أساسيات القطع بالليزر ونظام المعالجة الخاص به —معدات القطع بالليزر

ثانيًا: مكونات معدات القطع بالليزر

2.1 مكونات ومبدأ عمل ماكينة القطع بالليزر

تتكون آلة القطع بالليزر من باعث ليزر، ورأس قطع، ومجموعة نقل شعاع، وطاولة عمل آلة القطع، ونظام تحكم رقمي (NC)، وجهاز كمبيوتر (أجهزة وبرامج)، ومبرد، وأسطوانة غاز واقية، وجامع غبار، ومجفف هواء.

مولد ليزر

مولد الليزر هو جهاز يُنتج مصادر ضوء الليزر. في تطبيقات القطع بالليزر، تعتمد معظم الآلات على ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يتميز بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية وقدرة خرج عالية، باستثناء حالات قليلة تُستخدم فيها ليزرات الحالة الصلبة YAG. ليست كل أنواع الليزر مناسبة للقطع، إذ يفرض القطع بالليزر متطلبات صارمة على جودة الشعاع.
رأس القطع

يتكون بشكل أساسي من مكونات مثل الفوهة وعدسة التركيز ونظام تتبع التركيز.

يُستخدم جهاز تحريك رأس القطع لتحريك رأس القطع على طول المحور Z وفقًا لبرامج مُعدة مسبقًا. ويتكون من محرك سيرفو وأجزاء نقل الحركة مثل براغي التوجيه أو التروس.

(1) الفوهة: هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الفوهات: النوع المتوازي، والنوع المتقارب، والنوع المخروطي.

(2) عدسة التركيز: لإجراء القطع باستخدام طاقة شعاع الليزر، يجب تركيز الشعاع الأصلي المنبعث من الليزر من خلال عدسة لتشكيل بقعة ضوئية ذات كثافة طاقة عالية. العدسات ذات البعد البؤري المتوسط والطويل مناسبة لقطع الصفائح السميكة، وتتميز بمتطلبات أقل فيما يتعلق بثبات تباعد نظام التتبع. أما العدسات ذات البعد البؤري القصير فهي مناسبة فقط لقطع الصفائح الرقيقة التي يقل سمكها عن 3 مم؛ وتتطلب ثباتًا عاليًا في تباعد نظام التتبع، ولكنها قادرة على تقليل طاقة خرج الليزر المطلوبة بشكل ملحوظ.

(3) نظام التتبع: يتكون نظام تتبع التركيز في آلة القطع بالليزر عمومًا من رأس قطع مركزي ونظام استشعار للتتبع. يدمج رأس القطع وظائف توجيه الشعاع وتركيزه، والتبريد المائي، ونفخ الغاز، والضبط الميكانيكي.

يتكون المستشعر من عناصر استشعار ووحدة تحكم في التضخيم. وتختلف أنظمة التتبع اختلافًا جذريًا باختلاف نوع عناصر الاستشعار. يوجد نوعان رئيسيان: الأول هو نظام التتبع باستخدام مستشعر سعوي، ويُعرف أيضًا بنظام التتبع غير التلامسي؛ والآخر هو نظام التتبع باستخدام مستشعر حثي، ويُعرف أيضًا بنظام التتبع التلامسي.
مجموعة نقل الشعاع

المسار البصري الخارجي: تُستخدم المرايا العاكسة لتوجيه شعاع الليزر في الاتجاه المطلوب. ولمنع حدوث أي أعطال في مسار الشعاع، تُغطى جميع المرايا العاكسة بدروع واقية، ويُضخ غاز واقٍ نظيف ذو ضغط موجب للحفاظ على المرايا خالية من التلوث. تستطيع عدسة عالية الأداء تركيز شعاع غير متباعد في بقعة متناهية الصغر. تُستخدم عادةً عدسة ببعد بؤري 5 بوصات، بينما تُستخدم عدسة ببعد بؤري 7.5 بوصة فقط لقطع المواد التي يزيد سمكها عن 12 مم.
طاولة عمل آلة الأدوات

جسم الآلة الرئيسي: قسم أدوات الآلةآلة قطع بالليزروهو الجزء الميكانيكي الذي يحقق حركة المحاور X و Y و Z، بما في ذلك منصة عمل القطع.
نظام التحكم العددي

