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

مواد لوله متداولی که با Pipe laser cutting machines

مدرن pipe laser cutting machines برای پردازش طیف گسترده‌ای از موادی که در صنایع مختلفی مانند ساختمانی، خودرو و هوافضا ضروری هستند، طراحی شده‌اند. توانایی آن‌ها در ارائه دقت بالا روی فلزات متنوع، عملکرد قابل اعتمادی را در محیط‌های ساخت پیچیده تضمین می‌کند.

فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ: استانداردهای صنعتی برای برش دقیق

فولاد کربنی به دلیل ترکیب استحکام مناسب، هزینه معقول و نتایج قابل پیش‌بینی هنگام برش با لیزر، همچنان در کارهای سازه‌ای محبوب است. فولاد زنگ‌نزن اغلب در مکان‌هایی که خوردگی مشکل‌ساز است، به خصوص در کارخانه‌های مواد غذایی، بیمارستان‌ها و کارخانه‌های شیمیایی انتخاب می‌شود. فناوری جدید لیزر فیبری می‌تواند دقتی در حدود 0.1 میلی‌متر روی این فلزات داشته باشد که در مقایسه با سیستم‌های قدیمی لیزر CO2، منطقه تحت تأثیر حرارتی (HAZ) را تقریباً 30% کاهش می‌دهد. به دلیل این بهبود، تولیدکنندگان اکنون می‌توانند هزاران قطعه را در روز تولید کنند، از جمله سیستم‌های هیدرولیکی پیچیده برای ماشین‌آلات و سازه‌های فلزی پیچیده‌ای که در ساختمان‌های مدرن سراسر کشور دیده می‌شوند.

آلومینیوم و آلیاژهای با استحکام بالا: مواد سبک اما چالش‌برانگیز

طبیعت سبک وزن آلومینیوم باعث شده آن را به ماده اصلی برای شرکت‌های هوانوردی و خودروسازی که با محدودیت‌های وزنی مواجه هستند تبدیل کنند. اما کار کردن با آلومینیوم چالش‌هایی دارد، چون این ماده بسیار بازتاب‌کننده است و گرما را بسیار سریع هدایت می‌کند، که این امر به این معنی است که تنظیمات لیزر استاندارد برای برش آن کافی نیستند. برای آلیاژهای سری 6000، لیزرهای فیبری پالسی عملاً ضروری هستند تا بتوانند در حین برش، حوضچه‌های فلز مذاب را کنترل کنند. هنگام کار با مواد سخت‌تر مانند آلومینیوم 7075-T6، اپراتورها باید چگالی توان را حدود 20٪ افزایش دهند تا بتوانند لبه‌های تمیز و بدون سوختگی به دست آورند. تنظیم صحیح این پارامترها در تولید قطعاتی که دقت امری حیاتی است، بسیار مهم است. به عنوان مثال، لوله‌های سیستم سوخت‌رسانی یا سیستم‌های تبادل گرمای هواپیماها را در نظر بگیرید که حتی نقص‌های جزئی می‌توانند منجر به مشکلات بزرگی در آینده شوند.

پردازش فلزات بازتابی: مس، برنج و اینکونل در کاربردهای تخصصی

کار کردن با مس و برنج می‌تواند بسیار پیچیده باشد، چون این مواد دارای بازتاب بالای مادون قرمز و همچنین هدایت حرارتی بسیار خوبی هستند. تجهیزات برش مدرن با استفاده از عدسی‌های ضد بازتاب خاص و گاز کمکی نیتروژن، این مشکلات را حل می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که لبه‌های تمیز و خوبی روی قطعاتی مثل لوله‌های برقی یا قطعات لوله‌کشی به دست آید. در مورد کار با Inconel، آن آلیاژ مقاوم نیکلی که در شرایط بسیار سخت استفاده می‌شود، اپراتورها به سیستم‌های لیزری با حداقل توان ۴ کیلووات نیاز دارند. رسیدن به نتایج خوب به معنای توجه به جزئیاتی مثل تنظیم فاصله کانونی و حفظ نرخ صحیح جریان گاز در طول فرآیند است. این رویکرد دقیق به جلوگیری از ترک‌های ریز کمک می‌کند که می‌تواند برای قطعات حیاتی در سیستم‌های دودکش هواپیماها خطرساز شود.

