برش لیزری چگونه کار می کند؟
برش لیزری یک روش معمول برای ساخت قطعات فلزی و غیر فلزی است. این صنعت 4 میلیارد دلاری مسئول تولید خودروها، کشتی‌ها، ماشین‌آلات، مبلمان و غیره است. تکامل مداوم این فناوری، دامنه وسیعی از دستگاه‌های برش لیزری مناسب برای انواع مواد مختلف را به ما ارائه داده است. امروز می‌توانیم بین لیزرهای CO2 و لیزرهای فیبر نوری انتخاب کنیم، اما فناوری آن ریشه در اوایل قرن گذشته دارد.
تاریخچه برش لیزری
لیزر مخفف عبارت "تقویت نور توسط تابش تحریک‌شده" است. به دلیل حضور گسترده‌اش، از فرم کوتاه‌شده استفاده می‌شود. برش فلز یکی از کاربردهایی است که به سرعت محبوبیت پیدا کرده است. اگرچه بسیاری آن را به عنوان فناوری جدیدی می‌دانند، تاریخچه برش لیزری به صد سال پیش بازمی‌گردد. البته، نابغه آلبرت اینشتین، پشت ایده‌ای است که تولید را سریع‌تر می‌کند. در سال 1917، او بنیادهای نظری برای امکان‌پذیر کردن لیزر را در مقاله خود "در نظریه کوانتومی تابش" مطرح کرد. دانشمندان دیگر نیز بر اساس ایده‌های اینشتین نوآوری کردند. پیشرفت‌های مختلف در نیمه اول قرن امکان فناوری معاصر را فراهم کردند. در میانه قرن، توسعه سرعت گرفت. اولین نمونه اولیه لیزر پالسی به سال 1960 برمی‌گردد. اندکی بعد، اولین لیزر گازی که قادر به کار مداوم بود، وارد بازار شد. در دهه 60، برش لیزری به عنوان یک راه حل دیده می‌شد. اما هنوز مشکلی برای حل شدن توسط این راه حل وجود نداشت. مدت زیادی طول نکشید تا مردم متوجه کاربردهای بالقوه در صنایع مختلف شوند. این منجر به آغاز نخستین ماشین‌های برش لیزری تولیدی در سال 1965 شد. شرکت وسترن الکتریک، که مسئول ساخت این ماشین‌ها بود، از آنها برای برش سوراخ‌ها در قالب‌های الماسی استفاده کرد. 50سال پس از مقاله اینشتین، در سال 1967، از دستگاه‌های برش لیزری با جت گازی برای برش ورق‌های فلزی با ضخامت 1 میلی‌متر استفاده شد. قابلیت‌های نشان داده شده توجه بسیاری را جلب کرد. برش لیزری تا حد زیادی فناوری با کوچکترین عرض برش بود. در میان علاقه‌مندان، صنعت هوافضا نیز بود. آنها در دهه 70 از لیزرهای صنعتی برای برش مواد از جمله تیتانیوم و سرامیک استفاده کردند. این یک گام بزرگ به سوی استفاده معاصر بود، زیرا قبلاً لیزرها عمدتاً قادر به برش مواد غیر فلزی بودند.
لیزر چگونه برش می زند؟
مزایای برش لیزری آن را به فناوری غالب برای برش فلز تبدیل کرده است. برخی از جوانب اصلی پشت موفقیت این فناوری شامل سرعت، کارایی، دقت و کاربردهای متعدد مانند برش، جوشکاری، حکاکی لیزری، علامت‌گذاری و غیره است. دو نوع اصلی از دستگاه‌های لیزری وجود دارد: کربن دی‌اکسید و فیبر. اصول کارکرد این دو نوع با یکدیگر متفاوت است و تفاوت‌های قابل تشخیص ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، لیزرهای CO2 ارزان‌تر هستند، در حالی که لیزرهای فیبری در کارایی برتری دارند و یک نوآوری جدیدتر هستند. با این حال، انتخاب بین آنها به موادی که نیاز به برش دارند بستگی دارد.
اصول کار لیزر CO2
در آغاز فرایند برش لیزری، دستگاه لیزر یک پرتو نور ایجاد می‌کند و آن را از طریق آینه‌ها به خروجی هدایت می‌کند. آینه‌ها یک تشدیدکننده تشکیل می‌دهند که انرژی نوری در پرتو را انباشته می‌کند. در مسیر خود، پرتو از یک لنز متمرکز عبور می‌کند که پرتو را متمرکز می‌کند. سر برش دارای یک نازل است که پرتو را به سمت قطعه کار هدایت می‌کند. پرتو لیزری متمرکز فلز را ذوب می‌کند.
