چه موادی را می‌توان با دستگاه برش لیزری فیبری به‌خوبی پردازش کرد؟

چگونه دستگاه‌های برش لیزر الیافی در پردازش فلزات برجسته می‌شوند

درک دستگاه‌های برش لیزر فایبر و غلبه آنها در ساخت فلزی

دستگاه‌های برش لیزر فایبر بازی را در کارگاه‌های ساخت فلزی به طور کامل تغییر داده‌اند، زیرا این دستگاه‌ها پرتوهای لیزری بسیار متمرکز و شدیدی تولید می‌کنند که قادرند جزئیات بسیار ظریف را تا میکرون‌ها ایجاد کنند. چیزی که این سیستم‌ها را متمایز می‌کند، کارایی بسیار بالای آنها در تبدیل انرژی الکتریکی به نور مفید است که حدود 95 درصد است و تقریباً دو برابر فناوری قدیمی‌تر لیزر CO2 کارآمدتر می‌باشد. و از نظر سرعت‌های واقعی برش، طبق گزارش فناوری ساخت 2023، لیزرهای فیبری قادرند فلزات را حدود سی برابر سریع‌تر از روش‌های سنتی برش پلاسما ببرند. این سطح افزایش سرعت به کارخانه‌ها این امکان را می‌دهد که محصولات را بسیار سریع‌تر و بدون قربانی کردن کیفیت تولید کنند و این امر لیزرهای فیبری را یک سرمایه‌گذاری هوشمندانه برای تولیدکنندگانی که به دنبال افزایش ظرفیت تولید خود هستند، تبدیل می‌کند.

پارامترهای لیزر که بر کارایی و کیفیت برش تأثیر می‌گذارند: توان، سرعت و اندازه لکه

دستیابی به عملکرد بهینه برش به تعادل سه پارامتر کلیدی بستگی دارد:

• توان (1-20 کیلووات): توان بالاتر امکان پردازش مواد ضخیم‌تر را فراهم می‌کند اما هزینه‌های انرژی را افزایش می‌دهد
• سرعت (0-50 متر/دقیقه): ورق‌های نازک (<10 میلی‌متر) را می‌توان بدون از دست دادن کیفیت با سرعتی بیش از 30 متر/دقیقه برش داد
• اندازه لکه (10-100 میکرومتر): قطرهای کوچک‌تر (<30 میکرومتر) کیفیت لبه را بهبود می‌بخشند اما هم‌راستایی دقیق‌تر پرتو را می‌طلبد

سیستم‌های با کمک هوش مصنوعی که این پارامترها را به‌صورت پویا تنظیم می‌کنند 18-22 درصد ظرفیت تولید بیشتری را فراهم می‌کنند , طبق گزارش بررسی فرآیندهای لیزری 2024

محدوده ضخامت مواد برای برش با لیزر فیبر در کاربردهای صنعتی

لیزرهای فیبر مدرن می‌توانند طیف گسترده‌ای از مواد صنعتی را پردازش کنند:

• فولاد کربنی: 0.5-40 میلی‌متر (سیستم‌های 1 کیلوواتی تا 20 کیلوواتی)
• فولاد صلب: 0.3-30 میلی‌متر با گاز کمکی نیتروژن
• آلیاژهای آلومینیومی: 0.5-25 میلی‌متر با استفاده از مدولاسیون پالسی

قابل توجه است که سیستم‌های 6 کیلوواتی اکنون فولاد ضدزنگ 25 میلی‌متری را با سرعت 1.2 متر بر دقیقه برش می‌زنند— ۳۰۰٪ سریعتر نسبت به معیارهای 2019—نشان‌دهنده پیشرفت‌های سریع در قابلیت‌ها

