I. مقدمة
في الصناعة التحويلية الحديثة المتنوعة والمتطورة، تلعب تكنولوجيا القطع بالليزر دورًا لا غنى عنه في مختلف الصناعات نظرًا لمزاياها المميزة وقدرتها على التكيف على نطاق واسع.
سواءً لتصنيع الهياكل المعقدة في صناعة الطيران والفضاء أو القطع الإبداعي للرسومات في صناعة الديكور الإعلاني، أو المعالجة الدقيقة لقطع الغيار في صناعة السيارات، أو حتى تصنيع الأجزاء الدقيقة لصناعة الإلكترونيات, ماكينات القطع بالليزر يمكن أن يحقق الاستخدام الفعال والإبداع الفني للمواد بدقة عالية وسرعة عالية وتصميم مرن.
ومع ذلك، هناك مشكلة أساسية في ماكينات القطع بالليزر تثير انتباه الناس على الرغم من انتشار تطبيقها على نطاق واسع: هل يمكن لآلات القطع بالليزر أن تقطع المعادن؟ الإجابة هي نعم؛ وهذه الخاصية هي العامل الأساسي للتميز في العديد من الصناعات.
لا يمكن لتكنولوجيا القطع بالليزر التعامل مع مجموعة متنوعة من المواد المعدنية فحسب، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني والألومنيوم والنحاس، بل يمكنها أيضًا تجنب الضغط الميكانيكي على قطعة العمل مع الحفاظ على دقة القطع العالية للغاية بسبب خصائص التصنيع غير التلامسية، وبالتالي تحسين الجودة والعمر الافتراضي بشكل كبير.
في الوقت نفسه، تلعب تقنية القطع بالليزر دورًا متزايد الأهمية في صناعة معالجة المعادن نظرًا لسرعتها السريعة ومساحة تأثيرها الحراري الصغيرة وخصائص القطع السلس والمسطح.
سوف يتطرق مرورنا إلى كيفية قيام تقنية القطع بالليزر بقطع أنواع مختلفة من المعادن بكفاءة عالية ودقة عالية، ومزايا هذه التقنية واتجاهاتها المستقبلية في تصنيع المعادن.
II. فهم تقنية القطع بالليزر
تعريف وتاريخ موجز للقطع بالليزر
إن تقنية القطع بالليزر هي تقنية تستخدم شعاع ليزر عالي الكثافة من الطاقة لإشعاع المواد موضعياً، مما يجعل المنطقة المشععة تذوب أو تتبخر أو تصل إلى نقطة الاشتعال بسرعة، مما يحقق تقنية القطع الدقيق.
يعود تاريخ هذه التقنية إلى أواخر الستينيات واستخدمت في البداية في مجالات البحث العلمي.
مع تطور تكنولوجيا الليزر وانخفاض التكلفة، يتم استخدام القطع بالليزر تدريجيًا في الإنتاج الصناعي، ويتم تطبيقه على نطاق واسع في تصنيع الصفائح المعدنية وتصنيع السيارات والفضاء والآلات الدقيقة وغيرها من الصناعات.
أنواع أشعة الليزر المستخدمة في قطع المعادن
هناك ثلاثة أنواع ليزر رئيسية في قطع المعادن:
أشعة ليزر CO₂: ليزر ثاني أكسيد الكربون هو أكثر معدات القطع بالليزر شيوعًا وأوسعها استخدامًا في السوق. يستخدم خليط غاز ثاني أكسيد الكربون كمادة عاملة ويولد أشعة ليزر ثابتة ونبضية. إنه يتميز بقوة عالية وجودة شعاع ليزر جيدة وسرعة قطع سريعة، وهو مناسب لمعظم قطع المعادن والمواد اللافلزية.
