دستگاه برش لیزری یک فرآیند حذف حرارتی مواد است که یک پرتو لیزر پرانرژی را بر روی سطح قطعه کار متمرکز می‌کند، به طور موضعی ذوب می‌شود، تبخیر می‌شود یا در عرض میلی‌ثانیه می‌سوزد. یک گاز کمکی با فشار بالا - اکسیژن، نیتروژن یا هوای فشرده - مواد مذاب یا تبخیر شده را از پوسته بیرون می‌کشد و لبه‌ای تمیز و دقیق به جا می‌گذارد. از آنجایی که کل عملیات با CNC کنترل می شود، سر برش هر مسیر برنامه ریزی شده 2 بعدی یا کانتور سه بعدی را بدون تماس با ابزار، بدون نیروی مکانیکی روی قطعه، و با عرض های باریک مانند 0.1 میلی متر .
نصب دستگاه های برش لیزری امروزی از سیستم های لیزر فیبر فشرده 1.5 کیلوواتی برای کارگاه های ورقه نازک گرفته تا دستگاه های 30 کیلوواتی سبک دروازه ای که قادر به برش فولاد کربنی تا ضخامت 40 میلی متر در محیط های تولیدی هستند، می باشد. ترکیب این فناوری از دقت، سرعت و تطبیق‌پذیری مواد، آن را به فرآیند غالب برش برای پروفیل‌های فلزی مسطح در سطح جهان تبدیل کرده است، با بازار جهانی ماشین‌های برش لیزری که ارزش آن بیش از 5 میلیارد دلار است و با کاهش هزینه‌های لیزر فیبر به طور پیوسته در حال رشد است.
فیزیک پشت دستگاه برش لیزری
درک چگونگی تعامل انرژی لیزر با مواد به توضیح اینکه چرا مواد و ضخامت های مختلف به دستگاه برش لیزری واکنش متفاوتی می دهند و چرا انتخاب پارامترهای فرآیند بسیار اهمیت دارد، کمک می کند:
جذب انرژی و نقش طول موج
تمام انرژی لیزری که به یک سطح هدایت می شود جذب نمی شود - بازتابی تعیین می کند که چقدر منعکس شده و چه مقدار به گرما تبدیل می شود. در طول موج لیزر CO2 10.6 میکرومتر، بیشتر فلزات بسیار بازتابنده هستند (مس بیش از 98٪ منعکس می شود، در حالی که غیر فلزات به طور موثر جذب می شوند. در طول موج لیزر فیبر 1.06 میکرومتر، جذب فلز به طور قابل توجهی بالاتر است: فولاد جذب می شود 35-40٪ ، فولاد ضد زنگ 40-50٪ ، و حتی مس تقریباً جذب می کند 5-10٪ - برای برش قابل اعتماد با قدرت لیزر کافی کافی است. این مزیت طول موج به این دلیل است که لیزرهای فیبر، لیزرهای CO2 را برای برش فلز جابجا می کنند.
موقعیت تمرکز و تأثیر آن بر کیفیت برش
موقعیت نقطه کانونی نسبت به سطح ماده مستقیماً عرض پوسته و کیفیت صورت برش را کنترل می کند. برای ورق نازک ( زیر 3 میلی متر فوکوس معمولاً روی سطح بالایی یا کمی بالاتر از آن تنظیم می شود تا چگالی توان در نقطه ورود مواد اولیه به حداکثر برسد. برای صفحه ضخیم، فوکوس تنظیم شده است 1/3 تا 1/2 ضخامت مواد زیر سطح بالایی ، اطمینان حاصل شود که پرتو لیزر شدت کافی را در تمام عمق کامل مواد حفظ می کند. موقعیت فوکوس نادرست یکی از شایع ترین دلایل برش ناهموار سطوح و تشکیل بیش از حد ذرات است.
