القطع بالليزر

القطع بالليزر تقنية تستخدم الليزر لتبخير المواد، مما ينتج عنه حافة مقطوعة. ورغم شيوع استخدامها في التطبيقات الصناعية، إلا أنها تُستخدم الآن في المدارس والشركات الصغيرة والهندسة المعمارية والهوايات. يعمل القطع بالليزر عن طريق توجيه شعاع ليزر عالي الطاقة، غالبًا عبر نظام بصري. يُستخدم نظام البصريات الليزري والتحكم الرقمي بالحاسوب ( CNC ) لتوجيه شعاع الليزر إلى المادة. يستخدم الليزر التجاري المستخدم في قطع المواد نظام تحكم في الحركة لتتبع رمز CNC أو G للنمط المراد قطعه على المادة. يُوجّه شعاع الليزر المركز إلى المادة، التي إما أن تنصهر أو تحترق أو تتبخر أو تُدفع بعيدًا بواسطة تيار من الغاز، ^{[ 1 ]} تاركةً حافة ذات سطح نهائي عالي الجودة. ^{[ 2 ]} تُصنّع شركات مثل ACCURL آلات قطع الليزر الليفي ومعدات الصفائح المعدنية ذات الصلة المستخدمة في التصنيع الصناعي. ^{[ 3 ]}

في عام 1965، استُخدمت أول آلة قطع ليزرية إنتاجية لحفر ثقوب في قوالب الماس . صُنعت هذه الآلة في مركز أبحاث الهندسة التابع لشركة ويسترن إلكتريك . ^{[ 4 ]} وفي عام 1967، كان البريطانيون روادًا في مجال القطع النفاث بالأكسجين بمساعدة الليزر للمعادن. ^{[ 5 ]} وفي أوائل سبعينيات القرن العشرين، طُبقت هذه التقنية في الإنتاج لقطع التيتانيوم لتطبيقات الفضاء. وفي الوقت نفسه، جرى تكييف ليزر _ثاني أكسيد الكربون لقطع المواد غير المعدنية، مثل المنسوجات ، لأنه في ذلك الوقت، لم يكن ليزر _ثاني أكسيد الكربون قويًا بما يكفي للتغلب على الموصلية الحرارية للمعادن. ^{[ 6 ]}

يُركّز شعاع الليزر عادةً باستخدام عدسة عالية الجودة على منطقة العمل. وتؤثر جودة الشعاع بشكل مباشر على حجم البقعة المركزة. يبلغ قطر أضيق جزء من الشعاع المركز عادةً أقل من 0.32 مم (0.0125 بوصة ) . وبحسب سُمك المادة، يُمكن الحصول على عرض شق يصل إلى 0.10 مم (0.004 بوصة ) . ^{[ 7 ]} ولتمكين بدء القطع من أي مكان آخر غير الحافة، يُجرى ثقب قبل كل عملية قطع. يتضمن الثقب عادةً استخدام شعاع ليزر نبضي عالي الطاقة يُحدث ثقبًا في المادة ببطء، ويستغرق ذلك حوالي 5-15 ثانية للفولاذ المقاوم للصدأ بسُمك 13 مم (0.5 بوصة) ، على سبيل المثال. يمنع هذا تلف حافة القطع أو عدم انتظام عرض الشق.   

تتراوح أقطار الأشعة المتوازية المتماسكة الصادرة من مصدر الليزر عادةً بين 1.5 و2.0 ملم . ويتم تركيز هذا الشعاع وتكثيفه بواسطة عدسة أو مرآة لتكوين بقعة صغيرة جدًا بحجم 0.025 ملم تقريبًا، مما ينتج عنه شعاع ليزر شديد الكثافة. وللحصول على أنعم سطح ممكن أثناء القطع المحيطي، يجب تغيير اتجاه استقطاب الشعاع أثناء دورانه حول محيط قطعة العمل. أما في قطع الصفائح المعدنية، فيتراوح البعد البؤري عادةً بين 38 و76 ملم . ^{[ 8 ] [ 9 ]}   

تنقسم قدرة شعاع الليزر الساقط عمومًا إلى جزء منعكس، وجزء نافذ، وجزء ممتص. وبما أنه يمكن إهمال الجزء النافذ في معظم الحالات، فإن امتصاصية وانعكاسية الليزر الساقط بالنسبة لمادة الشغل تُعتبران أكثر أهمية. بالنسبة لأشعة الليزر المستقطبة خطيًا، يُلاحظ اختلاف في امتصاصية الليزر المستقطب p والليزر المستقطب s، حيث تزداد نسبة شدة الامتصاص بين الاستقطاب الموازي والعمودي مع زاوية السقوط التي تقترب من 80 درجة أو تتجاوزها. ومع ذلك، تتناقص شدة الامتصاص لكل من الاستقطاب الموازي والعمودي على حدة مع ازدياد زاوية السقوط. ^{[ 10 ]}