ليزر الألياف:: تم تطوير ليزر الألياف بسرعة واستخدامه على نطاق واسع في بضع سنوات بسبب هيكله المحكم وكفاءته العالية وتكلفة صيانته المنخفضة. ويتمثل مبدأ عملها في استخدام الألياف المخدرة بعناصر أرضية نادرة كوسيط كسب، ويكون الطول الموجي لليزر المتولد أقصر بكثير، وهو أكثر ملاءمة لقطع المواد المعدنية. يكون تأثير القطع جيدًا بشكل خاص على المواد المعدنية العاكسة للغاية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني والألومنيوم.
ليزر YAG الصلب: تحظى أشعة الليزر الصلبة YAG بالتقدير في مجالات محددة بسبب ثباتها ومتانتها العالية. وهو يعتمد على الكريستال كوسيط ليزر ويولد ليزر يمكنه إنتاج أطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء، وهو مناسب لقطع الصفائح المعدنية الرقيقة والمواد اللافلزية. على الرغم من أن طاقته أقل من ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الألياف، إلا أنه لا يزال يبرز في بعض تطبيقات قطع المعادن الدقيقة وعالية الدقة.
ثالثاً ميكانيكا قطع المعادن بالليزر
بادئ ذي بدء، من الأهمية بمكان فهم مبدأ العمل الأساسي للقطع بالليزر. إن المكون الأساسي لآلة القطع بالليزر هو مولد الليزر، الذي يمكنه إنتاج شعاع أحادي اللون عالي التركيز، أي الليزر.
ويتميز هذا الليزر بكثافة طاقة عالية للغاية ويمكن تركيزه بواسطة النظام البصري في بقعة دقيقة للغاية بقطر يتراوح بين عشرات ومئات الميكرونات فقط، مما يجعل الطاقة لكل وحدة مساحة مركزة للغاية.
عندما يصطدم شعاع الليزر عالي الكثافة بسطح معدني، يتولد نوعان من التأثيرات الفيزيائية الرئيسية: الامتصاص والانعكاس.
أما بالنسبة إلى الليزر ذي الطول الموجي المحدد، فإن المادة المعدنية ستمتص أجزاء من طاقة الليزر، وستتحول هذه الأجزاء من الطاقة بسرعة إلى طاقة حرارية، مما يجعل درجة حرارة منطقة محلية من المعدن ترتفع بشدة في فترة قصيرة، لتصل إلى نقطة الانصهار أو حتى نقطة الغليان.
وفي الوقت نفسه، قد تنعكس أو تتشتت طاقة الليزر المتبقية غير الممتصة.
بمجرد أن تصل أجزاء المادة المعدنية إلى حالة الذوبان أو التبخير، يتحرك رأس القطع بالليزر بسرعة محددة مسبقًا، ويوجه شعاع الليزر على طول مسار مصمم، وبالتالي تحقيق القطع الدقيق نحو المادة المعدنية.
ونظرًا لأن طاقة شعاع الليزر عالية التركيز وسرعة النقل سريعة، فإن معظم الحرارة المتولدة أثناء عملية القطع تقتصر فقط على منطقة صغيرة، مما يضمن عدم تأثر المواد المحيطة بالحرارة، ويضمن جودة ودقة حافة القطع.
إلى جانب ذلك، عند قطع الصفائح المعدنية السميكة، عادةً ما يتم المساعدة في ذلك عن طريق الحقن بغاز عالي الضغط (مثل الأكسجين والنيتروجين وغيرها).
فمن ناحية، يمكن لهذه الغازات أن تتخلص من الخبث الناتج أثناء عملية القطع وتحافظ على نظافة فوهة القطع.
من ناحية أخرى، يمكن أن يعمل O2 كمسرع احتراق لتسريع تفاعلات أكسدة المعادن، مما يزيد من سرعة القطع وكفاءته.
IV. قواطع الليزر والمعادن
أنواع المعادن المناسبة للقطع بالليزر
يمكن استخدام تقنية القطع بالليزر لقطع أنواع مختلفة من المواد المعدنية، بما في ذلك الفولاذ الكربوني والفولاذ السيليكوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم.
