الدليل الشامل لتقنية القطع بالليزر

القطع بالليزر

تستخدم عملية القطع بالليزر شعاع ليزر عالي الطاقة مركز لقطع المواد عن طريق صهرها أو تبخيرها، مما ينتج عنه قطع دقيقة تسبب الحد الأدنى من الضرر لقطعة العمل، مما يدل على تقنية القطع بالليزر المتقدمة.

تقدم شركة Boda خدمات قطع الليزر عالية الجودة للأجزاء الدقيقة، وأجزاء الصفائح المعدنية، كما توفر خدمات القطع للمواد الحساسة للمناطق المتأثرة بالحرارة. وباستخدام تقنيات متطورة، تشمل قطع البلازما، وليزر الألياف، وطرق قطع الليزر بدون تلامس، يمكنك الحصول على أجزاء دقيقة وإنتاجية مثالية مع عرض قطع دقيق وأقل قدر من النتوءات بفضل تقنيات القطع الدقيقة.

مقدمة لتكنولوجيا القطع بالليزر

تستخدم عملية القطع بالليزر شعاعًا ضوئيًا مركزًا بالأشعة تحت الحمراء، يمر عبر مكونات بصرية لإنشاء فصل للمواد من خلال كثافات طاقة تصل إلى 10⁶ واط/سم²، مما يوضح كيفية عمل تقنية القطع بالليزر في كليهما ألياف الليزر مقابل ليزر ثاني أكسيد الكربونيجمع النظام بين التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) لتوجيه المسار لإنتاج أشكال معقدة بعرض شق ضيق يبلغ 0.1 مم وتفاوتات دقيقة تصل إلى ±0.025 مم في التطبيقات الصناعية.

ما هو القطع بالليزر؟

تستخدم تقنية القطع بالليزر شعاع ليزر قوي لتسخين قطع العمل حتى تصل إلى درجة انصهارها أو تبخرها. ويعمل نفاث الغاز المساعد على نفس محور الشعاع لدفع المواد المنصهرة والمتبخرة، مما يُحدث شق القطع.

تبدأ العملية عندما تدخل الفوتونات إلى المادة لتكوين بقع حرارية تُحوّل المادة عبر انتقال طوري. تتم إزالة المادة عبر أربعة أنماط رئيسية: القطع بالانصهار (غاز خامل)، والقطع بالانصهار التفاعلي (أكسجين)، والقطع بالتبخير، والكسر/الاستئصال المُتحكم به للمواد الهشة أو الحساسة للحرارة. يُنتج نظام تركيز الشعاع بقعًا يتراوح قطرها بين 0.1 مم و0.5 مم، مما يُولّد كثافة طاقة كافية لإحداث تبخير فوري أثناء العمليات النبضية.

مكونات القطع بالليزر

مصدر ليزر

وحدة نظام الليزر

يقوم الرنان بإنتاج الحزمة من خلال الانبعاث المحفز، والذي يحدث في وسط التضخيم، والذي يتكون من الغاز أو البلورات الصلبة أو مواد الألياف.

نظام توصيل الشعاع

يستخدم نظام توصيل الشعاع المرايا والألياف البصرية لنقل الشعاع مع الحفاظ على جودته من خلال قيم عامل M² أقل من 1.3 للتشغيل أحادي الوضع.

التركيز البصريات

عدسات تركيز الليزر

يستخدم النظام العدسات أو المرايا التكيفية لتحقيق تكوين بقعة محدودة الانعراج، ويعمل بأطوال بؤرية تتراوح من 50 إلى 200 مم لتطبيقات الصفائح المعدنية.

رئيس القطع

يتميز رأس القطع بفوهة قطرها 0.8-3 مم، بالإضافة إلى مستشعرات ارتفاع سعوية أو بصرية للتحكم في المسافة بدقة 10 ميكرومتر، ونقطة دخول غاز مساعد.

نظام الحركة

تتيح تكوينات البوابات والهجينة والبصريات الطائرة للمستخدمين تحقيق دقة تحديد المواقع بمقدار 10 ميكرومتر أثناء التحركات عبر مناطق السفر التي تبلغ مساحتها 6 أمتار × 3 أمتار.

تحكم CNC

يقرأ النظام أوامر G-code أثناء التحكم في تعديل تردد الليزر بين الوضع المستمر والوضع النبضي بمعدلات ميغاهرتز ويتعامل مع جميع إعدادات العملية.