تشمل مزايا القطع بالليزر مقارنةً بالقطع الميكانيكي سهولة تثبيت قطعة العمل وتقليل تلوثها (لعدم وجود حافة قاطعة قد تتلوث بالمادة أو تنقل التلوث إليها). وقد تكون الدقة أفضل لأن شعاع الليزر لا يتآكل أثناء العملية. كما تقل احتمالية تشوه المادة المقطوعة، نظرًا لصغر المنطقة المتأثرة بالحرارة في أنظمة الليزر . ^{[ 11 ]} بعض المواد يصعب أو يستحيل قطعها بالطرق التقليدية. ^{[ 12 ]}

تتميز تقنية القطع بالليزر للمعادن عن تقنية القطع بالبلازما بدقة أعلى ^{[ 13 ]} واستهلاك أقل للطاقة عند قطع الصفائح المعدنية؛ إلا أن معظم أجهزة الليزر الصناعية لا تستطيع قطع سماكات المعادن الكبيرة التي تستطيع البلازما قطعها. وتقترب آلات الليزر الحديثة التي تعمل بقدرة أعلى (6000 واط، مقارنةً بقدرة 1500 واط لآلات القطع بالليزر القديمة) من آلات البلازما في قدرتها على قطع المواد السميكة، ولكن تكلفة هذه الآلات أعلى بكثير من تكلفة آلات القطع بالبلازما القادرة على قطع مواد سميكة مثل صفائح الفولاذ. ^{[ 14 ]}

تُستخدم ثلاثة أنواع رئيسية من الليزر في القطع بالليزر. يُعد ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ مناسبًا للقطع والتثقيب والنقش. أما ليزر النيوديميوم (Nd) وليزر النيوديميوم- الإتريوم-الألومنيوم-الجارنيت ( Nd:YAG ) فهما متطابقان في الشكل، ويختلفان فقط في التطبيق. يُستخدم ليزر Nd للتثقيب، وعندما تكون هناك حاجة إلى طاقة عالية ولكن بتكرار منخفض. بينما يُستخدم ليزر Nd:YAG عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة عالية جدًا، وللتثقيب والنقش. ويمكن استخدام كل من ليزر _ثاني أكسيد الكربون وليزر Nd/Nd:YAG في اللحام . ^{[ 15 ]}

_{تُشغَّل ليزرات ثاني} أكسيد الكربون عادةً بتمرير تيار كهربائي عبر مزيج الغاز (إثارة التيار المستمر) أو باستخدام طاقة الترددات الراديوية (إثارة الترددات الراديوية). وتُعدّ طريقة الترددات الراديوية أحدث وأكثر شيوعًا. ونظرًا لأن تصميمات التيار المستمر تتطلب أقطابًا كهربائية داخل التجويف، فقد تتعرض لتآكل الأقطاب الكهربائية وتراكم مادة القطب على الزجاج والبصريات . أما رنانات الترددات الراديوية، نظرًا لاحتوائها على أقطاب كهربائية خارجية ، فهي أقل عرضةً لهذه المشاكل. تُستخدم ليزرات _ثاني أكسيد الكربون في القطع الصناعي للعديد من المواد، بما في ذلك التيتانيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الطري، والألومنيوم، والبلاستيك، والخشب، والخشب المُهندس، والشمع، والأقمشة، والورق. بينما تُستخدم ليزرات YAG بشكل أساسي في قطع ونقش المعادن والسيراميك.

بالإضافة إلى مصدر الطاقة، يؤثر نوع تدفق الغاز أيضًا على الأداء. تشمل الأنواع الشائعة لأشعة الليزر التي تعمل _بثاني أكسيد الكربون : التدفق المحوري السريع، والتدفق المحوري البطيء، والتدفق العرضي، والتدفق المسطح. في الرنان ذي التدفق المحوري السريع، يُدار خليط ثاني أكسيد الكربون والهيليوم والنيتروجين بسرعة عالية بواسطة توربين أو منفاخ. أما في ليزر التدفق العرضي، فيُدار خليط الغاز بسرعة أقل، مما يتطلب منفاخًا أبسط. بينما تتميز الرنانات المسطحة أو المبردة بالانتشار بمجال غاز ثابت لا يتطلب ضغطًا أو أدوات زجاجية، مما يوفر تكاليف استبدال التوربينات والأدوات الزجاجية.

يحتاج مولد الليزر والبصريات الخارجية (بما في ذلك عدسة التركيز) إلى التبريد. وبحسب حجم النظام وتكوينه، قد تُنقل الحرارة المهدرة بواسطة سائل تبريد أو مباشرةً إلى الهواء. يُعد الماء سائل تبريد شائع الاستخدام، وعادةً ما يُضخ عبر مبرد أو نظام نقل حراري.