هذه المواد لها متطلبات مختلفة لماكينات القطع بالليزر. على سبيل المثال، يمكن لماكينة القطع بالليزر CO₂ قطع الفولاذ الكربوني في حدود 20 مم، والفولاذ المقاوم للصدأ في حدود 10 مم، وسبائك الألومنيوم في حدود 8 مم.
وهذا يثبت أنه من المحوري جدًا اختيار آلات القطع بالليزر المناسبة لتحقيق قطع المعادن بجودة عالية.
العوامل المؤثرة في قطع المعادن بالليزر
سُمك المعدن: سمك الصفائح المعدنية هو العامل الرئيسي في تحديد كفاءة وجودة القطع بالليزر. فالمواد المعدنية الرقيقة أسهل في اختراقها وقطعها بسرعة بالليزر، وكلما زادت سماكتها قد تحتاج إلى طاقة ليزر أعلى وسرعة قطع أبطأ لضمان جودة القطع.
احتياجات طاقة الليزر:: المواد والسماكات المعدنية المختلفة لها متطلبات مختلفة لطاقة الليزر. يمكن أن تؤدي طاقة الليزر الأعلى إلى إذابة قطعة العمل بسرعة وتفجير المواد المنصهرة بفعالية بالغاز الإضافي. لا يرتبط اختيار طاقة الليزر المناسبة بكفاءة القطع فحسب، بل يؤثر أيضًا بشكل مباشر على تكاليف التصنيع وجودة قطعة العمل.
دور نوع الليزر في قطع المعادن بالليزر
إن ليزر CO₂ مناسب لقطع المواد اللافلزية والمعدنية ضمن نطاق معين بسبب خصائص الطول الموجي الطويل. وتظهر آلة القطع بالليزر CO₂ CO₂ قدرة جيدة على التكيف مع الفولاذ الكربوني المتوسط والسميك والفولاذ المقاوم للصدأ.
ومع ذلك، مع تقدم تكنولوجيا ألياف الليزر الليزر، خاصة لتحسين تطبيقات قطع المعادن، أصبحت مزايا آلات القطع بالليزر الليفي بارزة بشكل متزايد.
نظرًا لسهولة امتصاص شعاع الضوء الطويل الموجي القصير الموجة الناتج عن ليزر الألياف الضوئية بواسطة المعدن، فإنه يمكن أن يُظهر كفاءة تحويل كهروضوئية أعلى، وتكلفة تشغيل أقل وخصائص قطع أكثر استقرارًا عند قطع المعادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني وسبائك الألومنيوم.
إلى جانب ذلك، تتميز أجهزة الليزر الليفي بهياكل محكمة وصيانة بسيطة، مما يجعلها المعدات السائدة في مجال قطع المعادن الحديثة.
وبشكل عام، لاختيار أي نوع من آلات القطع بالليزر وأنواع المعادن والسماكة التي يجب أخذها في الاعتبار، سيتم إجراء تقييم شامل وفقًا لاحتياجات الإنتاج الفعلية والفوائد الاقتصادية واتجاهات التطور التكنولوجي المستقبلية.
حدود السُمك: ما مدى السُمك الذي يمكن أن تصل إليه قواطع الليزر؟
ماكينة القطع بالليزر CO₂ CO₂:
أما بالنسبة للصلب الطري، فيمكن لماكينات القطع بالليزر CO₂ ذات المستوى الصناعي التعامل مع ألواح أكثر سمكًا تتراوح سماكة من 0.5 مم إلى 25 مم، ويمكن أن تصل معدات القطع بالليزر عالية الطاقة إلى 30 مم.
أما بالنسبة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم، فنظرًا لاختلاف كفاءة امتصاص طاقة الليزر، فإن السماكة التي يمكن قطعها أصغر من سماكة الفولاذ الطري تحت نفس الطاقة، حوالي 0.5 مم إلى 20 مم.