موارد استفاده در هوانوردی و دفاع: برش تیتانیوم و آلیاژهای فرامرزی

تیتانیوم درجه ۵ به همراه آلیاژهای مختلف نیکل نقش‌های اساسی در تولید قطعات موتورهای جت، موشک‌ها و ماهواره‌ها ایفا می‌کنند که در آن‌ها استحکام اهمیت بیشتری دارد. هنگام کار با این مواد، تولیدکنندگان معمولاً آن‌ها را در محیط‌های بدون اکسیژن برش می‌دهند تا از تشکیل لایه سطحی به نام حالت آلفا جلوگیری شود. این لایه سطحی می‌تواند فلز را در طول زمان به شدت ضعیف کند، به خصوص در مواردی مانند لوله‌های نازک دیواره تیتانیومی که در بسیاری از کاربردهای هوافضایی استفاده می‌شوند. آخرین فناوری‌های برش امروزه می‌توانند عرض شیارهای بسیار کمی در حدود ۰٫۸ میلی‌متر را هنگام پردازش اینکونل ۷۱۸ به دست آورند. چنین دقتی می‌تواند نیازهای سختگیرانه شرکت‌های دفاعی و سازمان‌های فضایی را برای قطعات مورد استفاده در سیستم‌های رادار و قطعات موتور برآورده کند.

چگونه خواص مواد بر دقت و کیفیت برش تأثیر می‌گذارند

ضخامت ماده، بازتاب‌دهندگی و هدایت حرارتی

ضخامت دیواره لوله‌ها تأثیر واقعی بر نحوه نفوذ لیزر به متریال دارد، که این موضوع به این معنی است که اغلب اوقات اپراتورها نیاز دارند تا میزان توان را تقریباً در محدوده 15 درصد بالا یا پایین تنظیم کنند تا بتوانند فرآیند برش را با سرعت ثابت و با کیفیت حفظ کنند. مس و برنج چالش دیگری ایجاد می‌کنند، چرا که این مواد تمایل دارند بخشی از انرژی لیزر را منعکس کنند، به‌طوری که برش آنها حدود 20 تا حتی 35 درصد کمتر از فولاد معمولی کارآمد باشد. در مورد آلومینیوم، به دلیل هدایت حرارتی بسیار بالای آن، حرکت بسیار سریع‌تر روی سطح مورد نیاز است. بیشتر کارگاه‌ها در می‌یابند که نیاز دارند با سرعتی تقریباً یک و نیم تا دو برابر سرعتی که برای فولاد مناسب است حرکت کنند، در غیر این صورت مقدار زیادی از گرما از دست می‌رود و لبه‌های تمیز و خوب شروع به از دست دادن کیفیت می‌کنند. یک مقاله اخیر از مجله Materials Science and Engineering در سال 2023 به این موضوع پرداخت و چیزی جالب کشف کرد. آنها مقدار زبری سطح (اندازه‌گیری Ra) را اندازه گرفتند و متوجه تفاوتی نزدیک به 40 درصدی بین فلزات براق و کدر شدند، در حالی که تمام شرایط دیگر یکسان بود.

دستیابی به تحملات بسیار کم در فلزات مختلف

در محدوده‌ای با دقت بسیار بالا حدود مثبت یا منفی 0.1 میلی‌متر، لازم است تنظیمات لیزر به صورت پویا بسته به نوع ماده‌ای که با آن کار می‌کنیم تغییر کنند. فولاد کربنی می‌تواند سرعت برش بالایی بین شش تا هشت متر در دقیقه را بدون از دست دادن دقت خوب تحمل کند. با این حال، هنگام کار با آلیاژهای تیتانیوم، مسئله کمی پیچیده‌تر می‌شود. این مواد به دلیل خصوصیات خاص خود، نیازمند کاهش سرعت حرکت بین سی تا چهل درصد هستند تا بتوان مناطق تحت تأثیر گرما را کنترل کرد. در مورد فولادهای سفت‌شده با سختی بیش از 45 روکول C، بسیاری از کارگاه‌ها این راهکار را در پیش می‌گیرند که قبل از برش، یک چرخه گرمایش اولیه انجام دهند. این کار به جلوگیری از ایجاد ترک‌های بسیار ریز در هنگام برش‌های فوق‌العاده دقیق کمک می‌کند و این امر چیزی است که هیچ‌کس دوست ندارد بعدها با آن مواجه شود.