مساعدة في توريد الغاز

مخطط فوهة الغاز المساعد

يعمل النظام باستخدام النيتروجين عالي النقاء (99.999٪) والأكسجين والأرجون عند ضغوط تتراوح من 5 إلى 25 بار.

نظام التبريد والعادم

يحافظ النظام على استقرار درجة الحرارة أثناء استخراج جميع الأبخرة والجسيمات من النظام.

آلية القطع بالليزر

تتم عمليات الإزالة الرئيسية من خلال:

• طرد الذوبان: تُعد عملية إزالة الطور السائل من خلال قوى القص الناتجة عن نفاثات الغاز فوق الصوتية هي العملية السائدة في المواد المعدنية.
• تبخير: تتطلب هذه العملية طاقة أكبر من الحرارة الكامنة للتبخر لحدوثها، مما يجعلها مناسبة للمواد الرقيقة والمواد المقاومة للحرارة.
• التحلل الكيميائي/الاستئصال: يحدث تفكك الروابط الكيميائية والتفاعلات الكيميائية الضوئية في المواد البوليمرية والمركبة أثناء عملية تحللها.
• انفجار طوري: تحدث عملية الانفجار الطوري عندما يؤدي التشعيع بنبضات قصيرة للغاية إلى تكوين سوائل فائقة التسخين تتحول بشكل انفجاري إلى حالات بخار وبلازما.

عملية القطع بالليزر

إعداد التصميم والتحكم الرقمي بالحاسوب

القطع بالليزر تبدأ العملية بتحويل نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) إلى مسارات متجهة ثنائية الأبعاد أو ثنائية الأبعاد ونصف باستخدام برامج التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM). يستخدم النظام خوارزميات التداخل لتحسين استخدام المواد مع إضافة أقسام الدخول والخروج والوصلات الدقيقة، بالإضافة إلى القطع الزائدة لحماية مناطق الزوايا من العيوب والحفاظ على تثبيت القطعة بالهيكل.

تركيب الشغل

تُثبّت قطعة العمل بواسطة مشابك شفط أو مشابك ميكانيكية، تدعم المادة مع السماح للشوائب والشوائب بالتساقط. يتطلب فاصل رأس القطع معايرة قبل بدء العمل، مع فحص حالة الفوهة أيضًا. تستقر الصفيحة أو اللوحة على قاعدة قرص العسل أو الدبوس، أو على سطح شرائحي، يدعم المادة أثناء عملية التثبيت.

ثاقب

تُنتج نبضة طاقة عالية مُتحكَّم بها أو زيادة تدريجية في الطاقة ثقبًا نافذًا عند نقطة البداية. تتراوح مدة العملية من 0.3 ثانية للمواد الرقيقة إلى 15 ثانية لألواح الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 25 مم. تساعد أنماط الحركة الحلزونية والمتذبذبة على منع تلف الفوهة بسبب المواد المقذوفة. تختلف معايير الثقب عن معايير القطع نظرًا لارتفاع حجم الانصهار. تختلف المعايير المستخدمة في عمليات الثقب عن تلك المستخدمة في عمليات القطع لأنها تُنتج حجمًا كبيرًا من الانصهار.

قطع الكنتور

يصل نظام الحركة إلى معدلات التغذية المبرمجة، والتي تتراوح من 10 إلى 150 مترًا/دقيقة لمعالجة المواد المعدنية الرقيقة. يتم ضبط طاقة الليزر فورًا مع تغيرات السرعة للحفاظ على مستوى طاقة ثابت (جول/مم). يحافظ النظام على الوضع البؤري الأمثل، وضغط الغاز، ومعايير النبض لسماكات المواد المحددة، محققًا عرض شق يتراوح بين 0.1 و0.5 مم وخشونة سطح أقل من 5 ميكرومتر.

تطبيق الغاز المساعد

توجه الفوهة غازًا عالي الضغط يتراوح بين 5 و25 بارًا لتكوين تيار فوق صوتي، يقطع المادة المنصهرة بدفعها إلى الأسفل. يُنتج استخدام غاز النيتروجين أو الأرجون حوافًا خالية من الأكسيد عند قطع الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والتيتانيوم. في المقابل، يؤدي التفاعل بين غاز الأكسجين والفولاذ الكربوني إلى تفاعل طارد للحرارة يزيد من سرعة القطع بنسبة 100-300% للقطع السميكة عند مستويات طاقة ثابتة.