ماكينة القطع بالليزر الليفي:
تتميز ماكينات القطع بليزر الألياف بمزايا بارزة عند قطع الصفائح المعدنية الرقيقة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني وسبائك الألومنيوم بسبب كفاءة التحويل الكهروضوئية الأعلى وجودة الشعاع الأكثر تركيزًا.
أما بالنسبة للصفائح المعدنية الرقيقة (مثل 0.5 مم إلى 40 مم)، فإن ماكينة القطع بليزر الألياف تعرض تأثيرات قطع ممتازة ودقة عالية.
مع تحسين الطاقة، يمكن لأجزاء ماكينات القطع بالليزر الليفي المتطورة قطع الصفائح المعدنية حتى 80 مم إلى 100 مم.
ومع ذلك، في التطبيق الفعلي، ترتبط سماكة القطع المحددة بالعديد من العوامل مثل سرعة المعالجة ومتطلبات الدقة وجودة القطع والاقتصاد.
إلى جانب ذلك، كما هو الحال بالنسبة للمواد المعدنية السميكة جدًا، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى عمليات متعددة الممرات أو مركبة للقطع.
V. مزايا استخدام قواطع الليزر للمعادن
الدقة والدقة
تكمن المزايا الأساسية لتقنية القطع بالليزر في دقتها ودقتها الاستثنائية. حيث يمكن تركيز أشعة الليزر في بقع صغيرة، والتحرك بدقة على طول مسار محدد مسبقًا، مما يحقق قطعًا دقيقًا على مستوى الميكرون.
تضمن هذه الدقة العالية اتساق حجم الأجزاء والتحكم الصارم في التفاوتات المسموح بها، وهي مناسبة بشكل خاص لإنتاج مكونات دقيقة وأنماط معقدة.
والأكثر من ذلك، وبسبب المعالجة غير التلامسية للقطع بالليزر، فإنه يتجنب التشوه والإجهاد الناجم عن القطع الميكانيكي التقليدي، مما يزيد من تحسين جودة قطعة العمل.
سرعة المعالجة
بالمقارنة مع طرق قطع المعادن التقليدية (مثل الختم أو القطع بالبلازما أو القطع بنفث الماء)، يبدو أن سرعة القطع بالليزر تتحسن.
يتميز القطع بالليزر بالثبات والسرعة، دون الحاجة إلى استبدال الأدوات وتعديل المعدات، مما يقلل من فترة دورة الإنتاج بشكل كبير.
يمكن لماكينات القطع بالليزر أن تعمل بثبات وباستمرار وبمعدل سرعة عالية، خاصة في عمليات الإنتاج على نطاق واسع وعمليات خطوط التجميع، مما يحسن كفاءة الإنتاج بشكل كبير.
التنوع والقدرة على التكيف مع المواد والشكل
تتميز ماكينات القطع بالليزر بمجموعة جيدة من تطبيقات المواد، والتي يمكنها قطع مختلف المواد المعدنية بكفاءة بما في ذلك الفولاذ الطري والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والنحاس وحتى السبائك والمعادن الخاصة.
في الوقت نفسه، لا يقتصر القطع بالليزر على تعقيد الأنماط، سواء للقطع المستقيم البسيط، أو المخطط المنحني المعقد، حتى الأجزاء ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد، يمكن أن تنتهي بسهولة.
وهذا يمنح المصممين مزيدًا من الحرية والمساحة الإبداعية في تصميم المنتجات، مما يعزز التصنيع للانتقال إلى مستوى أعلى من التطوير الشخصي والمخصص.