يتحكم نظام التحكم العددي في آلة التشغيل لتحقيق حركات المحاور X و Y و Z وينظم طاقة خرج الليزر في نفس الوقت.
نظام التبريد

وحدة التبريد: تُستخدم لتبريد مولد الليزر. الليزر جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. على سبيل المثال، تبلغ كفاءة تحويل الطاقة في ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون عادةً 20%، حيث تتحول الطاقة المتبقية إلى حرارة. يعمل ماء التبريد على إزالة الحرارة الزائدة للحفاظ على التشغيل الطبيعي لمولد الليزر. كما تعمل وحدة التبريد على تبريد مرايا المسار البصري الخارجي وعدسات التركيز في آلة التشغيل، مما يضمن جودة نقل شعاع مستقرة ويمنع بشكل فعال تشوه العدسات أو تشققها نتيجة ارتفاع درجة الحرارة.
أسطوانات الغاز

تشمل أسطوانات الغاز أسطوانات وسيط التشغيل وأسطوانات الغاز المساعدة لآلة القطع بالليزر، والتي تستخدم لتكملة الغازات الصناعية لتذبذب الليزر وتزويد رأس القطع بالغازات المساعدة.
أنظمة إزالة الغبار

يقوم الجهاز باستخلاص الدخان والغبار الناتج أثناء المعالجة، ويجري عملية ترشيح لضمان أن انبعاثات غازات العادم تفي بمعايير حماية البيئة.
مجفف ومُرشِّح تبريد الهواء

فهو يوفر هواءً نظيفًا وجافًا لمولد الليزر ومسار الشعاع، مما يحافظ على التشغيل الطبيعي لمسار الشعاع والمرايا العاكسة.

2.2 شعلة القطع للقطع بالليزر

يُظهر الشكل أدناه المخطط الهيكلي لشعلة القطع المستخدمة في القطع بالليزر. تتكون الشعلة بشكل أساسي من جسم الشعلة، وعدسة التركيز، ومرآة عاكسة، وفوهة غاز مساعدة. أثناء عملية القطع بالليزر، يجب أن تستوفي شعلة القطع المتطلبات التالية:

① يمكن للشعلة أن تطلق تدفقًا كافيًا من الغاز.

② يجب أن يكون اتجاه قذف الغاز داخل الشعلة متحد المحور مع المحور البصري للمرآة العاكسة.

③ يمكن تعديل البعد البؤري للمصباح بسهولة.

④ أثناء القطع، يجب ألا تتسبب أبخرة المعدن ورذاذ المعدن المقطوع في إتلاف المرآة العاكسة.

يتم ضبط حركة شعلة القطع بواسطة نظام تحكم رقمي. توجد ثلاثة سيناريوهات للحركة النسبية بين شعلة القطع وقطعة العمل:

① يبقى المصباح ثابتًا بينما تتحرك قطعة العمل عبر طاولة العمل - وهو مناسب بشكل أساسي لقطع العمل صغيرة الحجم.

٢- تبقى قطعة العمل ثابتة بينما يتحرك الموقد.

③ يتحرك كل من المصباح وطاولة العمل في وقت واحد.

2.2.1 رأس القطع

يقع رأس القطع بالليزر في نهاية نظام نقل الشعاع، ويتكون من عدسة تركيز وفوهة قطع.

تُصنّف العدسات المُركّزة بشكل أساسي حسب البُعد البؤري. وتُجهّز معظم معدات القطع بالليزر برؤوس قطع متعددة ذات أطوال بؤرية مختلفة. فعلى سبيل المثال، في القطع بالليزر باستخدام ثاني أكسيد الكربون، تتراوح الأطوال البؤرية الشائعة بين 127 مم (5 بوصات) و190 مم (7.5 بوصات). تُنتج العدسة ذات البُعد البؤري القصير بقعة بؤرية صغيرة وعمقًا بؤريًا قصيرًا، مما يُساعد على تقليل عرض القطع والحصول على قطع أدق. أما العدسة ذات البُعد البؤري الطويل فتُنتج بقعة بؤرية أكبر وعمقًا بؤريًا أطول. وبالمقارنة مع العدسات ذات البُعد البؤري القصير، تُوفّر العدسات ذات البُعد البؤري الطويل شعاعًا مُركّزًا بكثافة طاقة ليزر كافية لمعالجة المواد بالقرب من نقطة التركيز. لذلك، تُستخدم العدسات ذات البُعد البؤري القصير في الغالب للقطع الدقيق للصفائح الرقيقة، بينما تُستخدم العدسات ذات البُعد البؤري الطويل للمواد السميكة للحصول على عمق بؤري مناسب، مما يضمن الحد الأدنى من التباين في قطر البقعة وكثافة طاقة كافية ضمن نطاق سُمك القطع.

