ماشین برش لیزری فلزات چه ضخامتی از فلز را می‌تواند پردازش کند؟

درک فلز ماشین برش لیزری توانایی‌های ضخامت

قابلیت‌های ضخامت ماشین برش لیزری برای فلزات: مروری کلی

اکثر دستگاه‌های مدرن برش لیزری فلزات، با موادی در محدوده ضخامت تقریبی نیم میلی‌متر تا ۴۰ میلی‌متر کار می‌کنند، هرچند نتایج به نوع فلز و توان واقعی لیزر بستگی دارد. مدل‌های پایه با توان ۳ کیلووات قادر به برش حدود ۱۲ میلی‌متر فولاد نرم هستند، اما در مدل‌های صنعتی با توان ۱۲ کیلووات و بالاتر، این سیستم‌ها می‌توانند فولاد کربنی ۳۵ میلی‌متری را نیز برش دهند، هرچند باید سرعت را به‌طور قابل توجهی کاهش داد. به دلیل این محدوده وسیع عملکرد، برش لیزری برای کاربردهایی از جمله ورق‌های نازک بدنه خودرو با ضخامت ۱ تا ۳ میلی‌متر تا قطعات بزرگ و سنگین ماشین‌آلات سنگین با ضخامت معمول ۱۵ تا ۲۵ میلی‌متر کاملاً عملی است.

محدوده‌های معمول حداکثر و حداقل ضخامت برای فلزات رایج

داده‌ها معیارهای صنعتی سیستم‌های لیزر فیبری (2–8 کیلووات) را نشان می‌دهند

تأثیر خواص مواد بر عملکرد برش لیزری

روشی که یک فلز حرارت را هدایت می‌کند و دمای ذوب آن، به شدت بر کارایی برش آن تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، فولاد ضدزنگ دارای کروم زیادی است که به این معناست که برش آن در ضخامت‌های یکسان حدود 15 درصد انرژی بیشتری نسبت به فولاد کربنی معمولی نیاز دارد. همچنین آلومینیوم، که گرمای زیادی را منعکس می‌کند، ماشین‌آلات باید با توان بالاتری کار کنند تا بتوانند به درستی از آن عبور کنند. داده‌های جدید صنعت ساخت و تجهیز از سال 2024 چیز جالبی نشان می‌دهند. برای آلیاژهای مس با ضخامت بیش از 8 میلی‌متر، سازندگان اغلب مجبورند به ترکیبات گازی خاصی مانند نیتروژن مخلوط شده با آرگون روی آورند تا بتوانند نحوه پخش حرارت در حین عملیات برش را مدیریت کنند.

چگونه توان لیزر حداکثر ضخامت فلز را تعیین می‌کند

رابطه بین توان لیزر و ضخامت ماده به تفصیل توضیح داده شده است

توان یک لیزر که بر حسب کیلووات (kW) اندازه‌گیری می‌شود، در اصل مشخص می‌کند که چه ضخامتی از فلز را می‌توان با متمرکز کردن گرما در ماده برش داد. هنگام کار با مواد بسیار سخت، لیزرهای پرتوان‌تر عملکرد بهتری دارند و هم سرعت و هم کیفیت را حفظ می‌کنند که در محیط‌های تولیدی اهمیت زیادی دارد. به اعداد نگاه کنید: یک دستگاه 6 کیلوواتی تقریباً 2.5 برابر چگالی توان اوج نسبت به نمونه 3 کیلوواتی خود تولید می‌کند. این در عمل چه معنایی دارد؟ خُب، چنین سیستم پرقدرتی قادر است بدون مشکل فولاد کربنی 25 میلی‌متری را ببرد، در حالی که سیستم‌های ضعیف‌تر در ضخامت‌های بالاتر از 12 میلی‌متر با مشکل مواجه می‌شوند. بسیاری از کارگاه‌ها به این واحدهای پرظرفیت تغییر کرده‌اند، فقط به این دلیل که کارها را سریع‌تر و با مشکلات کمتری در کاربردهای صنعتی سنگین انجام می‌دهند.

