اصلی از فلز به خوبی کار میکنند. فولاد ضدزنگ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی در کاربردهای صنعتی بسیار استفاده میشود. آلومینیوم برای ساخت قطعات سبک مورد نیاز در هواپیماها و فضاپیماها محبوب است. گاهی اوقات از برنج در جزئیات تزئینی ساختمانها استفاده میشود. مس در سیمکشی برقی و لولهها کاربرد دارد و تیتانیوم اغلب در دستگاههای پزشکی که استحکام بالایی لازم دارند، یافت میشود. این سیستمهای مدرن لیزری میتوانند ورقهای فولادی تا ضخامت 25 میلیمتر و فلزات غیرآهنی با ضخامت حدود 15 میلیمتر را برش دهند. این ماشینها دقتی در حد مثبت و منفی 0.1 میلیمتر حفظ میکنند که در ساخت قطعاتی که باید وزن را تحمل کنند یا در ایجاد آببندیهای محکم بدون نشتی تفاوت بزرگی ایجاد میکند.
تأثیر ترکیب مواد بر کیفیت برش و کارایی فرآیند
ترکیب شیمیایی مواد نقش مهمی در نحوه تعامل آنها با لیزر در فرآیندهای برش ایفا میکند. به عنوان مثال، فولاد ضدزنگ به دلیل محتوای کروم آن، اغلب نیاز به کمک گاز نیتروژن در حین برش دارد تا از تشکیل لایههای اکسید ناخواسته جلوگیری شود. آلومینیوم چالشهای متفاوتی را به دلیل هدایت حرارتی قابل توجه آن (حدود 237 وات بر متر کلوین) ایجاد میکند که استفاده از لیزر پالسی را برای مدیریت مؤثر حوضچه مذاب ضروری میسازد. هنگام کار با مس یا برنج، اپراتورها معمولاً متوجه میشوند که اکسیژن برای ورقهای نازک مناسب است، در حالی که هوای فشرده برای مواد ضخیمتر مناسبتر است. اینها تنها برخی از عوامل مهمی هستند که تکنسینهای خط تولید هنگام راهاندازی عملیات برش لیزری خود در نظر میگیرند.
| متریال | توان بهینه (W) | گاز کمکی | سرعت برش (m/min) |
|---|---|---|---|
| فولاد ضد زنگ | 3,000—6,000 | نیتروژن | 3.2—4.8 |
| آلومینیوم | 4,000—8,000 | هوا فشرده | 5.5—7.1 |
| مس | 8,000—12,000 | اکسیژن | 1.8—2.4 |
محتوای کربن بالاتر در فولادها سختی لبه را افزایش میدهد، اما به دلیل نیاز به جذب انرژی بیشتر، سرعت برش را نسبت به فولاد نرم 18 تا 22 درصد کاهش میدهد.
چالشهای هدایت حرارتی و بازتابپذیری در فلزات غیرآهنی
آلومینیم تمایل دارد که حرارت را نسبتاً سریع از دست بدهد، بدین معنا که برای حفظ عرض برش ثابت، به حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد توان بیشتری نسبت به فولاد در هر واحد سطح نیاز دارد. هنگام کار با مس، مشکل دیگری پیش میآید. مس حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد از طول موج ۱ میکرومتر لیزر فیبری را منعکس میکند. این امر مشکلات جدی با پرتوهای بازتابیده ایجاد میکند که میتوانند واقعاً اجزای اپتیکی را آسیب دهند. برای مدیریت این خطر، بسیاری از کارگاهها مجبور میشوند در انواع خاصی از سیستمهای انتقال پرتو سرمایهگذاری کنند که بهطور خاص برای کاهش این خطرات طراحی شدهاند. و سپس تیتانیوم وجود دارد که هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن بسیار داغ میشود. به دلیل این واکنش، تولیدکنندگان مجبورند از ترکیبات خاصی از گازهای بیاثر در حین عملیات برش استفاده کنند تا از آتشگیری غیرمنتظره جلوگیری شود.