أنواع آلات القطع بالليزر

أنظمة ألياف الليزر

قطع المعادن السميكة بالليزر

يتكون وسط التضخيم في ليزرات الألياف من ألياف السيليكا المُطعّمة بالإيتربيوم، والتي تُولّد أطوال موجية تبلغ 1.07 ميكرومتر، مع كفاءة تحويل طاقة تتراوح بين 30% و50%. يتم نقل الحزم الضوئية عبر ألياف بصرية مرنة، مما يُغني عن الحاجة إلى مرايا متحركة في أنظمة البصريات المتحركة. تُنتج الألياف أحادية النمط قيم M² أقل من 1.3، مما يسمح لها بإنشاء بقع أصغر من 25 ميكرومتر، مع تحقيق سرعات قطع تتجاوز 100 متر/دقيقة على الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 1 مم. إن امتصاص المعادن العاكسة، مثل النحاس الأصفر والنحاس الأحمر، لأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة، يجعل هذه الليزرات الخيار الأمثل لتطبيقات القطع المسطحة الحديثة، والتي تستحوذ على حصة كبيرة من سوق الطاقة العالية.

أنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون

مخطط عمليات القطع بالليزر

تعمل ليزرات ثاني أكسيد الكربون عند طول موجي 10.6 ميكرومتر من خلال تفريغ غازي في خليط من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم، وهو الخيار التقليدي لتطبيقات القطع الصناعية. يتطلب توجيه الشعاع مرايا مفصلية، والتي قد تتعرض لعدم المحاذاة. ينتج النظام أشعة عالية الجودة (M² ≈ 1) مع امتصاص قوي للأشعة تحت الحمراء البعيدة، وعلى الفولاذ الكربوني السميك عند استخدام الأكسجين كغاز مساعد. مع تحقيق نتائج ممتازة على المواد غير المعدنية (الأكريليك، الخشب، المنسوجات)، يعمل النظام بكفاءة تتراوح بين 10 و20%، مما يستلزم تكاليف إضافية لاستخدام الغاز وصيانة المرايا.

ليزر Nd:YAG وليزر Nd:YAG النبضي

مخطط ليزر Nd:YAG

تُنتج ليزرات Nd:YAG، سواءً كانت على شكل قضيب أو قرص، والمُطعّمة بالنيوديميوم، ضوءًا بطول موجي 1.064 ميكرومتر. وقد أدى تطوير ليزرات الضخ بالديود إلى جعل ليزرات الضخ بالمصابيح قديمة. ويمكن تلبية متطلبات الطاقة العالية لعمليات الحفر والتثقيب الدقيق للمعادن من خلال التشغيل النبضي على نطاق زمني بالمللي ثانية. تتراوح جودة شعاع هذه الليزرات من M² 1.3 إلى 20، بينما يسمح التوصيل عبر الألياف بتشغيلها بواسطة أذرع الروبوت. ويشمل التطبيق الرئيسي لهذه الليزرات اللحام النقطي والقطع الدقيق للسيراميك والسبائك العاكسة عندما لا تكفي طاقة الألياف.

ليزر ديود مباشر

تعمل ليزرات الصمام الثنائي المباشر عن طريق دمج عدة باعثات أشباه موصلات مباشرةً دون أي مرحلة تضخيم وسيطة، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة. إلا أن جودة شعاع هذه الليزرات لا تزال ضعيفة نظرًا لإنتاجها قيم M² تتراوح بين 10 و100، مما يحد من قدرتها على التركيز والحفاظ على عرض شق رفيع. تُعد ليزرات الصمام الثنائي المباشر حلاً مدمجًا ومتينًا واقتصاديًا للمعالجة عالية السرعة للصفائح الرقيقة التي يقل سمكها عن 6 مم، وتؤدي أداءً جيدًا في تطبيقات القطع والتكسية والمعالجة الحرارية. وقد أدى تطوير أنواع الصمام الثنائي الأزرق عند 450 نانومتر إلى تحسينات كبيرة في معدلات امتصاص النحاس.