ناحیه تحت تأثیر حرارت (HAZ) و آسیب حرارتی در فلزات هادی

لیزرهای فیبری می‌توانند عرض منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) را در مقایسه با سیستم‌های سنتی CO2 تا حدود 60 تا 80 درصد کاهش دهند. این موضوع باعث می‌شود آن‌ها در تولید قطعات هوافضا که حتی آسیب‌های حرارتی کوچک هم اهمیت زیادی دارند، بسیار مهم باشند. هنگام استفاده از حالت پالسی، دمای فولادهای زنگ‌نزن زیر 350 درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند. این امر به حفظ خواص ساختاری فلز بدون کاهش کیفیت آن کمک می‌کند. به عنوان مثال، فولاد زنگ‌نزن 304L را در نظر بگیرید. برش این فولاد با لیزر فیبری 3 کیلوواتی تنها منجر به ایجاد حدود 0.08 میلی‌متر HAZ می‌شود، در حالی که فناوری لیزر CO2 قدیمی‌تر حدود 0.25 میلی‌متر منطقه تحت تأثیر حرارت را باقی می‌گذارد. این تفاوت‌ها ممکن است کوچک به نظر برسند اما در کاربردهای تولید دقیق، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کنند.

برتری لیزرهای فیبری نسبت به لیزرهای CO2 در برش فلزات

لیزرهای فیبری در سه حوزه اصلی عملکرد بهتری نسبت به لیزرهای CO2 دارند:

1. هزینه های عملیاتی: 70% کاهش در مصرف انرژی در هر برش
2. نگهداری: عدم وجود آینه‌هایی که نیاز به تراز کردن دارند و در نتیجه کاهش زمان توقف تا 45%
3. سرعت برش مواد نازک: 4-6 برابر سریع‌تر بر روی ورق‌های کمتر از 6 میلی‌متر

در عملیات کار با ورق فلزی، این مورد به این معنی است که ۱۸-۲۲ دلار/ساعت صرفه‌جویی در هزینه در سیستم‌های ۶ کیلووات که فولاد نرم را پردازش می‌کنند (مطالعه ۲۰۲۴ کارایی در صنعت فلزکاری).

فولاد کربنی و فولاد زنگ‌نزن: کاربردهای اصلی صنعتی

چرا فولاد کربنی به انرژی لیزر فیبر واکنش خوبی نشان می‌دهد

درصد کربن در فولاد بین ۰٫۰۵٪ تا ۲٫۱٪ باعث می‌شود که طول موج لیزر الیافی ۱۰۷۰ نانومتری را بسیار خوب جذب کند. اکثر فلزات دیگر بخش اعظم این انرژی را منعکس می‌کنند، اما فولاد کربنی حدود ۹۵٪ از انرژی دریافتی را به فرآیند برش هدایت می‌کند. به همین دلیل می‌توانیم ورق‌های به ضخامت ۱ میلی‌متری را با سرعتی حدود ۴۰ متر در دقیقه برش دهیم که برای کاربردهای صنعتی بسیار سریع محسوب می‌شود. این ماده برای کاربردهایی مانند شاسی خودرو و سازه‌های ساختمانی که دقت اهمیت دارد، بسیار مناسب است. یکی دیگر از مزایای بزرگ این است که لیزرهای الیفی در مقایسه با روش‌های سنتی برش پلاسما، حدود ۳۰٪ انرژی کمتری مصرف می‌کنند، وقتی که با قطعات فولادی کربنی به ضخامت کمتر از ۲۰ میلی‌متر کار دارند. این صرفه‌جویی در انرژی در طول زمان در فرآیندهای تولید تأثیر زیادی دارد.

تنظیمات بهینه لیزر برای برش فولادهای نرم و پرکربن

پارامتر	فولاد نرم (C ۰٫۱-۰٫۳٪)	فولاد پرکربن (C ۰٫۶-۱٫۰٪)
قدرت (W)	2,000-3,000	3,500-4,500
سرعت (m/دقیقه)	۶-۱۰ (برای ۶ میلی‌متر)	۲٫۵-۴ (برای ۶ میلی‌متر)
گاز کمکی	اکسیژن (اکسید کننده)	نیتروژن (غیر واکنش‌گر)

فولادهای کربنی بالا به دلیل سختی بیشتر نیازمند توان بیشتری هستند، در حالی که استفاده از اکسیژن به عنوان گاز کمکی فرآیند برش فولادهای نرم را از طریق واکنش‌های گرمازا تسریع می‌کند. نیتروژن موجب کاهش 72% اکسیداسیون لبه‌ها در فولادهای ابزار می‌شود و قابلیت ماشین‌کاری پس از برش را حفظ می‌کند، همان‌گونه که در یک مطالعه صنعتی انجام شده در سال 2023 نشان داده شده است.