در طول فرایند برش، گاز منتشر می‌شود. هنگام برش فولاد نرم، اکسیژن خالص آزاد می‌شود تا فرایند سوختن را آغاز کند. در صورت برش استیل ضدزنگ یا آلومینیوم با لیزر، پرتو لیزر تنها فلز را ذوب می‌کند. گاز برش در این موارد نیتروژن است تا فلز ذوب شده را بیرون براند و برش‌ها را تمیز نگه دارد. برای عملکرد لیزرها، ماده باید گرمای منتشر شده را جذب کند. در مورد فلزات، بخش بزرگی از نور بازتاب می‌شود. بنابراین، نیاز به یک لیزر قوی برای تولید گرمای لازم برای برش، علی‌رغم بازتاب است. نور بازتابی می‌تواند به دستگاه آسیب برساند. برخی از انواع فلزات مانند آلیاژهای مس و برخی درجه‌های آلومینیوم برای لیزرهای CO2 بسیار بازتابنده هستند. این یک محدودیت است که کاربردهای مختلف را مختل می‌کند.
اصول کار لیزر فیبری
اصول کار لیزر فیبری اولین لیزرهای فیبری در سال 2008 در نمایشگاه EuroBlech معرفی شدند. روش‌های مختلف انتقال پرتو لیزری امکان برش فلزات با بازتاب بالا را فراهم کردند. اکنون فلزاتی مانند آلومینیوم، برنج، مس و فولاد گالوانیزه برای برش لیزری در دسترس هستند.
لیزرهای فیبری ساده‌تر و بادوام‌تر هستند. نور لیزر ابتدا توسط مجموعه‌ای از دیودها ایجاد می‌شود. سپس از طریق کابل‌های نوری هدایت می‌شود و در آنجا تقویت می‌شود. کابل‌ها با عناصر خاکی کمیاب مانند اربیوم، تولیم و مانند آن، دوپینگ می‌شوند. این عناصر برای تقویت نور استفاده می‌شوند. در نهایت، لنز نور را متمرکز می‌کند تا پرتو لیزری آماده برای برش تشکیل دهد. سیستم جدید نیازی به گازها، تنظیم مجدد آینه‌ها و یا گرم شدن ندارد.
مزیت بزرگ لیزرهای فیبری نرخ تبدیل انرژی بالا است. حدود 75٪ از انرژی دریافتی به پرتو لیزری تبدیل می‌شود. راندمان لیزر CO2 حدود 20٪ است. تفاوت قابل توجه عمدتاً از تلفات کم در تولید حرارت ناشی می‌شود. این موضوع باعث می‌شود که لیزرهای فیبری 2 کیلوواتی قابل مقایسه با همتایان قوی‌تر لیزر CO2 باشند.
پیشرفت‌های عمده باعث می‌شوند که مهندسان به توسعه این فناوری انقلابی ادامه دهند. این نشانگر آینده روشنی برای لیزرهای فیبری است
روند های آینده
اگرچه اکثر بازار هنوز در دست لیزرهای CO2 است، لیزرهای فیبری در حال رشد هستند. اکنون، سهم فزاینده‌ای از فروش جدید برای این نوع لیزرها محفوظ است. هزینه‌های نگهداری لیزرهای فیبری یک مزیت بزرگ است. قطعات متحرک کمتری وجود دارد و تنظیمات کمتری نیاز است. این منجر به کاهش زمان توقف به دلیل تعمیر و نگهداری می‌شود. امروزه، لیزرهای فیبری در برش فلزات نازک بسیار سریع‌تر هستند. لیزر CO2 هنوز هم در برش مواد ضخیم‌تر (10 میلی‌متر و بیشتر) با کیفیت برش بهتر، از لیزرهای فیبری پیشی می‌گیرد.
به طور کلی، آینده برای لیزرهای فیبری روشن به نظر می‌رسد. ساخت و ساز یک صنعت سنتی است که تغییرات در آن زمان می‌برد. اما لیزر فیبری به دنبال تصاحب مقام برتری در صنعت از لیزر CO2 است. این موضوع همچنین درباره تجهیزات برش لیزر لوله و برش‌های "سنتی" نیز صدق می‌کند.