تُستخدم العدسات المُركِّزة لتركيز شعاع الليزر المتوازي الساقط على شعلة القطع، مما يُحقق حجم بقعة أصغر وكثافة طاقة أعلى. تُصنع العدسات من مواد قادرة على نقل طول موجة الليزر. يُستخدم الزجاج البصري عادةً في ليزرات الحالة الصلبة، بينما تُستخدم مواد مثل ZnSe وGaAs وGe في ليزرات غاز ثاني أكسيد الكربون (لأن الزجاج العادي غير شفاف لأشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون)، ويُعد ZnSe أكثرها استخدامًا.

في القطع بالليزر، يُفضّل تقليل قطر البؤرة لزيادة كثافة الطاقة وتمكين القطع عالي السرعة. مع ذلك، يؤدي قصر البعد البؤري للعدسة إلى تقليل عمق البؤرة، مما يُصعّب الحصول على سطح قطع عمودي عند قطع الصفائح السميكة. إضافةً إلى ذلك، يُقلّل قصر البعد البؤري المسافة بين العدسة وقطعة العمل، مما يزيد من خطر تلوث العدسة برذاذ المعدن المنصهر أثناء القطع، ويؤثر على التشغيل الطبيعي. لذا، ينبغي تحديد البعد البؤري المناسب بشكل شامل بناءً على عوامل مثل سُمك القطع ومتطلبات جودة القطع.

2.2.2 مرآة عاكسة

تتمثل وظيفة المرآة العاكسة في تغيير اتجاه الشعاع المنبعث من الليزر. بالنسبة لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة، يمكن استخدام مرايا عاكسة مصنوعة من الزجاج البصري. في المقابل، تُصنع المرايا العاكسة في أجهزة قطع الليزر التي تعمل بغاز ثاني أكسيد الكربون عادةً من النحاس أو معادن ذات انعكاسية عالية. ولمنع التلف الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة بسبب إشعاع الليزر أثناء التشغيل، تُبرّد المرايا العاكسة عادةً بالماء.

2.2.3 الفوهة

تُستخدم الفوهة لرش الغاز المساعد في منطقة القطع، ويؤثر تصميمها بشكل ملحوظ على كفاءة وجودة القطع. يوضح الشكل 4.11 أشكال الفوهات الشائعة في القطع بالليزر؛ وتشمل أشكال فتحات الفوهات الأسطوانية والمخروطية والمتقاربة والمتباعدة.

يُحدد اختيار الفوهة عادةً من خلال اختبارات تعتمد على مادة وسمك قطعة العمل، وضغط الغاز المساعد. تعتمد تقنية القطع بالليزر عادةً على فوهات محورية (حيث يكون تدفق الغاز محوريًا مع المحور البصري). إذا لم يكن تدفق الغاز وشعاع الليزر محوريين، فمن المرجح حدوث تناثر مفرط أثناء القطع. يجب أن يكون الجدار الداخلي لفتحة الفوهة أملسًا لضمان تدفق الغاز بسلاسة وتجنب الاضطرابات التي قد تؤثر على جودة القطع. لضمان استقرار القطع، يجب تقليل المسافة بين نهاية الفوهة وسطح قطعة العمل، وتتراوح عادةً بين 0.5 مم و2.0 مم. يجب أن يسمح قطر فتحة الفوهة بمرور شعاع الليزر بسلاسة، مما يمنع الشعاع من ملامسة الجدار الداخلي للفتحة. كلما صغر قطر الفتحة، زادت صعوبة توجيه الشعاع. يوجد نطاق مثالي لأقطار فتحات الفوهات عند ضغط معين للغاز المساعد. إن الفتحة الصغيرة جدًا أو الكبيرة جدًا ستعيق إزالة المنتجات المنصهرة من الشق وتؤثر على سرعة القطع.