حداکثر ضخامت فلز بر اساس توان لیزر (3 کیلووات، 6 کیلووات، 8 کیلووات)

توان بالاتر عرض برش را در برش قطعات ضخیم به میزان 18 تا 22 درصد کاهش می‌دهد و از هدررفت مواد می‌کاهد.

عملکرد برش روی فولاد کربنی، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و مس

• فولاد کربنی : برای برش لیزری ایده‌آل است؛ سیستم‌های 6 کیلوواتی قادر به ایجاد برش‌های تمیز در صفحات 25 میلی‌متری با سرعت مناسب هستند
• فولاد ضد زنگ : به دلیل ترکیب خاص آن، نسبت به فولاد کربنی به چگالی توان 25 درصدی بیشتری نیاز دارد
• آلومینیوم : بازتاب‌پذیری بالا نیازمند 30 تا 40 درصد ورودی توان بیشتر است و حتی با لیزر 8 کیلوواتی ضخامت عملی آن به 20 میلی‌متر محدود می‌شود
• مس : پراکندگی سریع گرما نیازمند سیستم‌های 15 کیلوواتی یا بالاتر برای برش قابل اعتماد فراتر از 10 میلی‌متر است و بهینه‌سازی گاز کمکی نقش حیاتی دارد

بینش داده: لیزر فیبر 6 کیلوواتی به‌طور مؤثر تا 25 میلی‌متر فولاد کربنی را می‌برد

داده‌های صنعت تأیید می‌کنند که لیزرهای فیبر 6 کیلوواتی بهترین بازدهی را در ساخت و ساز فولادی دارند و ورق‌های 25 میلی‌متری را با بازده انرژی 93٪ در مقایسه با 78٪ برای لیزرهای CO₂ پردازش می‌کنند. همان‌طور که در گزارش لیزر صنعتی 2023 ذکر شده، این کلاس توان هزینه هر برش را در مقایسه با سیستم‌های 8 کیلوواتی، هنگام کار با مواد تا ضخامت 25 میلی‌متر، به میزان 40٪ کاهش می‌دهد.

لیزر فیبری در مقابل لیزر CO2 : کدام یک فلزات ضخیم‌تر را بهتر پردازش می‌کند؟

کیفیت پرتو و عمق فوکوس نسبت به ضخامت فلز

طول موج تولیدشده توسط لیزرهای فیبری حدود 1.06 میکرومتر است که در واقع ده برابر کوتاه‌تر از 10.6 میکرومتر ناشی از لیزرهای CO2 می‌باشد. به همین دلیل، لیزرهای فیبری لکه‌های فوکوسی بسیار کوچک‌تری در محدوده 0.01 تا 0.03 میلی‌متر ایجاد می‌کنند، در مقابل لکه‌های بزرگ‌تر 0.15 تا 0.20 میلی‌متری که در فناوری CO2 مشاهده می‌شود. این موضوع در عمل به چه معناست؟ خب، این امر منجر به تراکم انرژی در محدوده 100 تا 300 مگاوات بر سانتی‌متر مربع می‌شود. این مقدار بسیار بالاتر از حداکثر توان دستیابی‌پذیر با لیزرهای CO2 که 5 تا 20 مگاوات بر سانتی‌متر مربع است، می‌باشد. این تمرکز بالاتر به لیزرهای فیبری اجازه می‌دهد تا به مواد فلزی ضخیم‌تر نفوذ کنند. مزیت دیگری که باید به آن اشاره کرد، ثبات فوکوس لیزرهای فیبری در محدوده مثبت و منفی 0.5 میلی‌متر هنگام کار با ورق‌های فولادی 30 میلی‌متری است. در همین حال، سیستم‌های سنتی لیزر CO2 پس از ضخامت حدود 15 میلی‌متر دچار مشکلاتی از قبیل واگرایی پرتو و آشفتگی ناشی از جریان گاز می‌شوند.