چرا مواد بسیار بازتابنده مانند مس و برنج خطری برای سیستمهای لیزر فیبری محسوب میشوند
فلزاتی مانند مس و برنج که نور را به خوبی منعکس میکنند، میتوانند حدود ۶۵ تا ۷۵ درصد از انرژی لیزر را مستقیماً به سیستم اپتیکی بازگردانند. این امر مشکلات واقعی برای تجهیزاتی مانند رزوناتورها و کولیماتورها ایجاد میکند. هزینههای تعمیر این آسیبها معمولاً طبق تحقیقات پونمون از سال گذشته به حدود ۷۴۰٫۰۰۰ دلار میرسد. برنجی که دارای کمتر از ۳۰ درصد روی باشد، این میزان بازتاب را به حد قابل کاری کاهش میدهد، معمولاً بین ۴۵ تا ۵۰ درصد. هرچند مس خالص همیشه مشکلساز بوده و تا اخیراً نیازمند لیزرهای قدیمی CO2 بوده است. اما اخیراً برخی پیشرفتهای مهم صورت گرفته است. لیزرهای فیبری که در طول موج ۱۰۷۰ نانومتر و با پرتوهای زاویهدار خاص کار میکنند، در واقع قادر به برش ورقهای مسی به ضخامت ۲ تا ۵ میلیمتر هستند و تنها ۱۵ درصد از انرژی مصرفی سیستمهای سنتی CO2 را به کار میگیرند. این امر تفاوت چشمگیری در هزینههای عملیاتی ایجاد میکند.
تطبیق توان لیزر با نوع و ضخامت مواد لوله
انتخاب وات لیزر بر اساس نوع فلز و ضخامت دیواره
انتخاب توان لیزر مناسب عمدتاً به نوع مادهای که با آن کار میکنیم و همچنین ضخامت دیوارههای آن بستگی دارد. برای مثال، در مورد لولههای فولاد ضدزنگ نازک با ضخامت کمتر از ۵ میلیمتر، بیشتر افراد دریافتهاند که لیزرهای فیبری با توان ۳ تا ۴ کیلووات بهراحتی کار را انجام میدهند. اما زمانی که به مواد سنگینتری مانند فولاد کربنی ۱۰ میلیمتری میرسیم، شرایط تغییر میکند و طبق آخرین راهنمای سال ۲۰۲۴ شرکت JQ Laser، اپراتورها عموماً به حداقل ۶ کیلووات توان نیاز دارند تا سرعت برش بیش از ۲ متر در دقیقه حفظ شود. همچنین مواد پرنفوذ مثل مس و تیتانیوم نیز مشکل خاص خود را دارند؛ این مواد انرژی زیادی مصرف میکنند، بنابراین سازندگان معمولاً توصیه میکنند که برای ضخامتهای بالاتر از ۶ میلیمتر از سیستمهای ۸ تا ۱۲ کیلووات استفاده شود.
| متریال | ضخامت | حداقل توان | دامنه سرعت |
|---|---|---|---|
| فولاد کربنی | 10 میلی متر | 6kw | 0.8—1.2 م/دقیقه |
| فولاد ضد زنگ | 5 میلی متر | 4 کیلو وات | 2.5—3.5 م/دقیقه |
| تیتانیوم | 8 میلیمتر | 8کیلووات | 0.5—0.7 م/دقیقه |
تنظیمات بهینه برای لولههای فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ
فولاد کربنی بهصورت قابل پیشبینی به انرژی لیزر پاسخ میدهد و امکان برش مؤثر با توان 3 تا 4 کیلووات را فراهم میکند. در مقابل، فولاد ضدزنگ از ورودی توان ۱۰ تا ۱۵ درصد بالاتر و محافظت با گاز نیتروژن برای حفظ کیفیت لبه بهره میبرد. مطالعهای در سال 2024 نشان داد که استفاده از لیزر فیبری 4 کیلوواتی روی فولاد ضدزنگ 5 میلیمتری، صافی لبه 98.5 درصدی داشته است که بهطور قابل توجهی نسبت به سیستمهای 3 کیلوواتی (92 درصد) عملکرد بهتری دارد.