برش دقیق فولاد ضدزنگ با حفظ مقاومت در برابر خوردگی

لیزرهای فیبری می‌توانند عرض شیار برش را زیر 0.1 میلی‌متر میلی‌متر کاهش دهند و این امر موجب کاهش ضایعات در تجهیزات مربوط به پزشکی و صنایع غذایی می‌شود. مدت زمان پالس بسیار کوتاه آن‌ها (<0.5 میلی‌ثانیه) از افت مقدار کروم در لبه‌های برش جلوگیری می‌کند و آستانه 10.5% کروم را که برای مقاومت در برابر خوردگی ضروری است حفظ می‌کند. آزمایش‌ها تأیید می‌کنند که فولاد ضدزنگ 304L برش داده شده با لیزر همچنان دارای 98% مقاومت در برابر خوردگی نمکی نسبت به قطعات برش داده شده با قیچی است.

کاهش منطقه تحت تأثیر حرارتی (HAZ) در درجات فولاد ضدزنگ آستنیتی و مارتنزیتی

لیزرهای فیبری پالسی محدوده HAZ را به کمتر از 50 میکرون محدود می‌کنند در فولاد آستنیتی حساس 316L با تغییر بین فرکانس‌های 20-50 کیلوهرتز. برای درجه‌های مارتنزیتی مانند 410، اثر حرارتی محدود، تمپر کردن پس از برش را (150-370 درجه سانتی‌گراد) ساده می‌کند و انعطاف‌پذیری را بازیابی می‌کند. تحلیل سال 2024 نشان داد که لیزر فیبری میزان ضایعات مرتبط با HAZ را کاهش می‌دهد 19%در مقایسه با لیزر CO2 در تولید هوانوردی.

برش آلومینیوم و سایر فلزات غیرآهنی بازتابی

چالش‌های پردازش آلومینیوم با ماشین برش لیزری فیبری به دلیل بازتابی بودن

ترکیب بازتاب‌دهندگی تقریباً کامل آلومینیوم (حدود 95 درصد) با هدایت حرارتی قابل توجه آن (بیش از 200 وات/متر کلوین) مشکلاتی واقعی برای تولیدکنندگان ایجاد می‌کند. هرچند لیزرهای فیبری که در طول موج 1 میکرون کار می‌کنند، نسبت به سیستم‌های CO2 سنتی بازتاب‌ها را کاهش می‌دهند، اما سطوح بسیار صافی که در مواد درجه هوافضا یافت می‌شوند همچنان می‌توانند انرژی کافی را بازتابانده تا به اجزای اپتیکی آسیب برسانند. شروع کردن یک برش حدوداً 20 تا 30 درصد چگالی توان بیشتری نسبت به فولاد نیاز دارد، چون آلومینیوم گرما را بسیار سریع دفع می‌کند. پردازش درجه‌های خالص آلومینیوم مانند سری 1100 بسیار پیچیده‌تر از کار کردن با گزینه‌های آنیل‌شده مانند آلیاژ 6061-T6 است. این گونه‌های آنیل‌شده در واقع جذب بهتری از پرتوهای لیزر دارند و طبق گفته بسیاری از کارگاه‌های ماشین‌کاری که اخیراً با آن‌ها صحبت کرده‌ایم، در حین عملیات برش، دیگ (ذرات مذاب چسبیده به لبه برش) کمتری تولید می‌کنند.