الليزر النفاث الدقيق هو ليزر موجه بنفاث مائي، حيث يتم فيه ربط شعاع ليزر نبضي بنفاث مائي منخفض الضغط. يُستخدم هذا الليزر في عمليات القطع بالليزر، حيث يعمل النفاث المائي على توجيه شعاع الليزر، تمامًا كما في الألياف البصرية، من خلال الانعكاس الداخلي الكلي. ومن مزايا هذه التقنية أن الماء يزيل الشوائب ويبرد المادة. وتشمل المزايا الإضافية مقارنةً بالقطع بالليزر "الجاف" التقليدي سرعات تقطيع عالية، وعرض قطع متوازٍ ، وقدرة على القطع في جميع الاتجاهات. ^{[ 16 ]}

تُعدّ ليزرات الألياف نوعًا من ليزرات الحالة الصلبة التي تشهد نموًا سريعًا في صناعة قطع المعادن. على عكس ليزر ثاني أكسيد الكربون _، تستخدم تقنية الألياف وسطًا صلبًا للتضخيم، بدلًا من الغاز أو السائل. يُنتج "ليزر البذرة" شعاع الليزر، ثم يُضخّم داخل ألياف زجاجية. بفضل طول موجته البالغ 1064 نانومترًا فقط، تُنتج ليزرات الألياف بقعة صغيرة للغاية (أصغر بمئة مرة من ليزر ثاني أكسيد الكربون )، مما يجعلها مثالية لقطع المواد المعدنية العاكسة. هذه إحدى المزايا الرئيسية للألياف مقارنةً بليزر _{ثاني أكسيد} الكربون .

تشمل مزايا قاطع الألياف الليزرية ما يلي:

• أوقات معالجة سريعة.
• انخفاض استهلاك الطاقة والفواتير – بفضل زيادة الكفاءة.
• موثوقية وأداء أفضل - لا حاجة لضبط أو محاذاة العدسات ولا حاجة لاستبدال المصابيح.
• الحد الأدنى من الصيانة.
• القدرة على معالجة المواد العاكسة للغاية مثل النحاس الأصفر والنحاس الأحمر.
• زيادة الإنتاجية - انخفاض تكاليف التشغيل يوفر عائدًا أكبر على استثمارك. ^{[ 17 ]}

توجد طرق عديدة ومختلفة للقطع باستخدام الليزر، حيث تُستخدم أنواع مختلفة منه لقطع مواد مختلفة. ومن هذه الطرق: التبخير، والصهر والنفخ، والصهر والنفخ والحرق، والتكسير الحراري الناتج عن الإجهاد، والنقش، والقطع البارد، والقطع بالليزر المستقر بالحرق.

تتمتع قواطع الليزر بدقة تحديد المواقع تبلغ 10 ميكرومترات وقابلية تكرار تبلغ 5 ميكرومترات.

تزداد خشونة السطح القياسية (Rz) مع زيادة سمك الصفيحة، ولكنها تنخفض مع زيادة قدرة الليزر وسرعة القطع . عند قطع الفولاذ منخفض الكربون باستخدام ليزر بقدرة 800 واط، تكون خشونة السطح القياسية (Rz) 10  ميكرومتر لسمك صفيحة 1  مم، و20  ميكرومتر لسمك 3  مم، و25  ميكرومتر لسمك 6  مم.

$${\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}$$

أين:${\displaystyle S=}$سمك الصفيحة الفولاذية بالمليمتر؛${\displaystyle P=}$قوة الليزر بالكيلوواط (بعض قواطع الليزر الجديدة لديها قوة ليزر تبلغ 4  كيلوواط)؛${\displaystyle V=}$سرعة القطع بالأمتار في الدقيقة. ^{[ 18 ]}

تتميز هذه العملية بقدرتها على تحقيق دقة عالية جدًا ، تصل غالبًا إلى 0.001  بوصة (0.025  مم). وتعتمد دقة القياس بشكل كبير على هندسة القطعة وسلامة الماكينة الميكانيكية. ويتراوح تشطيب السطح الناتج عن القطع بشعاع الليزر عادةً بين 125 و250 ميكروبوصة (0.003  مم إلى 0.006  مم). ^{[ 15 ]}

توجد عمومًا ثلاثة أنواع مختلفة من آلات القطع بالليزر الصناعية: آلات القطع بالمواد المتحركة، والآلات الهجينة، وآلات القطع ذات البصريات المتحركة. تشير هذه الأنواع إلى طريقة تحريك شعاع الليزر فوق المادة المراد قطعها أو معالجتها. في جميع هذه الأنواع، يُشار عادةً إلى محاور الحركة بالمحورين X وY. أما إذا كان بالإمكان التحكم في رأس القطع، فيُشار إليه بالمحور Z.