چرا لیزرهای فیبری در کاربردهای با ضخامت بالا عملکرد بهتری نسبت به لیزرهای CO2 دارند

لیزرهای فیبری مدرن 8 تا 12 کیلوواتی فولاد کربنی 30 میلی‌متری را با سرعت 0.8 متر بر دقیقه و دقت ±0.1 میلی‌متر برش می‌زنند و از سیستم‌های معادل CO2 پیشی می‌گیرند که تنها به سرعت 0.3 متر بر دقیقه و تحمل ±0.25 میلی‌متر دست می‌یابند. سه مزیت این برتری را توضیح می‌دهند:

1. بازده انتقال توان : لیزرهای فیبری 35 تا 45 درصد از ورودی الکتریکی را به انرژی برش تبدیل می‌کنند، در حالی که این مقدار برای لیزرهای CO2 تنها 8 تا 12 درصد است
2. جذب طول موج : پرتو 1.06 میکرومتری 60 تا 70 درصد در فولاد و آلومینیوم جذب می‌شود، در مقایسه با 5 تا 15 درصد برای CO2
3. مصرف گاز : سیستم‌های فیبری به دلیل شیارهای باریک‌تر، 40 درصد کمتر از گاز کمکی در فلزات بالای 25 میلی‌متر استفاده می‌کنند

مطالعه مرجعی در سال 2024 نشان داد که لیزرهای فیبری 6 کیلوواتی هزینه پردازش را در فولاد ضدزنگ 20 میلی‌متری نسبت به گزینه‌های CO2 به میزان 74 دلار در تن کاهش داده‌اند که این امر به دلیل چرخه‌های سریع‌تر و مصرف کمتر گاز است.

محدودیت‌ها و چالش‌های برش فلزمحور

عملکرد برش لیزری فلزات به‌طور قابل توجهی به دلیل خواص ویژه مواد متفاوت است. شناخت این تفاوت‌ها برای دستیابی به نتایج با کیفیت در تولید صنعتی ضروری است.

فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ: معیارهای ضخامت و کیفیت لبه

لیزرهای فیبری قادر به پردازش فولاد کربنی تا 25 میلی‌متر هستند، هرچند که زبری لبه‌ها بدون تنظیم فشار گاز، فراتر از 20 میلی‌متر حدود 35٪ افزایش می‌یابد. فولاد ضدزنگ با استفاده از گاز کمکی نیتروژن تا ضخامت 30 میلی‌متر لبه‌های تمیز و بدون اکسیداسیون تولید می‌کند—ویژگی‌ای حیاتی برای تولید تجهیزات غذایی و پزشکی.

آلومینیوم: چالش‌های انعکاس و محدودیت‌های عملی در ضخامت

انعکاس بالای آلومینیوم باعث کاهش جذب انرژی لیزر تا 30 تا 40 درصد می‌شود و حتی با سیستم‌های 8 کیلوواتی نیز پردازش اقتصادی آن فراتر از 15 میلی‌متر دشوار است. با این حال، لیزرهای فیبری پیشرفته که در طول موج 1070 نانومتر کار می‌کنند، سرعت برشی معادل 1.8 متر بر دقیقه را روی ورق‌های 6 میلی‌متری فراهم می‌کنند—که 60 درصد سریع‌تر از معادل‌های CO₂ است.

مس و برنج: غلبه بر هدایت حرارتی بالا

پراکندگی سریع حرارت در مس نیازمند لیزرهای 6 کیلوواتی برای حفظ عرض برش 0.25 میلی‌متری در ورق‌های 5 میلی‌متری است که این امر تراکم توانی 50 درصد بالاتر از فولاد را می‌طلبد. برنج به خوبی به حالت‌های پالسی پاسخ می‌دهد و آزمایش‌های اخیر برش تمیز 8 میلی‌متری با سرعت 4.2 متر بر دقیقه را با استفاده از طراحی‌های نازل تطبیقی نشان داده‌اند.