القطع بالليزر مقابل القطع بنفث الماء

قطع الليزر باستخدام ثاني أكسيد الكربون مقابل قطع الليزر الليفي

تعتمد عملية القطع بنفث الماء الكاشط على استخدام تيارات مائية عالية الضغط تحتوي على جزيئات العقيق، والتي تمر بضغط 6,200 بار عبر فوهات دقيقة لإزالة المواد عن طريق التآكل الميكانيكي. توفر تقنية القطع بالليزر معالجة أسرع، ودقة أعلى، وعرض قطع أضيق للمواد التي يقل سمكها عن 25 مم. مع ذلك، يصبح القطع بنفث الماء ضروريًا عند الحاجة إلى التخلص التام من التأثيرات الحرارية.

• مزايا القطع بالليزر: توفر عملية القطع بالليزر سرعات قطع معادن أسرع من خمس إلى عشرين مرة للمواد التي يقل سمكها عن 15 مم، وهي مثالية لـ قطع التيتانيوم بالليزر و ألياف الكربون المقطوعة بالليزرمع إنتاج شق يتراوح عرضه بين 0.1 و0.5 مم، وهو أضيق من شق القطع بنفث الماء الذي يتراوح عرضه بين 0.8 و1.5 مم. تتميز هذه العملية بانخفاض تكلفتها عند استخدامها مع المواد الرقيقة والمتوسطة السماكة، مما يُغني عن استخدام المواد الكاشطة ويُحقق دقة عالية تصل إلى ±0.025 مم.
• مزايا القطع بنفث الماء: يوفر القطع بنفث الماء فائدتين أساسيتين للمستخدمين: فهو يقضي على الضرر الحراري للمواد ويسمح للمستخدمين بقطع المواد السميكة، مثل التيتانيوم، حتى سمك 300 مم، مع حماية المواد الحساسة من الاحتراق أو التشقق.

القطع بالليزر مقابل القطع الميكانيكي

تتضمن عملية القطع، التي تتم باستخدام الطرق الميكانيكية، القطع بقوس البلازما، والقطع بالأكسجين والوقود، وعمليات التثقيب والطحن. كما تشمل أيضًا القطع بالكهرباء السلكية مقابل القطع بالليزرتوفر تقنية القطع بالليزر جودة حواف استثنائية مع التعامل مع مجموعة واسعة من المواد، من الصفائح الرقيقة إلى السميكة، حتى سمك 50 مم، بتكاليف اقتصادية.

مميزات الليزر:

• شق ضيق (0.1–0.5 مم)
• تشطيب سطح عالي (Ra <5 ميكرومتر)
• منطقة متأثرة بالحرارة صغيرة (<100 ميكرومتر في أنظمة الألياف)
• لا ارتداء أداة
• قادر على قطع المواد العاكسة وغير الموصلة

مزايا الطرق الميكانيكية:

• فعال من حيث التكلفة للفولاذ الكربوني السميك (>50 مم)
• تعتبر عملية التثقيب مثالية لإنتاج الثقوب بسرعة في المعادن المطيلية (<15 مم).
• تدعم عملية الطحن التشكيل ثلاثي الأبعاد عندما يكون امتصاص الليزر ضعيفًا

تطبيقات القطع بالليزر

فضاء

تعتمد صناعة الطيران والفضاء على تقنية القطع بالليزر لما توفره من دقة عالية في العمليات، مما يحافظ على جودة المواد وأبعادها بدقة متناهية. تُستخدم هذه التقنية لإنشاء فتحات تبريد يتراوح قطرها بين 0.2 و 0.8 ملم في سبائك النيكل الفائقة المستخدمة في شفرات التوربينات، كما تُستخدم في تصنيع هياكل مانعة للتسرب على شكل قرص العسل، بالإضافة إلى تشذيبات الأسطح المركبة. وتستفيد عملية قطع المواد المركبة من أشعة الليزر فوق البنفسجية وأشعة الليزر ذات النبضات القصيرة جدًا (بيكوثانية) لما توفره من قطع نظيفة دون انفصال الطبقات.

سيارات

تعتمد صناعة السيارات على تقنية القطع بالليزر لإنتاج مكوناتها بكميات كبيرة وبدقة عالية. تُمكّن هذه العملية المصنّعين من قطع الأنابيب المُشكّلة بالضغط الهيدروليكي، وتقطيع رقائق البطاريات الرقيقة المصنوعة من النحاس والألومنيوم إلى سُمك يصل إلى 50 ميكرومتر، وتصنيع مكونات هيكل السيارة من الفولاذ عالي القوة مع تقليل التشوه.