مدولاسیون پالس و راهبردهای گاز کمکی برای برش‌های تمیز و قابل اعتماد از آلومینیوم

در کار با ورق‌های آلومینیومی به ضخامت ۱ تا ۸ میلی‌متر، شکل‌دهی پالسی تطبیقی تفاوت واقعی ایجاد می‌کند. به‌ویژه هنگام استفاده از حالت پالسی بورست در محدوده ۱ تا ۵ کیلوهرتز، این تکنیک کنترل بهتری بر روی حوضچه مذاب فراهم می‌کند. طبق تحقیقی که سال گذشته در مجله Material Processing منتشر شد، نوسانات لبه حدود ۱۸ درصد نسبت به حالتی که فقط امواج پیوسته استفاده می‌شوند، کاهش می‌یابد. برای قطعاتی که باید در برابر شرایط سخت محیطی مقاومت کنند، مانند قطعات مورد استفاده در قایق‌ها یا خودروها، استفاده از گاز کمکی نیتروژن در فشارهای بین ۱۵ تا ۲۰ بار نتایج بسیار خوبی می‌دهد. این کار از تشکیل اکسیدها جلوگیری می‌کند و همچنین مواد مذاب را به‌خوبی خارج می‌کند. برخی از تولیدکنندگان اکنون نیتروژن برش را با سیستم‌های دوگازی و همراه با سیل‌کننده لبه اکسیژن ترکیب کرده‌اند. این روش در خطوط تولید جعبه باتری، سرعت تولید را حدود ۱۲ درصد افزایش داده است که با توجه به رشد سریع تقاضا برای قطعات خودروهای برقی، اهمیت زیادی دارد.

آیا لیزر فیبری می‌تواند آلومینیوم ضخیم را ببرد؟ پاسخ به تردیدهای صنعتی

آخرین دستاوردها این امکان را فراهم کرده‌اند که لیزرهای فیبری بتوانند آلومینیومی به ضخامت 25 میلی‌متر را برش دهند، که این مقدار بسیار بیشتر از آن چیزی است که قبلاً به عنوان عملی در نظر گرفته می‌شد (حدود 15 میلی‌متر). با یک سیستم 12 کیلوواتی مجهز به این نوع نوسانات پویای باریکه لیزری، می‌توان آلومینیوم درجه‌ی دریایی 5083 به ضخامت 20 میلی‌متر را با سرعت تقریبی 0.8 متر در دقیقه برش داد، در حالی که دقت برش در محدوده‌ی مثبت و منفی 0.1 میلی‌متر حفظ می‌شود. چنین عملکردی قبلاً تنها با برش با پلاسما قابل دستیابی بود. اما در مورد موادی که ضخامتی بیشتر از 12 میلی‌متر دارند، اپراتورها باید روش خود را با استفاده از الگوهای نوسانی بین 40 تا 50 میکرون تنظیم کنند تا از ایجاد شیب‌های ناخواسته جلوگیری شود. البته این تنظیم هزینه‌ی خاصی دارد، چرا که مصرف گاز به میزان تقریبی 35 درصد افزایش می‌یابد. برای ضخامت‌هایی بیشتر از 30 میلی‌متر، لیزرهای CO2 هنوز هم سلطان میدان هستند. با این حال، برای بیشتر کاربردهای صنعتی که با آلومینیومی با ضخامت کمتر از 20 میلی‌متر سروکار دارند، سیستم‌های لیزر فیبری در حال حاضر حدود چهار پنجم نیازهای پردازشی را در بخش‌های مختلف تولید پوشش می‌دهند.

