القطع بالليزر ونظام المعالجة الخاص به

القطع بالليزرطلب

تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون ذات التدفق المحوري السريع في الغالب لقطع المعادن بالليزر، وذلك لجودة شعاعها العالية. ورغم أن انعكاسية معظم المعادن لأشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون عالية، إلا أن انعكاسية سطح المعدن عند درجة حرارة الغرفة تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة ودرجة الأكسدة. وبمجرد تلف سطح المعدن، تقترب انعكاسيته من 1. ولقطع المعادن بالليزر، يلزم استخدام طاقة متوسطة أعلى، وهذا الشرط لا يتوفر إلا في ليزرات ثاني أكسيد الكربون عالية الطاقة.

1. قطع المواد الفولاذية بالليزر

1.1 القطع بالليزر المستمر CO2 تشمل معلمات العملية الرئيسية للقطع بالليزر المستمر CO2 طاقة الليزر ونوع وضغط الغاز المساعد وسرعة القطع وموضع التركيز وعمق التركيز وارتفاع الفوهة.

(1) قدرة الليزر: تؤثر قدرة الليزر بشكل كبير على سُمك القطع وسرعته وعرض الشق. عند ثبات العوامل الأخرى، تنخفض سرعة القطع مع زيادة سُمك الصفيحة المراد قطعها، وتزداد مع زيادة قدرة الليزر. بعبارة أخرى، كلما زادت قدرة الليزر، زاد سُمك الصفيحة التي يمكن قطعها، وزادت سرعة القطع، وزاد عرض الشق قليلاً.

(2) نوع وضغط الغاز المساعد: عند قطع الفولاذ منخفض الكربون، يُستخدم ثاني أكسيد الكربون كغاز مساعد للاستفادة من حرارة تفاعل احتراق الحديد والأكسجين لتسريع عملية القطع. تتميز هذه العملية بسرعة قطع عالية وجودة قطع ممتازة، وخاصةً إمكانية الحصول على قطع خالٍ من الخبث اللزج. عند قطع الفولاذ المقاوم للصدأ، يُستخدم ثاني أكسيد الكربون أيضًا، ولكن الخبث يلتصق بسهولة بالجزء السفلي من القطع. لذلك، يُستخدم غالبًا مزيج من غاز ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين أو تدفق غاز مزدوج الطبقات. يؤثر ضغط الغاز المساعد بشكل كبير على فعالية القطع. يمكن زيادة سرعة القطع دون تراكم الخبث اللزج عن طريق زيادة زخم تدفق الغاز وتحسين قدرة إزالة الخبث، وذلك بزيادة ضغط الغاز بشكل مناسب. مع ذلك، إذا كان الضغط مرتفعًا جدًا، يصبح سطح القطع خشنًا. يوضح الشكل أدناه تأثير ضغط الأكسجين على متوسط ​​خشونة سطح القطع.

يعتمد ضغط الجسم أيضًا على سُمك الصفيحة. عند قطع الفولاذ منخفض الكربون باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بقوة 1 كيلوواط، تظهر العلاقة بين ضغط الأكسجين وسُمك الصفيحة في الشكل أدناه.

(3) سرعة القطع: تؤثر سرعة القطع بشكل كبير على جودة القطع. في ظل ظروف معينة من طاقة الليزر، توجد قيمتان حرجتان، عليا وسفلى، لسرعة القطع المثلى عند قطع الفولاذ منخفض الكربون. إذا كانت سرعة القطع أعلى أو أقل من القيمة الحرجة، فسيحدث التصاق الخبث. عندما تكون سرعة القطع منخفضة، يمتد زمن تأثير حرارة تفاعل الأكسدة على حافة القطع، مما يزيد من عرض القطع، ويجعل سطح القطع خشنًا. مع زيادة سرعة القطع، يضيق الشق تدريجيًا حتى يصبح عرض الجزء العلوي منه مساويًا لقطر البقعة. عند هذه النقطة، يكون الشق على شكل إسفين، عريضًا من الأعلى وضيقًا من الأسفل. مع استمرار زيادة سرعة القطع، يستمر عرض الجزء العلوي من الشق في التضاؤل، بينما يصبح الجزء السفلي منه أعرض نسبيًا ويتخذ شكل إسفين مقلوب.

(5) عمق التركيز

يؤثر عمق التركيز بشكل ملحوظ على جودة سطح القطع وسرعة القطع. عند قطع ألواح فولاذية كبيرة نسبياً، يُنصح باستخدام عدسة ذات عمق تركيز كبير؛ أما عند قطع ألواح رقيقة، فيُنصح باستخدام عدسة ذات عمق تركيز صغير.