کیفیت سطح و یکنواختی لبه در قطعات نهایی

عمودی بودن لبه فولاد ضد زنگ به طور واقعی به ضخامت آن بستگی دارد، به خصوص وقتی که ضخامت ماده از 0.2 میلی‌متر بیشتر شود. هنگام استفاده از لیزر فیبری، دقت زاویه‌ای معمولاً در قطعات آلومینیومی با دیواره‌های نازک به ضخامت 1 تا 3 میلی‌متر، کمتر از 0.5 درجه است. با این حال، شرایط با مواردی از جنس برنج که کمی ضخیم‌تر هستند متفاوت است، زیرا انبساط حرارتی زاویه‌ها را به میزان قابل توجهی به خارج از هدف سوق می‌دهد و گاهی اوقات آن‌ها را بین 1.2 تا 2.0 درجه از هدف منحرف می‌کند. با این حال، در مورد آلیاژهای نیکل، بدون وجود گل مذاب در برش‌ها کار دیگری است. فشار گاز باید بسیار دقیق کنترل شود و در محدوده حدود 0.15 بار بالا یا پایین از مقدار مورد نظر حفظ شود. توجه به این جزئیات در حفظ کیفیت مناسب سطح در کاربردهای حیاتی و پرکاربردی که تنها کار با کمال مطلوب است، تفاوت ایجاد می‌کند.

نوع و پارامترهای لیزر: تطبیق فناوری با ماده لوله

لیزر فیبری در مقابل لیزر CO2: عملکرد در انواع فلزات

در مورد برش لوله‌های فلزی، لیزرهای فیبری به گزینه‌ی اصلی تبدیل شده‌اند، زیرا عملکرد بسیار خوبی با مواد رسانای الکتریکی دارند. این لیزرها می‌توانند برش‌های بسیار باریک ایجاد کنند، گاهی کمتر از ۲۰ میکرومتر در فولاد ضدزنگ، و می‌توانند متریالی به ضخامت ۲ میلی‌متر را با سرعتی بین تقریباً ۱۵ تا ۲۵ متر در دقیقه برش دهند، طبق گزارش‌های صنعتی سال گذشته. از سوی دیگر، لیزرهای CO2 در مورد موادی مانند لوله‌های PVC عملکرد خوبی دارند، اما در کار با فلزات براق مانند آلومینیوم و مس با مشکل مواجه می‌شوند. پرتوها تمایل دارند از این سطوح منعکس شوند به جای اینکه به درستی جذب شوند، که باعث کاهش بهره‌وری در این نوع کارها می‌شود.

*بر اساس ضخامت ۲ میلی‌متری

بهینه‌سازی توان، سرعت و فوکوس برای مواد بازتابی یا متراکم

در کار با فلزات منعکس‌کننده، تولیدکنندگان معمولاً به لیزرهای فیبری پالسی که با زمان‌های توقف کمتر از ۵۰۰ نانوثانیه کار می‌کنند، روی می‌آورند. این امر به کاهش بازتاب‌های ناخواسته از سطح فلز و حفظ ثبات در فرآیند برش کمک می‌کند. برای مواد سخت‌تر مانند آلیاژهای متراکم مانند اینکونل ۷۱۸، دستیابی به نفوذ کامل نیازمند سیستم‌های لیزری است که بتوانند توان پیکی بین ۴ تا ۶ کیلووات تحویل دهند. بسیاری از کارخانجات دریافته‌اند که کنترل تطبیقی فوکوس در وظایف برش دقیق فوق‌العاده مفید است، به‌ویژه در صنایعی مانند تولیدات هوافضا. یک شرکت گزارش داد که پس از اجرای این فناوری، ضایعات لوله‌های تیتانیومی خود را تقریباً ۳۷٪ کاهش داده است. آن‌ها حتی در شرایطی که با صدها شکل قطعه و هندسه‌های پیچیده مواجه بودند، توانستند سطح تحمل بسیار خوبی معادل مثبت یا منفی ۰٫۱ میلی‌متر حفظ کنند.

مطالعه موردی: برش دقیق لوله‌های تیتانیومی درجه هوافضا

تحقیقات انجام شده در سال ۲۰۲۴ نشان داد که با استفاده از لیزرهای فیبری با طول موج ۱ میکرومتر، مهندسان توانستند برش‌هایی تقریباً کامل در لوله‌های تیتانیومی Ti-6Al-4V مورد استفاده در سیستم‌های سوخت ماهواره ایجاد کنند که دقتی در حدود ۹۹٫۲٪ داشت. شکاف اصلی زمانی به وجود آمد که مهندسان فرکانس پالس را به حدود ۲٫۵ کیلوهرتز تنظیم کردند و فشار گاز نیتروژن کمکی را روی ۱۲ بار قرار دادند. با این تنظیمات، آنها به طور کامل ترک‌های ریز را از بین بردند و توانستند لوله‌هایی با دیواره به ضخامت تنها ۰٫۸ میلی‌متر را با سرعتی قابل توجه به میزان ۱۸ متر در دقیقه برش دهند. این سرعت ۶۳ درصد بیشتر از روش‌های سنتی است و در عین حال لبه‌های برش کاملاً مرتب و بدون آسیب باقی مانده است.

