برش لیزری یک فناوری ساخت پیشرفته است که از پرتوهای لیزر با چگالی بالا-در ارتباط با تجهیزات CNC برای انجام پردازش مواد غیر تماسی استفاده میکند. ریشههای این فناوری به سال 1965 بازمیگردد، زمانی که اولین دستگاه برش لیزری برای حفاری قالب الماس به کار رفت، و بریتانیا به اولین برش لیزری{5}}به کمک اکسیژن فلزات در سال 1967 دست یافت. در طول دهه 1970، فناوری برش لیزری شروع به نفوذ به بخش گستردهای از CO2 کرد. در دهه 1980، به تدریج جایگزین فرآیندهای برش پلاسما معمولی شد.
به عنوان یک روش برش حرارتی، برش لیزری با کیفیت برش برتر، راندمان بالا، و انعطاف پذیری استثنایی متمایز می شود، که تولید را از کارهای سفارشی تک واحدی تا تولید با حجم بالا ممکن می کند.
اصول عملیاتی
1.1 تولید لیزر و ویژگی های پرتو
لیزر (تقویت نور با انتشار تشعشع تحریک شده) یک پرتو منسجم و تک رنگ از طریق انتشار تحریک شده تولید می کند. یک سیستم لیزری از سه جزء اساسی تشکیل شده است: یک محیط فعال (جامد، مایع یا گاز)، یک منبع انرژی (مکانیسم پمپاژ)، و یک تشدید کننده نوری. هنگامی که محیط فعال انرژی می گیرد، فوتون ساطع می کند. تشدیدگر این فوتونها را به جلو و عقب در محیط منعکس میکند و امواج نور را تقویت و تراز میکند تا در نهایت یک پرتو لیزر با چگالی-بالا- تولید کند.
پرتوهای لیزر در چندین جنبه مهم با نور معمولی متفاوت هستند: شدت بالا، محدوده فرکانس بسیار باریک (تک رنگ)، همخوانی تیز، و پیوستگی بالا.
1.2 مکانیسم برش فیزیکی
فرآیند برش لیزری شامل دو عملیات همزمان است:
گرمایش مواد و تبدیل فاز: یک پرتو لیزر متمرکز و با چگالی بالا- سطح قطعه کار را تابش میکند و باعث میشود که منطقه تحت تابش افزایش سریع دما، ذوب شدن سریع، تبخیر شدن، فرسایش یا مشتعل شدن مواد را تجربه کند.
خروج مذاب: یک گاز کمکی با سرعت بالا، هم محور با پرتو، مواد مذاب را از روی پوسته می دمد و به جداسازی مواد می رسد. این جریان گاز به طور همزمان از اپتیک فوکوس کننده در برابر آلودگی بخار و پاشش محافظت می کند.
1.3 پارامترهای دقیق و فرآیند
برش لیزری به دقت ابعادی 0.05± میلیمتر، عرض دهانه 0.10 تا 0.20 میلیمتر و زبری سطح در حدود دهها میکرون دست مییابد. پارامترهای کلیدی موثر بر کیفیت برش عبارتند از:
توان لیزر و چگالی توان: ضخامت مواد قابل دستیابی و سرعت برش را تعیین کنید
موقعیت کانونی پرتو: بر عرض و عمودی پوسته تأثیر می گذارد
نوع و فشار گاز کمکی: کارایی خروج مذاب را دیکته می کند
قطر نازل: معمولاً بین 0.8 میلی متر تا 3 میلی متر است که بر اساس مواد و ضخامت انتخاب می شود.
شایان ذکر است که مواد بسیار بازتابنده مانند مس و آلومینیوم نرخ جذب بسیار پایینی را برای طول موج های لیزر خاص نشان می دهند که چالش های پردازشی قابل توجهی را ارائه می دهد.