سادسًا. اعتبارات عند قطع المعادن بالليزر
اعتبارات خصائص المواد: الانعكاسية والتوصيل الحراري
الانعكاسية: أنواع مختلفة من المعادن لها قدرات امتصاص مختلفة لشعاع الليزر. على سبيل المثال، المواد المعدنية عالية الانعكاسية مثل الألومنيوم والنحاس، يتم تشعيعها بالليزر، وسينعكس جزء من الطاقة بدلاً من امتصاصها وتحويلها إلى حرارة، مما قد يؤثر على سرعة وتأثير ذوبان المعدن أو تبخره. ولذلك، عند التعامل مع هذا النوع من المعادن، ستكون هناك حاجة إلى ليزر بمعدل طاقة أعلى أو غاز مساعد خاص ونظام بصري لتقوية معدل امتصاص الليزر.
التوصيل الحراري: يحدد معدل التوصيل الحراري للمعدن سرعة انتقال الحرارة عند تسخينه. ستنتشر حرارة المعدن عالي التوصيل الحراري مثل الألومنيوم بسرعة إلى المنطقة المحيطة، مما يقلل من كثافة الطاقة في نقطة تركيز الليزر. قد يحتاج ذلك إلى ضبط معلمات الليزر للحفاظ على تراكم حرارة موضعي كافٍ للقطع الفعال.
على العكس من ذلك، بالنسبة للمعادن ذات الموصلية الحرارية المنخفضة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، من الأسهل تحقيق قطع عالي الكفاءة لأن الحرارة أقل عرضة للانتشار.
تأثير قوة الليزر وسرعة القطع بالليزر
طاقة الليزر: تؤثر طاقة الليزر بشكل مباشر على سرعة القطع وعمقه. الطاقة الأعلى ستذيب الشُّغْلَة بشكل أسرع وتقطع الشُّغْلَة بسلاسة أكبر. ومع ذلك، قد تؤدي الطاقة الأعلى إلى الإفراط في إذابة قطع العمل أو تشويهها. وبالتالي، فإن اختيار طاقة الليزر المناسبة أكثر أهمية.
سرعة القطع:: تتفاعل سرعة القطع مع طاقة الليزر، وتحدد بشكل متبادل جودة القطع النهائي وتأثيراته. يمكن أن يؤدي تحسين سرعة القطع بشكل صحيح إلى تقليل مدخلات الحرارة، والمنطقة المتأثرة بالحرارة، وبالتالي الحصول على جودة أفضل لحافة القطع. ومع ذلك، قد يؤدي التحرك بسرعة كبيرة إلى قطع غير مكتمل أو فشل في اختراق المادة. يمكن أن يؤدي العثور على أفضل تطابق بين معدل الطاقة وسرعة القطع إلى تحقيق تأثير القطع الأمثل، وضمان كفاءة الإنتاجية.
سابعاً. الخاتمة
تذكر مرورنا، سواء للقطع الدقيق بأنواع مختلفة من المعادن (مثل الفولاذ الطري والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم)، أو التحكم الدقيق في سماكة المعدن وانعكاسيته وتوصيله الحراري، فقد أظهرت تقنية القطع بالليزر خصائصها الاستثنائية.
وفي الوقت نفسه، مع التقدم المستمر في طاقة الليزر، وتطوير التكنولوجيا المتقدمة مثل القطع بالليزر الليفي، تم تعزيز القدرة على التعامل مع المواد المعدنية السميكة أو التي يصعب قطعها باستمرار.
من القطع البسيط ثنائي الأبعاد البسيط إلى التشكيل المعقد ثلاثي الأبعاد، ومن إنتاج المعايير على نطاق واسع إلى التصميم المخصص حسب الطلب، ستدفع تقنية القطع بالليزر عملية تصنيع المعادن بأكملها إلى الأمام، مما يعزز دورها في الكفاءة الحديثة والتكنولوجيا الدقيقة.
تقدم لك شركة ADH Machine Tool، الشركة الرائدة في تصنيع وتصدير ماكينات القطع بالليزر، ومكابح الضغط، وماكينات القص، إمكانيات لا حصر لها. مرحبًا بكم في تصفح موقعنا الإلكتروني الرسمي أو اتصل بمندوب المبيعات لدينا