سرعت برش و تراکم توان
برای قدرت لیزر و ضخامت مواد، یک پنجره سرعت برش بهینه وجود دارد. خیلی آهسته: گرمای بیش از حد ورودی باعث گشاد شدن پوسته، افزایش HAZ و انجماد مجدد تفاله می شود. خیلی سریع: انرژی ناکافی تمام ضخامت را ذوب می کند و باعث ایجاد برش های ناقص یا خطوط ناهموار روی صورت بریده می شود. یک دستگاه برش لیزری فیبر 6 کیلوواتی با فولاد کربنی 6 میلی متری با اکسیژن معمولاً به طور بهینه در 3.5-5.5 متر در دقیقه ; خارج شدن از این پنجره تا 20 درصد به طور قابل توجهی کیفیت لبه را کاهش می دهد.
دستورالعمل های دستگاه برش لیزری مواد خاص
| مواد | گاز کمکی توصیه شده | حداکثر ضخامت (6 کیلو وات فیبر) | ملاحظات کلیدی |
|---|---|---|---|
| فولاد کربن | O2 (سرعت) یا N2 (کیفیت) | 25-30 میلی متر | O2 سریعتر قطع می شود. N2 لبه بدون اکسید می دهد |
| فولاد ضد زنگ | N2 (99.999٪ خلوص) | 20-25 میلی متر | N2 با خلوص بالا از تغییر رنگ لبه ها جلوگیری می کند |
| آلیاژ آلومینیوم | N2 یا هوای فشرده | 15-20 میلی متر | انعکاس پذیری بالا نیاز به حداکثر توان بالایی دارد |
| مس / برنج | O2 یا N2 | 6-10 میلی متر | فقط لیزر فیبر؛ حفاظت از انعکاس عقب مورد نیاز است |
| اکریلیک / پلاستیک | هوای فشرده یا N2 | 25-50 میلی متر (CO2) | CO2 ترجیح داده شده؛ خطر آتش سوزی با O2 |
اقتصاد دستگاه برش لیزری: تجزیه و تحلیل هزینه هر قطعه
درک ساختار هزینه واقعی دستگاه برش لیزری به سازندگان کمک می کند تا ROI آن را در برابر فرآیندهای جایگزین ارزیابی کنند و تصمیمات عملیاتی را بهینه کنند:
مولفه های هزینه اولیه
- استهلاک ماشین: یک دستگاه برش لیزری فیبر 6 کیلوواتی متوسط (میز 3000 × 1500 میلی متر) معمولاً 200،000 تا 350،000 دلار هزینه دارد. استهلاک طی 10 سال با 4000 ساعت کار در سال، هزینه استهلاک تقریباً می باشد. 5 تا 9 دلار در هر ساعت کار .
- هزینه انرژی: یک ماشین 6 کیلو وات تقریباً 15 تا 20 کیلو وات کل (شامل چیلر، کمپرسور، استخراج) را می کشد. 0.12 دلار در کیلووات ساعت، هزینه انرژی است 1.80-2.40 دلار در ساعت - به طور قابل توجهی کمتر از برش پلاسما با قدرت معادل.
- کمک هزینه گاز: نیتروژن در فشار بالا (12-20 بار) بزرگترین هزینه مصرفی برای برش ضد زنگ و آلومینیوم است. یک دستگاه 6 کیلو وات برش 3 میلی متری ضد زنگ با نیتروژن تقریباً مصرف می کند 30-50 متر مکعب در ساعت ; در 0.15-0.25 USD/m³ (نیتروژن حجیم)، این 4.50-12.50 دلار در ساعت است. برش اکسیژن فولاد کربن تقریباً 10× کمتر در ساعت در مصرف گاز هزینه دارد.
- تعمیر و نگهداری نازل و لنز: نازل های برش (هر کدام 5 تا 15 دلار آمریکا) معمولاً 8 تا 40 ساعت زمان برش را بسته به جنس آن دوام می آورند. لنزهای محافظ (50 تا 200 دلار آمریکا) 200 تا 500 ساعت دوام دارند. این هزینه های مصرفی معمولاً هستند 1 تا 3 دلار در هر ساعت کار .