نیاز به توان بالا برای پروفیلهای ضخیمدیوار تیتانیوم و مس
دمای بالای ذوب تیتانیوم که حدود ۱۶۶۸ درجه سانتیگراد است، به همراه خاصیت بازتابنده مس، به این معناست که بیشتر کارگاهها برای ضخامت دیوارههای بیش از ۶ میلیمتر به لیزر فیبری با توان ۸ تا ۱۲ کیلووات یا روشهای جوشکاری ترکیبی لیزر-قوس نیاز دارند. برخی از جدیدترین مدلهای لیزر فیبری در واقع موفق شدهاند تا صفحات مسی ۸ میلیمتری را با توان تنها ۶ کیلووات برش دهند بدون اینکه به اپتیکها آسیب برسد، اما هنوز بسیاری از سازندگان بر اساس معیارهای مرجع Feijiu Laser، برای ضخامتهای ۱۰ میلیمتر و بیشتر از لیزر CO2 سنتی استفاده میکنند. همچنین نباید از کمک گاز نیتروژن در عملیات برش غفلت کرد؛ این گاز تفاوت چشمگیری در کاهش پیچش و جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته روی این فلزات دشوار ایجاد میکند.
لیزر فیبر در مقابل لیزر CO2: انتخاب فناوری مناسب برای ماده شما
مزایای لیزر فیبر برای لولههای فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و برنج
هنگام کار با فلزاتی مانند فولاد ضدزنگ، آلومینیم و لولههای برنجی متوسط که در قطعات خودرو و اجزای هواپیما رایج هستند، لیزر فیبر به سادگی عملکرد بهتری نسبت به سایر گزینهها دارد. این سیستمها میتوانند دقتی در حد 0.1 میلیمتر را برای موادی با ضخامت تا 20 میلیمتر بدست آورند که قابل توجه است. اما اینجا پایان کارشان نیست. لیزر فیبر معمولاً حدود 30 درصد سریعتر از سیستمهای سنتی CO2 کار میکند و در عین حال 20 تا 30 درصد گاز نیتروژن کمتری مصرف میکند. آنچه واقعاً برجسته است، طول موج 1,064 نانومتر آن است که آسیب حرارتی در قطعات ظریف برنجی مانند اتصالات ابزار دقیق را کاهش میدهد. این بدین معناست که تولیدکنندگان میتوانند پایداری ابعادی بهتری داشته باشند و از مشکلات پیچش و تابخوردگی که فناوریهای قدیمیتر را درگیر میکند، جلوگیری کنند.
اثربخشی لیزر CO2 بر مواد بسیار بازتابنده مانند مس و برنج
هنگام کار با لولههای مسی یا برنجی با ضخامت بیش از ۱۵ میلیمتر، بیشتر متخصصان همچنان از لیزر CO2 به دلیل طول موج ۱۰٫۶ میکرومتر آن استفاده میکنند. این امواج به اندازه لیزر فیبر منعکس نمیشوند و در نتیجه برای این نوع کار بسیار عملیتر هستند. مطالعات نشان دادهاند که سیستمهای لیزر CO2 قادرند تحملات را حتی در برنج با ضخامت ۲۵ میلیمتر در محدوده مثبت و منفی ۰٫۱۵ میلیمتر حفظ کنند. همچنین این لیزرها با سرعت حدود ۲٫۵ متر در دقیقه برش میزنند و تقریباً امکان آسیب ناشی از بازتاب عقب وجود ندارد، چیزی که در آزمونهای مختلف پردازش حرارتی تأیید شده است. به همین دلیل عملکرد قابل اعتماد، لیزر CO2 به طور گسترده در کاربردهای حیاتی مانند تولید قطعات الکتریکی و مهندسی دریایی که دقت اهمیت بالایی دارد، استفاده میشود.