تیتانیوم: برش دقیق در ضخامت‌های متوسط همراه با مثال عملی

سازندگان صنعت هوافضا به طور معمول دقت ±0.1 میلی‌متر را در تیتانیوم 15 میلی‌متری با استفاده از لیزرهای فیبری 4 کیلوواتی و با کمک نیتروژن به دست می‌آورند و برش‌هایی بدون دیواره (dross-free) با سرعت 1.5 متر بر دقیقه تولید می‌کنند. برای ضخامت‌های بالای 20 میلی‌متر، اغلب سیستم‌های ترکیبی لیزر-پلاسما برای حفظ اثربخشی اقتصادی مورد نیاز هستند.

نقش گازهای کمکی و پارامترهای برش در عملکرد برحسب ضخامت

اکسیژن، نیتروژن و هوای معمولی: نحوه تأثیر گازهای کمکی بر عمق و کیفیت برش

گاز کمکی مناسب تفاوت زیادی در عمق برش، سرعت انجام آن و نوع لبه‌های حاصل ایجاد می‌کند. استفاده از اکسیژن هنگام برش فولاد کربنی به دلیل ایجاد واکنش‌های گرمازا، عملیات را بسیار تسریع می‌کند، هرچند این امر منجر به ایجاد لبه‌های اکسید شده می‌شود که بعداً نیاز به پرداخت اضافی دارند. نیتروژن به شیوه‌ای متفاوت عمل می‌کند و مانند یک پوشش محافظ روی ماده قرار می‌گیرد؛ به همین دلیل است که برش فولاد ضدزنگ و آلومینیوم با نیتروژن خیلی تمیز و بدون آلودگی انجام می‌شود. برای کاربرانی که با ورق‌های نازک فلزی کار می‌کنند و هزینه عامل مهمی است، هوای فشرده می‌تواند گزینه مناسبی باشد، هرچند لبه‌های تیز و تمیزی را که سایر گازها ایجاد می‌کنند، نخواهد داشت. همچنین نباید فراموش کرد که خلوص گاز نیز اهمیت دارد. اکثر کارگاه‌ها حداقل به دنبال استفاده از اکسیژن با خلوص ۹۹٫۹۷٪ هستند و یا اگر بخواهند برش‌ها همواره ظاهری یکنواخت داشته باشند، از نیتروژن با خلوص ۹۹٫۹۹٪ استفاده می‌کنند.

مزایا و معایب انتخاب گاز: سرعت، دروز و ضخامت قابل دستیابی

اپراتورها باید انتخاب گاز را با الزامات پروژه متعادل کنند:

• اکسیژن : سرعت برش را برای فولاد کربنی حدود 10 میلی‌متری تا 25–40 درصد افزایش می‌دهد، اما باعث ایجاد دیسک زدگی (درفت) می‌شود که نیاز به پردازش بعدی دارد
• نیتروژن : دیسک زدگی (درفت) را در کاربردهای فولاد ضدزنگ تا 70 درصد کاهش می‌دهد، اما در توان‌های پایین‌تر حداکثر ضخامت قابل برش را محدود می‌کند
• هوا : امکان برش سریع (تا 6 متر/دقیقه) روی آلومینیوم 0.5 تا 3 میلی‌متری را فراهم می‌کند، اما خطر تغییر شکل حرارتی وجود دارد

سیستم‌های هوشمند کنترل گاز برای بهینه‌سازی برش در ضخامت‌های بالا

سیستم‌های پیشرفته به‌صورت خودکار فشار گاز (با دقت ±0.2 بار) و پیکربندی نازل را بر اساس تشخیص واقعی مواد تنظیم می‌کنند. در صفحات فولادی 20 تا 30 میلی‌متری، این سیستم‌ها ثبات شیار برش (کرفت) را حفظ کرده و مصرف گاز را 18 تا 22 درصد کاهش می‌دهند. نظارت یکپارچه از هدررفت در طول اشکال پیچیده جلوگیری می‌کند