طبقه بندی فرآیندهای اولیه و ویژگی های فنی
فرآیندهای برش لیزر بر اساس مکانیسم های حذف مواد به چهار نوع عمده طبقه بندی می شوند:
2.1 برش تبخیر لیزری
یک پرتو لیزر با چگالی-بالا- قطعه کار را گرم میکند و به سرعت به نقطه جوش ماده میرسد و باعث تبخیر مستقیم میشود. خروج بخار با سرعت بالا به طور همزمان سطح را تشکیل میدهد.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
مواد قابل اجرا: فلزات بسیار نازک و مواد غیرفلزی-(کاغذ، پارچه، چوب، پلاستیک، لاستیک و غیره)
ویژگی ها: تقاضای انرژی بالا. مناسب برای کاربردهایی که نیاز به اجتناب از بقایای مذاب دارند
2.2 برش ذوب لیزری
حرارت لیزر مواد را ذوب میکند و یک گاز کمکی غیر اکسیدکننده (Ar، He، N2، و غیره) فلز مذاب را از طریق فشار زیاد بیرون میکشد و به شکل کرف میافتد.
بهره وری انرژی: تنها به 1/10 انرژی برش تبخیر نیاز دارد
مواد قابل اجرا: فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، آلومینیوم و آلیاژهای آنها{0}}مواد مقاوم در برابر اکسیداسیون یا فلزات واکنش پذیر
مزیت فرآیند: لبههای برش بدون اکسید-با کیفیت لبه بالا تولید میکند
2.3 برش لیزری اکسیژن (برش شعله)
مشابه برش اکسی استیلن، این فرآیند از لیزر به عنوان منبع گرمای پیش گرمایش و از اکسیژن به عنوان گاز برش استفاده می کند. اکسیژن به صورت گرمازا با فلز واکنش می دهد، در حالی که همزمان اکسیدهای مذاب را خارج می کند.
بهره وری انرژی: تنها به 1/2 انرژی برش ذوب نیاز دارد. سرعت برش به طور قابل توجهی از تبخیر و برش ذوب فراتر می رود
مواد قابل اجرا: فولاد کربن، فولاد تیتانیوم، و-فولادهای عملیات حرارتی-فلزات حساس به اکسیداسیون
محدودیتهای فرآیند: سطح پهنتر، منطقه تحت تأثیر حرارت{0} بزرگتر، حساسیت به سوزش گوشه، و کیفیت لبه نسبتاً پایینتر
2.4 خط زدن لیزر و شکستگی کنترل شده
خط نویسی لیزری از یک لیزر با چگالی{{0}بالا- برای اسکن سطح مواد شکننده، تبخیر یک شیار کم عمق از طریق تبخیر حرارتی و به دنبال آن نیروی مکانیکی برای شکستن مواد در طول شیار استفاده میکند. شکست کنترل شده از گرادیان حرارتی تند ایجاد شده توسط شیار لیزری برای ایجاد تنش حرارتی موضعی در مواد شکننده استفاده می کند و باعث جدایی در طول شیار می شود.
مواد قابل استفاده: سرامیک ها، نیمه هادی ها و سایر مواد شکننده
لیزرهای معمولی: لیزرهای Q{0}}سوئیچ، لیزرهای CO₂
دامنه های کاربردی و ارزش صنعت
فناوری برش لیزری در چندین بخش مهم صنعتی نفوذ کرده است:
ساخت خودرو: فریم های بدنه، اجزای کیسه هوا، پانل های داخلی
هوافضا: اجزای موتور، کانالهای آلیاژ تیتانیوم، سفتکنندههای پوست بدنه
ساخت وسایل الکترونیکی: قطعات میکرو{0}دقیق، بردهای مدار، کانکتورها
تجهیزات پزشکی: استنت های عروق کرونر، ابزار جراحی، دستگاه های میکروفلوئیدیک
ساخت ورق فلزی: به فرآیند غالب تبدیل شده است و جایگزین روش های مرسوم شده است
نتیجه گیری
به عنوان یک فناوری اصلی تولید، برش لیزری از طریق مزایای ترکیبی آن از دقت بالا، راندمان بالا و انعطاف پذیری استثنایی، به ایجاد تحول صنعتی ادامه می دهد. از برش تبخیر تا برش با کمک اکسیژن-و از لیزرهای CO2 گرفته تا لیزرهای فیبر، تکامل تکنولوژیکی مستمر مرزهای کاربرد برش لیزر را گسترش داده است و امکان پردازش با کیفیت بالا و کارآمد را در طیف وسیعتری از مواد و ضخامتها فراهم کرده است.