کارایی تودرتو به عنوان یک اهرم هزینه
برای دستگاه برش لیزری ورق فلز، هزینه مواد به طور معمول نشان دهنده است 60-80٪ از کل هزینه قطعات . نرم افزار تودرتو که چیدمان قطعات را روی ورق بهینه می کند می تواند استفاده از مواد را از 70% (تودرتوی دستی ساده) به افزایش دهد. 85-92٪ (تودرتوی خودکار با مدیریت باقیمانده)، به طور مستقیم هزینه هر قطعه را 15 تا 25٪ بدون هیچ تغییری در خود فرآیند لیزر کاهش می دهد.
دستگاه برش لیزری لوله و پروفیل
در حالی که دستگاه برش لیزری ورق تخت رایج ترین کاربرد است، دستگاه های برش لیزری لوله و پروفیل - که قطعه کار را از طریق یک سر برش روی یک سیستم 4 تا 6 محوره می چرخانند و به جلو می برند - دقت لیزر را به لوله های گرد، مقاطع مربع، مقاطع مستطیلی و پروفیل های ساختاری گسترش می دهند:
- برش زین و اتصالات کوپ: CNC لوله را می‌چرخاند و به جلو می‌برد در حالی که لیزر هندسه منحنی پیچیده یک برش زین را ردیابی می‌کند و یک اتصال لوله به لوله دقیقاً نصب شده ایجاد می‌کند که آسیاب دستی را حذف می‌کند. دقت فیت کردن ± 0.3 میلی متر در برش های زین، تغییرات شکاف جوش را کاهش می دهد و کیفیت جوش را در مجموعه های لوله ساختاری بهبود می بخشد.
- برش شکاف و سوراخ: شکاف های مستطیلی، سوراخ های گرد، دهانه های مستطیل و الگوهای پیچیده را می توان از طریق دیواره لوله در هر موقعیتی در طول لوله و در اطراف آن برش داد و اعضای ساختاری را با ویژگی های اتصال داخلی که نیاز به عملیات سوراخکاری یا فرز جداگانه در تجهیزات معمولی دارند، ممکن می سازد.
- بهره وری: یک دستگاه برش لیزر لوله می تواند یک بخش ساختاری استاندارد 6 متری را با 8 عملیات برش (برش طول 7 ویژگی) در زیر پردازش کند. 3 دقیقه ، در مقایسه با 15 تا 40 دقیقه برای عملیات اره کردن، حفاری و سنگ زنی دستی معادل.
یکپارچه سازی نرم افزار و اتوماسیون
پتانسیل بهره وری کامل از دستگاه برش لیزری تنها زمانی محقق می شود که دستگاه با گردش کار دیجیتال اطراف یکپارچه شود:
- نرم افزار CAD/CAM و تودرتو: هندسه قطعه DXF یا DWG مستقیماً به نرم‌افزار تودرتو وارد می‌شود، که به طور خودکار قطعات را روی صفحات مرتب می‌کند، برنامه‌های برش را تولید می‌کند و میزان استفاده از مواد، وزن ضایعات و زمان تخمینی برش را محاسبه می‌کند - برنامه‌نویسی دستی را حذف می‌کند و زمان تنظیم کار را از ساعت‌ها به دقیقه کاهش می‌دهد.
- بارگیری/تخلیه خودکار برگه: تعویض کننده های پالت (ذخیره سازی 2 تا 10 پالت ورق) به اپراتور اجازه می دهد تا ورق ها را در حین برش ماشین از قبل بارگیری کند و به عملکرد تقریباً پیوسته دست یابد. سیستم‌های ذخیره‌سازی برج با ربات‌های کنترل خودکار مواد می‌توانند پشتیبانی کنند تولید یک شبه بدون مراقبت با ذخیره 20 تا 50 پالت ورق و تغذیه خودکار صفحات به دستگاه در طول شیفت شب.