بهترین روش‌ها برای انتخاب مواد در کاربردهای برش لیزری لوله

تعادل بین هزینه، دوام و قابلیت پردازش در انتخاب مواد

در انتخاب مواد برای تولید، شرکت‌ها باید نیازهای واقعی قطعه را در برابر هزینه تولید آن متعادل کنند. فولاد کربنی مانند ASTM A36 به دلیل استحکام بالا (بیش از ۴۵۰ مگاپاسکال استحکام کششی) و سازگاری قابل اعتماد با لیزر، در عین حفظ هزینه‌های پایین به ازای هر فوت، همچنان محبوب است. انتقال به آلومینیوم وزن را تا حدود ۶۰٪ کاهش می‌دهد اما برای اپراتورهای لیزر مشکلاتی ایجاد می‌کند، زیرا به گاز نیتروژن کمکی نیاز دارند و باید به طور مداوم تنظیمات را تغییر دهند، چرا که این فلز بازتاب بسیار قویی از پرتو لیزر دارد. تیتانیوم درجه هوافضا قطعاً گران‌تر است (حدود ۱۲ تا ۱۸ دلار بیشتر به ازای هر فوت خطی)، اما تولیدکنندگان همچنان این مسیر را انتخاب می‌کنند وقتی روی پروژه‌های مربوط به سیستم‌های دفاعی، ایمپلنت‌های پزشکی یا قطعات فضایی کار می‌کنند. این کاربردهای تخصصی به موادی نیاز دارند که به راحتی زنگ نزنند، استحکام خود را در کنار سبکی حفظ کنند و در صورت استفاده پزشکی، مشکلی در بدن انسان ایجاد نکنند.

تطابق خواص متریال لوله با قابلیت‌های سیستم لیزری

ضخامت مواد در کنار نحوه واکنش آنها به گرما تعیین می‌کند که در عمل چه نوع دقتی می‌توانیم به دست آوریم. به عنوان مثال فولاد ضدزنگ را در نظر بگیرید، یک لیزر فیبری ۳ کیلوواتی به خوبی می‌تواند با ماده ۶ میلی‌متری کار کند و دقتی حدود ±۰٫۱ میلی‌متری ایجاد کند. اما در مورد مس در همان ضخامت، کار دشوارتر می‌شود. در اینجا دست‌کم به یک سیستم ۶ کیلوواتی نیاز داریم، به اضافه حفاظت مناسب از بازتاب پشتی تا بتوانیم کیفیت لبه را حفظ کنیم. به‌روزرسانی‌های اخیر در فناوری لیزر فیبری پالسی پیشرفت‌های واقعی ایجاد کرده‌اند. اکنون می‌توانیم لوله‌های آلومینیومی ۸ میلی‌متری را با سرعتی تا ۱۲ متر در دقیقه و تنها با کمک ۲۰ پوند بر اینچ مربع نیتروژن ببریم و همچنان برش‌هایی تمیز بدون مشکل ریخته‌گری داشته باشیم. هنگام کار با آلیاژهای سخت مثل اینکونل ۶۲۵، اپراتورها معمولاً سرعت پیشروی خود را حدود ۴۰٪ نسبت به فولاد کربنی معمولی کاهش می‌دهند. این تنظیم به جلوگیری از آن ریزترک‌های آزاردهنده کمک می‌کند و همچنان پایان سطحی را در حدود Ra ۳٫۲ میکرون حفظ می‌کند، که با توجه به چالش‌هایی که این مواد ایجاد می‌کنند، خوب به نظر می‌رسد.

سوالات متداول

چه موادی بیشترین استفاده را با ماشین‌های برش لیزری لوله دارند؟

فولاد کربنی و فولاد زنگ‌نزن به دلیل استحکام و رفتار قابل پیش‌بینی در برش لیزری، اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلومینیوم، مس، برنج، اینکونل و آلیاژهای با استحکام بالا نیز اغلب با استفاده از تکنولوژی لیزر برش داده می‌شوند.

چرا لیزرهای فیبری نسبت به لیزرهای CO2 برای برش فلزات ترجیح داده می‌شوند؟

لیزرهای فیبری به دلیل توانایی برش مواد رسانای با دقت بالا ترجیح داده می‌شوند، در حالی که لیزرهای CO2 ممکن است در برش فلزات براق دچار مشکل شوند.

چه چالش‌هایی در برش آلومینیوم با لیزر وجود دارد؟

آلومینیوم بسیار بازتابنده است و گرما را به سرعت هدایت می‌کند، که به تنظیمات خاص لیزر و کمک‌های اضافی برای برش مؤثر نیاز دارد.