يوضح الشكلان 4.12 و4.13 تأثير قطر فتحة الفوهة على سرعة القطع عند ثبات قدرة الليزر وضغط الغاز المساعد. يتضح وجود قطر أمثل لفتحة الفوهة يحقق أقصى سرعة قطع، وتبلغ هذه القيمة المثلى حوالي 1.5 مم، بغض النظر عن استخدام الأكسجين أو الأرجون كغاز مساعد.

أظهرت الاختبارات التي أُجريت على القطع بالليزر للسبائك الصلبة (التي يصعب قطعها) أن قطر فتحة الفوهة الأمثل قريب جدًا من النتائج المذكورة أعلاه، كما هو موضح في الشكل 4.14. يؤثر قطر فتحة الفوهة أيضًا على عرض القطع وعرض المنطقة المتأثرة بالحرارة. وكما هو مبين في الشكل 4.15، مع زيادة قطر فتحة الفوهة، يزداد عرض القطع بينما يضيق عرض المنطقة المتأثرة بالحرارة. والسبب الرئيسي لضيق المنطقة المتأثرة بالحرارة هو زيادة تأثير التبريد الناتج عن تدفق الغاز المساعد على المادة الأساسية في منطقة القطع.

2.3 معايير معدات القطع بالليزر

2.3.1 معدات القطع التي تعمل بالشعلة

في معدات القطع التي تعمل بالشعلة، تُثبّت شعلة القطع على رافعة متحركة وتتحرك أفقيًا على طول محورها (المحور Y). تُحرّك الرافعة الشعلة على طول المحور X، بينما تبقى قطعة العمل مثبتة على طاولة العمل. ولأن الليزر وشعلة القطع مُركّبان بشكل منفصل، فإن خصائص نقل الليزر، والتوازي على طول اتجاه مسح الشعاع، واستقرار المرايا العاكسة تتأثر جميعها أثناء عملية القطع.

تستطيع معدات القطع التي تعمل بالشعلة معالجة قطع العمل كبيرة الحجم. وهي تشغل مساحة أرضية صغيرة نسبيًا لمنطقة إنتاج القطع، ويمكن دمجها بسهولة مع معدات أخرى لتشكيل خط إنتاج. ومع ذلك، فإن دقة تحديد المواقع فيها لا تتجاوز ±0.04 مم.

يوضح الشكل 4.19 البنية النموذجية لمعدات القطع التي تعمل بالشعلة. تُستخدم آلة قطع ليزر ثاني أكسيد الكربون ذات الموجة المستمرة، حيث تبلغ المسافة بين الليزر وشعلة القطع 18 مترًا. ولضمان عدم تداخل تغير قطر الشعاع على طول مسافة الإرسال هذه مع عمليات القطع، يجب تصميم مجموعة مرايا المذبذب بعناية.

تتمثل المعايير الفنية الرئيسية لمعدات القطع التي تعمل بالشعلة فيما يلي:

قدرة خرج الليزر: 1.5 كيلو واط (نمط أحادي)، 3 كيلو واط (أنماط متعددة)
شوط الشعلة: المحور السيني 6.2 متر، المحور الصادي 2.6 متر
سرعة القيادة: 0-10 م/دقيقة (قابلة للتعديل)
شوط الحركة العائمة لمحور Z للشعلة: 150 مم
سرعة ضبط محور Z للشعلة: 300 مم/دقيقة
أقصى حجم للوحة الفولاذية المعالجة: 12 مم × 2400 مم × 6000 مم
نظام التحكم: وضع التحكم الرقمي المتكامل