الإلكترونيات وشاشات العرض الرقمية

يعتمد إنتاج الإلكترونيات على قطع ليزر دقيق لإنشاء ميزات دقيقة. تستخدم هذه العملية تقنية الليزر لإنشاء قوالب لوحات الدوائر المطبوعة والدوائر المرنة، ولفصل رقائق السيليكون. تتيح التقنية الحالية للمستخدمين تحقيق تقطيع الحواف بدقة تقل عن 5 ميكرومتر، مما يدعم تطوير أجهزة أصغر حجمًا.

الأجهزة الطبية

تتيح عملية القطع بالليزر للمصنعين إنتاج مكونات طبية دقيقة على نطاق صغير. كما تُمكّنهم من إنتاج دعامات من النيتينول بعرض يتراوح بين 50 و200 ميكرومتر، وتصميم أشكال معقدة على أنابيب القسطرة، بالإضافة إلى أسطح ذات ملمس خاص لزراعة العظام، مما يُحسّن من التصاق العظام.

عوامل يجب مراعاتها لجودة القطع بالليزر

1. الطاقة والوضع: الطاقة العالية تزيد من عرض القطع/المنطقة المتأثرة بالحرارة؛ الوضع النبضي يقلل من الحمل الحراري.
2. للحصول على أفضل النتائج، يجب على المشغلين الحفاظ على السرعة الصحيحة، حيث أن هذه الطريقة تنتج حوافًا ناعمة وتكوينًا ضئيلاً للخبث.
3. إن اختيار غاز المساعدة بين النيتروجين والأكسجين يحدد جودة الحافة، في حين أن غاز الأكسجين يزيد من سرعة القطع للفولاذ الكربوني ولكنه يوسع المنطقة المتأثرة بالحرارة.
4. يؤدي وضع التركيز السطحي إلى تقليل التناقص التدريجي، بينما يساعد التركيز السلبي على تقليل تكوين الخبث في القاع.
5. المسافة المثالية بين 0.5 مم و 1.5 مم تحافظ على اتجاه تدفق الغاز المناسب.
6. يتطلب القطع بالليزر للسبائك العاكسة استخدام ليزر الألياف/Nd:YAG بسبب خصائصها، في حين أن المواد الأكثر سمكًا تحتاج إلى مستويات طاقة وتدفق أكسجين متزايدين.
7. يستفيد القطع بالليزر من الاستقطاب الدائري لأنه ينتج خشونة سطح متساوية في جميع الاتجاهات.
8. تحقق عملية القطع بالليزر نتائج أفضل من خلال أنماط النبضات عالية التردد ومنخفضة الطاقة، مما يقلل من تكوين طبقات إعادة التشكيل.

خدمة القطع بالليزر المخصصة

احصل على خدمة قطع وتشكيل بالليزر عالية الجودة بدقة عالية وسرعة وإنتاج قطع متسق. برولينتيك تمتلك الشركة معدات متطورة تدعم القطع بالليزر حسب الطلب للمعادن والبلاستيك والمواد المركبة.

احصل على عرض أسعار عبر الإنترنت اليوم، جرب جودة استثنائية للحواف والقطع مع الحد الأدنى من تشوه المواد لأجزائك.

خاتمة

توفر تقنية القطع بالليزر دقة استثنائية وسرعة تشغيل فائقة مع توافق واسع مع المواد، بما في ذلك ألياف الكربون المقطوعة بالليزر، وذلك بفضل مصادر الألياف التي تُشغّل معظم التطبيقات الصناعية نظرًا لكفاءتها العالية وجودة شعاعها الممتازة. ويتطلب فهم آلية عمل قاطع الليزر فهمًا دقيقًا. يؤدي اختيار المعايير المناسبة إلى تقليل تكوّن منطقة التأثير الحراري، وتوليد الخبث، وخشونة السطح، مما يُفيد التطبيقات التي تتطلب معايير هندسية صارمة.

الأسئلة الشائعة

كيف تعمل آلة القطع بالليزر؟

يقوم قاطع الليزر بتركيز شعاع عالي الطاقة على المادة لصهرها أو تبخيرها على طول مسار مبرمج، بينما يقوم نفاثة غاز محورية بإزالة الحطام لإنتاج شق رقيق يعمل تحت توجيه CNC.