تعادل بین سرعت برش، دقت و پایداری توان در ضخامت‌های مختلف

هنگام کار با مواد ضخیم‌تر، اپراتورها باید سرعت را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. به عنوان مثال، فولاد 25 میلی‌متری معمولاً نیازمند سرعت برش بین 0.8 تا 1.2 متر در دقیقه است، در حالی که فشار نیتروژن باید بین 20 تا 25 بار تنظیم شود. از سوی دیگر، ورق‌های نازک در محدوده 1 تا 3 میلی‌متر بهترین عملکرد را زمانی دارند که با سرعت حدود 8 تا 12 متر در دقیقه و با فشار اکسیژن بین 8 تا 12 بار از دستگاه عبور کنند. فاصله مناسب بین نازل و سطح ماده نیز اهمیت دارد. حفظ این فاصله در محدوده 0.5 تا 1.2 میلی‌متر به جلوگیری از ایجاد آشفتگی ناخواسته کمک می‌کند و اپتیک‌های گران‌قیمت را محافظت می‌کند که امری کاملاً حیاتی برای حفظ تحمل‌های دقیق به میزان مثبت و منفی 0.1 میلی‌متر است. برخی مطالعات اخیر که به بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر نتایج پرداخته‌اند، یافته جالبی داشته‌اند: کارگاه‌ها می‌توانند با تنظیم صحیح برخی از پارامترها، هزینه گاز خود را تا حدود 30٪ کاهش دهند و در عین حال برش‌هایی با کیفیت بالا و مطابق مشخصات تولید کنند.

سوالات متداول

حداکثر ضخامتی که یک لیزر 3 کیلوواتی می‌تواند ببرد چقدر است؟

یک لیزر 3 کیلوواتی معمولاً می‌تواند تا حدود 12 میلی‌متر از فولاد کربنی را ببرد، اما این مقدار ممکن است با مواد مختلف متفاوت باشد.

چرا نیتروژن به اکسیژن برای برش فولاد ضدزنگ ترجیح داده می‌شود؟

نیتروژن به حفظ لبه‌های تمیز و بدون اکسیداسیون در فولاد ضدزنگ کمک می‌کند که برای کاربردهایی مانند تجهیزات غذایی و پزشکی بسیار مهم است.

ویژگی‌های ماده چگونه بر عملکرد برش لیزری تأثیر می‌گذارند؟

توانایی یک فلز در هدایت حرارت و نقطه ذوب آن می‌تواند بر کارایی فرآیند برش تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، آلومینیوم به دلیل بازتاب بالای خود به توان لیزری بیشتری نیاز دارد، در حالی که مس گرما را سریع پراکنده می‌کند و بنابراین برای برش مؤثر به سطوح توان بالاتری نیاز دارد.

چرا لیزرهای فیبری در برش فلزات ضخیم عملکرد بهتری نسبت به لیزرهای CO2 دارند؟

لیزرهای فیبری انتقال توان کارآمدتری دارند، جذب طول موج بالاتری دارند و مصرف گاز کمتری دارند که آنها را برای برش فلزات ضخیم مؤثرتر می‌کند.

گازهای کمکی نقش چهی در برش لیزری ایفا می‌کنند؟

گازهای کمکی مانند اکسیژن و نیتروژن بر سرعت برش، عمق و کیفیت لبه تأثیر می‌گذارند. اکسیژن باعث افزایش سرعت برش فولاد کربنی می‌شود اما ممکن است لبه‌ها را اکسید کند، در حالی که نیتروژن برش‌های تمیزتری را در فولاد ضدزنگ و آلومینیوم فراهم می‌کند.