2.3.2 معدات القطع التي تعمل بطاولة XY

في معدات القطع ذات طاولة XY، تُثبّت شعلة القطع على الإطار، وتُوضع قطعة العمل على طاولة القطع. تتحرك طاولة القطع على طول المحورين X وY وفقًا لأوامر التحكم العددي، بسرعة قابلة للتعديل تتراوح عادةً بين 0 و1 متر/دقيقة أو بين 0 و5 أمتار/دقيقة. ولأن شعلة القطع تبقى ثابتة بالنسبة لقطعة العمل، فإن ذلك يقلل من تأثيرها على محاذاة شعاع الليزر وتمركزه أثناء عملية القطع، مما يضمن أداءً موحدًا ومستقرًا للقطع. عند تجهيزها بطاولة قطع صغيرة الحجم تتميز بدقة ميكانيكية عالية، تحقق الآلة دقة تحديد موضع تبلغ ±0.01 مم.دقة قطع ممتازةمما يجعلها مناسبة بشكل خاص للقطع الدقيق للمكونات الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تتوفر طاولات قطع أكبر بمدى حركة على المحور السيني يتراوح بين 2300 و2400 مم ومدى حركة على المحور الصادي يتراوح بين 1200 و1300 مم لمعالجة قطع العمل كبيرة الحجم.

فيما يلي المعايير الفنية الرئيسية لمعدات القطع التي تعمل بنظام الطاولة XY:

مصدر الليزر: ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون (نوع الأنبوب المستقيم شبه المغلق)
مصدر طاقة الليزر: جهد الدخل 200 فولت تيار متردد؛ جهد الخرج 0-30 كيلو فولت؛ أقصى تيار خرج 100 مللي أمبير
قدرة خرج الليزر: 550 واط
شوط طاولة القطع: المحور السيني 2300 مم، المحور الصادي 1300 مم
سرعة تحريك طاولة القطع (قابلة للتعديل التدريجي): 0.4–5.0 م/دقيقة، 0.2–2.5 م/دقيقة، 0.1–1.3 م/دقيقة، 0.05–0.6 م/دقيقة
شوط الحركة العائمة لمحور Z للشعلة: 180 مم
أقصى حجم للوحة المعالجة: 6 مم × 1300 مم × 2300 مم
نظام التحكم: وضع التحكم العددي (NC)

2.3.3 معدات القطع ذات المحرك المزدوج (الشعلة والطاولة)

يقع تصميم جهاز القطع ثنائي الحركة (الشعلة والطاولة) بين تصميم آلات القطع التي تعمل بالشعلة وتلك التي تعمل بالطاولة ثنائية المحاور (XY). تُثبّت شعلة القطع على جسر وتتحرك أفقيًا على طول عارضة الجسر (المحور Y)، بينما تتحرك طاولة القطع طوليًا. يجمع هذا التصميم الهجين بين مزايا دقة القطع العالية وكفاءة توفير المساحة. بفضل دقة تحديد المواقع التي تبلغ ±0.01 مم ونطاق سرعة قطع قابل للتعديل من 0 إلى 20 مترًا/دقيقة، يُعد هذا الجهاز من أكثر آلات القطع استخدامًا في السوق. توفر الطرازات الأكبر حجمًا من هذه الآلة شوطًا على المحور Y يبلغ 2000 مم وشوطًا على المحور X يبلغ 6000 مم، مما يُمكّن من قطع قطع العمل كبيرة الحجم.

يُثبّت مذبذب الليزر على ذراع الرافعة بجانب شعلة القطع. يوفر هذا التصميم دقة استثنائية عند قطع الثقوب الدائرية. كما تتميز الآلة بكفاءة إنتاجية عالية، إذ يمكنها قطع 46 ثقبًا دائريًا (قطرها 10 مم) في الدقيقة على صفيحة فولاذية بسماكة 1 مم.

2.3.4 معدات القطع المتكاملة

فيآلة قطع متكاملةيُثبّت مصدر الليزر على الإطار ويتحرك معه طوليًا، بينما تُدمج شعلة القطع مع آلية تشغيلها لتتحرك أفقيًا على طول عارضة الإطار. تستخدم الآلة نظام تحكم رقمي لقطع مكونات ذات أشكال متنوعة. وللتعويض عن تغير طول المسار البصري الناتج عن الحركة الأفقية لشعلة القطع، تُجهّز الآلة عادةً بوحدة ضبط طول المسار البصري. تضمن هذه الوحدة شعاع ليزر متجانسًا داخل منطقة القطع، وتحافظ على جودة سطح قطع ثابتة.

تاريخ النشر: 17 ديسمبر 2025