بهرهوری انرژی، نگهداری و هزینههای عملیاتی: مقایسه فیبر و CO2
| فاکتور | لیزر فیبر | لیزر co2 |
|---|---|---|
| مصرف انرژی | ۲۵—۳۵ کیلوواتساعت | ۴۵—۶۰ کیلوواتساعت |
| تعویض لنز | ۱۵٬۰۰۰+ ساعت | ۸٬۰۰۰—۱۰٬۰۰۰ ساعت |
| نیازمندیهای گاز | فقط نیتروژن | نیتروژن + اکسیژن |
| سرعت برش (فولاد ضدزنگ ۳ میلیمتری) | 12 متر/دقیقه | ۸ متر/دقیقه |
لیزرهای فیبری تا ۵۰ درصد انرژی کمتری نسبت به مدلهای CO— مصرف میکنند (NMLaser 2024)، و هزینههای نگهداری آنها به طور متوسط ۰٫۰۸ دلار در ساعت در مقابل ۰٫۱۸ دلار در ساعت برای سیستمهای CO— است. طراحی حالت جامد آنها باعث حذف آینهها و گازهای رزوناتور شده و در نتیجه زمان توقف و نیاز به قطعات مصرفی کاهش مییابد.
رد شایعه: آیا لیزرهای فیبری میتوانند لولههای مس خالص را بهطور ایمن برش دهند؟
در گذشته، مس به دلیل بازتابش ۹۸ درصدی آن در طول موجهای حدود یک میکرون، اساساً برای لیزر فیبری مناسب نبود. اما اخیراً تغییرات قابل توجهی رخ داده است. سیستمهای جدید لیزری مجهز به فناوریهای پیشرفتهای مانند کنترل شکل پالس، پوششهای ضد بازتاب ویژه و پرتوهای زاویهدار بهبود یافته هستند که این امکان را فراهم میکنند تا تولیدکنندگان بتوانند ورقهای خالص مسی تا ضخامت ۱۰ میلیمتر را با سرعتی حدود ۱٫۸ متر در دقیقه برش دهند. علاوه بر این، شیارهای برش نیز بسیار دقیق هستند و عرضی کمتر از ۰٫۳ میلیمتر دارند. بر اساس آزمایشهای انجام شده در سال گذشته، این بهروزرسانیها مشکلات ناشی از بازتاب عقبی را نسبت به فناوری قبلی تقریباً ۹۰ درصد کاهش داده است. این دستاورد به این معنی است که صنایعی مانند تهویه مطبوع، نیمههادیها و انتقال انرژی دیگر نیازی ندارند تنها به فناوری قدیمی لیزر CO2 برای کار روی مس تکیه کنند.
سوالات متداول
چه موادی با برش لیزری لوله سازگار هستند؟
مواد رایجی که با برش لیزری لوله سازگار هستند شامل فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، برنج، مس و تیتانیوم میشوند.
ترکیب مواد چگونه بر برش لیزری تأثیر میگذارد؟
ترکیب مواد با تأثیرگذاری بر هدایت حرارتی و بازتابدهندگی، بر کیفیت برش و کارایی فرآیند تأثیر میگذارد.
چرا لیزرهای فیبری برای برخی فلزات ترجیح داده میشوند؟
لیزرهای فیبری به دلیل دقت، سرعت و مصرف انرژی پایینتر نسبت به سیستمهای سنتی CO2 برای فلزاتی مانند فولاد ضدزنگ و آلومینیوم ترجیح داده میشوند.
لیزرهای فیبری در مواجهه با مواد بسیار بازتابنده با چه چالشهایی روبهرو هستند؟
مواد بسیار بازتابنده مانند مس بخش قابل توجهی از انرژی لیزر را به سمت سیستم بازمیتابانند که میتواند منجر به آسیب تجهیزات شود. برای حل این چالشها، سیستمهای تخصصی مورد نیاز است.
مزایای لیزرهای CO2 برای مس و برنج چیست؟
لیزرهای CO2 به دلیل طول موج آنها که باعث کاهش بازتاب معکوس و حفظ دقت میشود، در برش مس و برنج ضخیم مؤثر هستند.