تتميز ليزرات المواد المتحركة برأس قطع ثابت، حيث تقوم بتحريك المادة أسفله. توفر هذه الطريقة مسافة ثابتة بين مولد الليزر وقطعة العمل، ونقطة واحدة لإزالة مخلفات القطع. تتطلب هذه الطريقة عددًا أقل من العدسات، ولكنها تتطلب تحريك قطعة العمل. عادةً ما يكون هذا النوع من الآلات الأقل عددًا من عدسات توصيل الشعاع، ولكنه أيضًا الأبطأ.

توفر الليزرات الهجينة طاولة تتحرك على محور واحد (عادةً المحور X) ورأسًا يتحرك على طول المحور الأقصر (Y). ينتج عن ذلك مسار توصيل شعاع أكثر ثباتًا من آلة البصريات المتحركة، وقد يسمح بنظام توصيل شعاع أبسط. وهذا بدوره يقلل من فقد الطاقة في نظام التوصيل ويزيد من كفاءة الطاقة لكل واط مقارنةً بآلات البصريات المتحركة.

تتميز ليزرات البصريات الطائرة بطاولة ثابتة ورأس قطع (مزود بشعاع ليزر) يتحرك فوق قطعة العمل في البعدين الأفقيين. تحافظ قواطع البصريات الطائرة على ثبات قطعة العمل أثناء المعالجة، وغالبًا لا تتطلب تثبيت المادة. الكتلة المتحركة ثابتة، لذا لا تتأثر الديناميكيات بتغير حجم قطعة العمل. تُعد آلات البصريات الطائرة الأسرع، وهو ما يُعد ميزة عند قطع قطع العمل الرقيقة. ^{[ 19 ]}

يجب أن تستخدم الآلات البصرية الطائرة طريقة ما لمراعاة تغير طول الشعاع من القطع القريب (بالقرب من الرنان) إلى القطع البعيد (بعيدًا عن الرنان). تشمل الطرق الشائعة للتحكم في ذلك التجميع، والبصريات التكيفية، أو استخدام محور طول شعاع ثابت.

تتيح آلات الخمسة والستة محاور أيضًا قطع قطع العمل المشكلة. بالإضافة إلى ذلك، توجد طرق متنوعة لتوجيه شعاع الليزر نحو قطعة العمل المشكلة، مع الحفاظ على مسافة تركيز مناسبة ومسافة فاصلة بين الفوهة والسطح.

يُعدّ استهلاك الطاقة العالي عاملاً مهماً في القطع بالليزر. كما تختلف كفاءة الليزر باختلاف التقنية والمادة المراد قطعها، حيث تتراوح كفاءة ليزر ثاني أكسيد الكربون _بين 5 و10%، وليزر الألياف بين 20 و30%، وليزر الصمام الثنائي المباشر بين 30 و40% عند قطع الصفائح المعدنية. ^{[ 21 ]}

يختلف استهلاك الطاقة وكفاءة أي ليزر باختلاف طاقة الخرج ومعايير التشغيل. ويعتمد ذلك على نوع الليزر ومدى ملاءمته للعمل المطلوب. وتعتمد كمية طاقة القطع بالليزر المطلوبة، والمعروفة باسم مدخلات الحرارة ، لعملية معينة على نوع المادة وسماكتها والعملية المستخدمة (تفاعلية/خاملة) ومعدل القطع المطلوب.

يُحدَّد معدل القطع الأقصى (معدل الإنتاج) بعدة عوامل، منها قدرة الليزر، وسُمك المادة، ونوع العملية (تفاعلية أو خاملة)، وخصائص المادة.  تقطع الأنظمة الصناعية الشائعة (≥1 كيلوواط) الفولاذ الكربوني بسُمك يتراوح بين 0.51 و13 مم . في كثير من الأحيان، يكون الليزر أسرع بثلاثين مرة من النشر التقليدي. ^{[ 23 ]}

• برومبيرغ، جوان ليزا (1991). الليزر في أمريكا، 1950-1970 . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-02318-4.
• أوبيرغ، إريك؛ جونز، فرانكلين د. (2004). دليل الآلات: كتاب مرجعي للمهندس الميكانيكي، والمصمم، ومهندس التصنيع، والرسام، وصانع الأدوات، وفني التشغيل . دار النشر الصناعية. ISBN 978-0-8311-2700-8.
• تود، روبرت هـ.؛ ألين، ديل ك.؛ ألتينغ، ليو (1994). دليل مرجعي لعمليات التصنيع . دار النشر الصناعية. رقم ISBN 978-0-8311-3049-7.