(6) ارتفاع الفوهة

يشير ارتفاع الفوهة إلى المسافة من السطح النهائي لفوهة الغاز المساعد إلى السطح العلوي لقطعة العمل. كلما زاد ارتفاع الفوهة، زادت احتمالية تذبذب زخم تدفق الهواء المساعد المنبعث، مما يؤثر على جودة وسرعة القطع. لذلك، عند استخدام القطع بالليزر، يُقلل ارتفاع الفوهة عادةً إلى الحد الأدنى، ويتراوح عادةً بين 0.5 و2.0 مم.

① جوانب الليزر

أ. زيادة قوة الليزر. يُعد تطوير ليزرات أكثر قوة طريقة مباشرة وفعالة لزيادة سمك القطع.

ب. المعالجة النبضية. تتميز أشعة الليزر النبضية بقدرة ذروة عالية جدًا، ما يسمح لها باختراق ألواح الفولاذ السميكة. وباستخدام تقنية القطع بالليزر النبضي عالي التردد وذو عرض النبضة الضيق، يمكن قطع ألواح الفولاذ السميكة دون زيادة قدرة الليزر، ويكون حجم القطع أصغر من حجم القطع الناتج عن القطع بالليزر المستمر.

ج. استخدام ليزرات جديدة

② النظام البصري

أ. نظام بصري تكيفي. يختلف هذا النظام عن القطع بالليزر التقليدي في أنه لا يتطلب وضع البؤرة أسفل سطح القطع. فعندما يتذبذب موضع البؤرة صعودًا وهبوطًا بضعة ملليمترات على امتداد سُمك الصفيحة الفولاذية، يتغير البعد البؤري في النظام البصري التكيفي تبعًا لتغير موضع البؤرة. ويتزامن هذا التغير في البعد البؤري مع الحركة النسبية بين الليزر وقطعة العمل، مما يؤدي إلى تغير موضع البؤرة صعودًا وهبوطًا على امتداد عمق قطعة العمل. تُنتج عملية القطع هذه، التي يتغير فيها موضع البؤرة تبعًا للظروف الخارجية، قطعًا عالية الجودة. أما عيب هذه الطريقة فهو محدودية عمق القطع، والذي لا يتجاوز عادةً 30 مم.

ب. تقنية القطع ثنائي البؤرة. تُستخدم عدسة خاصة لتركيز الشعاع مرتين على أجزاء مختلفة. كما هو موضح في الشكل 4.58، يُمثل D قطر الجزء المركزي من العدسة، بينما يُمثل قطر الجزء الطرفي منها. يكون نصف قطر انحناء مركز العدسة أكبر من نصف قطر المنطقة المحيطة، مما يُشكل بؤرة مزدوجة. أثناء عملية القطع، تقع البؤرة العلوية على السطح العلوي لقطعة العمل، بينما تقع البؤرة السفلية بالقرب من سطحها السفلي. تتميز تقنية القطع بالليزر ثنائية البؤرة هذه بالعديد من المزايا. ففي قطع الفولاذ الطري، لا تقتصر هذه التقنية على الحفاظ على شعاع ليزر عالي الكثافة على السطح العلوي للمعدن لتلبية شروط اشتعال المادة فحسب، بل تُحافظ أيضًا على شعاع ليزر عالي الكثافة بالقرب من السطح السفلي للمعدن لتلبية متطلبات إنتاج قطع نظيفة عبر كامل نطاق سُمك المادة. تُوسع هذه التقنية نطاق المعايير اللازمة للحصول على قطع عالية الجودة. على سبيل المثال، باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرة 3 كيلوواط. باستخدام الليزر، يمكن أن يصل سمك القطع التقليدي إلى 15-20 مم فقط، بينما يمكن أن يصل سمك القطع باستخدام تقنية القطع ثنائية التركيز إلى 30-40 مم.

③ الفوهة وتدفق الهواء المساعد

صُممت الفوهة بشكل مدروس لتحسين خصائص مجال تدفق الهواء. يتقلص قطر الجدار الداخلي للفوهة فوق الصوتية ثم يتمدد، مما يُولد تدفق هواء فوق صوتي عند المخرج. يمكن أن يكون ضغط إمداد الهواء مرتفعًا جدًا دون توليد موجات صدمية. عند استخدام فوهة فوق صوتية للقطع بالليزر، تكون جودة القطع مثالية. نظرًا لأن ضغط القطع للفوهة فوق الصوتية على سطح قطعة العمل يكون مستقرًا نسبيًا، فهي مناسبة بشكل خاص للقطع بالليزر للصفائح الفولاذية السميكة.