آلیاژهای با عملکرد بالا: تیتانیوم و اینکونل در صنایع دشوار

سازگاری مواد دستگاه برش لیزری فیبر با تیتانیوم و اینکونل

در مورد کار با مواد سخت مثل تیتانیوم و آلیاژهای نیکلی سوپرآلیاژی که به آنها اینکونل می‌گوییم، لیزرهای فیبری به خوبی عمل می‌کنند، این به خاطر طول موج خاص ۱/۰۸ میکرومتری آنهاست. این مواد به این نوع نور لیزری تقریباً ۴۷ درصد بیشتر از باریکه‌های لیزر CO2 جذب می‌کنند و این موضوع فرآیند را به طور کلی کارآمدتر می‌کند. از نظر کارایی، تیتانیوم هدایت گرمایی خوبی ندارد (حدود ۷/۲ وات بر متر کلوین)، بنابراین لیزر می‌تواند انرژی خود را دقیقاً جایی که لازم است انتقال دهد و زیاد گسترش نیابد. و برای قطعات اینکونلی، مزیت دیگری وجود دارد وقتی آنها را با نیتروژن به عنوان گاز محافظ برش می‌زنیم. در طول فرآیند، ماده در برابر اکسیداسیون مقاوم می‌ماند، که منجر به برش‌های تمیزتر و کاهش مشکلات کیفی در آینده می‌شود.

مدیریت تنش حرارتی در حین برش لیزری تیتانیوم

تعدیل پالس کنترل شده استرس حرارتی تیتانیوم درجه هوافضا را با 25%از میکرو کریکنگ در اجزای حیاتی جلوگیری می کند. سیستم های پیشرفته از پالس های <8 ms با گاز های کمکی بدون اکسیژن برای حفظ دمای پایین استفاده می کنند 400 درجه سانتیگراد ، حفظ مقاومت در برابر خستگی بالاتر از 750 MPa ضروری برای ایمپلنت های پزشکی و تیغه های توربین.

مطالعه موردی: برش دقیق اینکونل 718 برای قطعات موتور جت هوافضا

لیزر فیبر 6 کیلو وات به دست آمده ±0.05 میلی متر برش پوشش های سوخت Inconel 718 با سرعت 4.2 m/min، همانطور که در مطالعه Springer Materials Science 2024 توضیح داده شده است. فرآیند با کمک نیتروژن از بارندگی فاز سیگما جلوگیری می کند، مقاومت خزیدن را در 980 ° C حفظ می کند و با استانداردهای کیفیت هوافضا AS9100 مطابقت دارد.

پیشرفت هایی که امکان پردازش آلیاژ با عملکرد بالا را فراهم می کند

پیشرفت های چشم انداز کولیماتور و پویایی گاز اکنون اجازه می دهد لیزرهای فیبر برش صفحات تیتانیومی 25 میلی‌متری در سرعت 0.8 متر/دقیقه با شیار کمتر از 0.3 میلی‌متر —رقابت با سرعت‌های پلاسما و دستیابی به پایان‌کار سطح Ra 12.5 میکرومتری. تنظیم پویای طول کانونی، لایه‌بندی مواد در قطعات هوافضایی چندلایه را جبران کرده و زمینه کاربردهای اجرایی را با 35% افزایش از سال 2022 .

روند‌های آینده: گسترش مرزهای پردازش مواد با لیزر فیبری

کاربردهای جدید فراتر از فلزات سنتی

امروزه لیزرهای فیبری به ابزارهای ضروری برای کار با انواع مواد سخت تبدیل شده‌اند. آنها با کامپوزیت‌های پیشرفته، ترکیب‌های سرامیکی-فلزی پیچیده و حتی ساختارهای لایه‌ای مورد نیاز سیستم‌های حفاظت حرارتی در هواپیماها کار می‌کنند. نکته قابل توجه این است که چگونه می‌توانند پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف کربنی را برش دهند و تنها یک منطقه تحت تأثیر حرارتی به اندازه کمتر از 0.1 میلی‌متر باقی بگذارند. این سطح از دقت دقیقاً همان چیزی است که تولیدکنندگان برای ساخت پوسته‌های باتری نسل جدید خودروهای برقی نیاز دارند. نگاهی به آینده نشان می‌دهد که اکثر مشاهده‌کنندگان صنعتی انتظار افزایش سالانه حدود 18 درصدی در استفاده از لیزرهای فیبری برای تولید افزودنی را تا سال 2033 دارند. عامل اصلی در اینجا به نظر می‌رسد علاقه رو به رشد به چاپ قطعات پیچیده از جنس تیتانیوم با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی در بخش‌های مختلف صنعتی است.