- مرتب سازی و حذف قطعات: سیستم‌های مرتب‌سازی خودکار از فنجان‌های مکنده یا گیره‌های مغناطیسی برای بلند کردن قطعات بریده شده از اسکلت و قرار دادن آنها در سطل‌های برچسب دار یا خطوط نقاله استفاده می‌کنند و جریان قطعات کاملاً خودکار را از ورق خام به قطعات نهایی مرتب شده بدون دخالت اپراتور در بین کارها امکان‌پذیر می‌سازند.
سوالات متداول در مورد دستگاه برش لیزری
چه چیزی باعث ایجاد خط (خطوط) در لبه برش لیزری می شود؟
رگه‌ها علائم سطحی دوره‌ای بر روی سطح برش هستند که در اثر نوسانات جریان مذاب در حین بیرون راندن آن توسط گاز کمکی از پوسته ایجاد می‌شوند. در فولاد کربنی با اکسیژن، مقداری رگه روی مواد ضخیم تر (بالاتر از 8 میلی متر) طبیعی است. در ضد زنگ و آلومینیوم با نیتروژن، striation نشانه انحراف پارامتر فرآیند است - معمولاً سرعت برش کمی بیش از حد بالا، فشار گاز بسیار کم، یا موقعیت فوکوس نادرست است. تنظیم این پارامترها در پنجره بهینه معمولاً خطوط قابل مشاهده را حذف می‌کند و الزامات تکمیل پس از برش را برای اکثر برنامه‌ها به صفر می‌رساند.
دستگاه برش لیزر چگونه ورق فلزی گالوانیزه یا روکش شده را کنترل می کند؟
فولاد گالوانیزه گرم (روکش Z275، ~20 میکرومتر لایه روی) را می توان با گاز کمکی هوای فشرده با لیزر برش داد، که به اکسید شدن و خارج کردن مذاب غنی از روی بدون تولید دود بیش از حد کمک می کند. فولاد از پیش رنگ شده (روکش شده با پرایمر) و مواد پوشش داده شده با پودر نیز می توانند بریده شوند، اگرچه پوشش های آلی سنگین (بالاتر از 80 میکرومتر) ممکن است باعث سوختن لبه ها و افزایش نیاز به استخراج دود شوند. در تمام موارد، فرآیند دستگاه برش لیزری نیازی به حذف پوشش ندارد قبل از برش - مزیت قابل توجهی نسبت به برش پلاسما و شعله، جایی که آماده سازی پوشش اغلب مورد نیاز است.
آیا دستگاه برش لیزری برای تولید در دسته های کوچک و نمونه اولیه مناسب است؟
بله، ماشین برش لیزری یکی از اقتصادی ترین فرآیندها برای کارهای کوچک و نمونه اولیه است، دقیقاً به این دلیل که به ابزار سختی نیاز ندارد. هندسه بخش جدید با آپلود یک فایل DXF و تودرتو کردن آن بر روی یک صفحه معرفی می شود. قسمت اول را می توان در داخل برش داد 10-30 دقیقه دریافت فایل CAD . هیچ هزینه قالب، زمان نصب و حداقل مقدار سفارش وجود ندارد، که باعث می شود دستگاه برش لیزری روش نمونه سازی استاندارد برای قطعات ورق فلزی در تمام صنایع باشد.
چگونه باید قطعات برش لیزری را برای جلوگیری از آلودگی سطح کار کرد؟
قطعات فولادی ضد زنگ برش لیزری باید با دستکش های تمیز یا بالابرهای مکنده برای جلوگیری از آلودگی اثر انگشت (انتقال آهن از اثر انگشت باعث ایجاد زنگ زدگی می شود) استفاده شود. قطعات فولاد کربنی که با اکسیژن بریده شده اند، یک لایه نازک اکسید آهن روی لبه بریده ایجاد می کنند که باید قبل از رنگ آمیزی یا گالوانیزه کردن، با برس زدن یا ترشی مکانیکی جدا شود. قطعات آلومینیومی برش خورده با نیتروژن دارای یک سطح تمیز و بدون اکسید هستند که می توان بلافاصله بدون آماده سازی سطح بیشتر آنودایز کرد.