پردازش مواد هیبریدی در تولید پیشرفته

تولیدکنندگان در حال ادغام لیزرهای الیافی با سیستم‌های جوشکاری و روکش‌کاری رباتیک هستند تا سلول‌های تولید تک‌ماشینه را ایجاد کنند. یک تحلیل انجام‌شده در سال 2023 نشان داد که سیستم‌های هیبریدی هزینه مونتاژ مواد چندگانه را به میزان 34%این ادغام امکان برش همزمان هدایت‌کننده‌های آلومینیومی گرما و جوشکاری شینه‌های مسی را در الکترونیک قدرت فراهم می‌کند—وظایفی که قبلاً نیازمند سه فرآیند مجزا بود.

تنظیم هوشمند پارامترها برای خطوط تولید چندموادی

لیزرهای فیبری که توسط هوش مصنوعی قدرت گرفته‌اند می‌توانند به صورت خودکار خروجی توان خود را بین ۲ کیلووات تا ۱۲ کیلووات تنظیم کنند و فشار گازهای کمکی را در محدوده تقریباً ۱۵ تا ۲۵ بار مدیریت کنند، هر زمان که مواد مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. سیستم‌های متصل از طریق اینترنت اشیا در آزمایش‌های سال گذشته باعث کاهش قابل توجهی در هدر رفت مواد شدند و نرخ ضایعات را حدود ۴۱ درصد کاهش دادند. این امر به این دلیل میسر شد که این سیستم‌های هوشمند تغییرات ضخامت مواد را در زمان واقعی تشخیص دادند. از نظر تعیین مسیر برش در ورق‌های ساخته شده از مواد مختلف، الگوریتم‌های یادگیری ماشین عملکرد بسیار بهتری نسبت به روش‌های سنتی دارند. سازندگان خودرو گزارش دادند که از قطعات شاسی خود بهره‌برداری تقریباً ۹۸ درصدی از مواد را به دست آورده‌اند که این میزان نسبت به آنچه که نرم‌افزارهای استاندارد تراکم قطعات (nesting) قادر به دستیابی بودند، حدود ۲۲ درصد بهتر است.

بخش سوالات متداول

علت بهره‌وری بیشتر ماشین‌های برش لیزری فیبری نسبت به لیزرهای CO2 چیست؟

لیزرهای فیبری در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نوری تا 95% کارآمد هستند، که تقریباً دو برابر کارایی فناوری لیزر CO2 قدیمی است. این امر منجر به سرعت برش بالاتر و کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.

آیا لیزرهای فیبری می‌توانند موادی با ضخامت بیشتر از 20 میلی‌متر را برش دهند؟

بله، پیشرفت‌های اخیر اجازه می‌دهند تا لیزرهای فیبری موادی با ضخامت 25 میلی‌متر را برش دهند، به‌ویژه آلومینیوم و تیتانیوم، که آنها را برای دامنه وسیعی از کاربردهای صنعتی مناسب می‌کند.

لیزرهای فیبری چگونه منطقه تحت تأثیر حرارت را به حداقل می‌رسانند؟

لیزرهای فیبری عرض منطقه تحت تأثیر حرارتی را تا 80% نسبت به لیزرهای CO2 کاهش می‌دهند، که برای دقت در کاربردهایی مانند تولیدات هوافضا ضروری است.

آیا لیزرهای فیبری برای برش آلومینیوم مناسب هستند؟

لیزرهای فیبری می‌توانند آلومینیوم را به‌طور موثر برش دهند، به‌ویژه آلیاژهای تقویت‌شده، با استفاده از مدولاسیون پالسی تطبیقی و استراتژی‌های گاز کمکی نیتروژن برای کاهش بازتاب‌ها و آسیب حرارتی.