برش لیزری

 

برش لیزری فناوری است که در آن از اشعه لیزر برای برش اجسام استفاده می‌شود؛ و نوعاً از این فناوری در زمینه صنعت استفاده می‌شود. برش لیزری توسط استعمال اشعه لیزر از یک خروجی قوی لیزر روی اجسامی که می‌خواهند بریده شوند انجام می‌شود. قسمتی از جسم مورد نظر که بریده می‌شود یا آب می‌شود یا می‌سوزد یا تصعید می‌شود و توسط فشار گاز از روی جسم پاک می‌شود. و سر انجام سطح بریده شده با کیفیت خیلی عالی ایجاد می‌شود. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی و … کاربرد دارد.

تاریخچه

در‌سال ۱۹۶۵ اولین دستگاه برش لیزری برای ایجاد سوراخ در قالب‌های الماس استفاده شده است. این دستگاه توسط مرکز تحقیقات Western Electric Engineering ساخته شد. در سال‌۱۹۶۷‌ بریتانیا در ساخت دستگاه برش لیزری به کمک جت اکسیژن برای برش فلزات پیش‌گام شد. در اوایل سال‌۱۹۷۰ این تکنولوژی در کاربرد‌های هوافضا برای برش تیتانیم به‌کار گرفته‌ شد.‌ در‌ همان موقع لیزر‌های CO₂ برای برش غیر فلزات مانند:پارچه و … به‌کار گرفته شد؛‌ چراکه در آن زمان لیزر CO₂ به اندازه کافی برای غلبه بر هدایت حرارتی فلزات قدرت‌مند نبود.

نحوه‌ی عملکرد

اشعه‌ی لیزر از طریق تحریک مواد مولد لیزر توسط تخلیه‌ی الکتریکی یا تابش یک لامپ در یک محفظه بسته تولید می شود. با تحریک ماده‌ی مولد لیزر پرتو با استفاده از تکه‌های آینه منعکس می شود تا انرژی لازم برای تبدیل شدن به یک جریان نور‌تک‌ رنگ‌ منسجم را به دست آورد. آینه یا فیبر نوری معمولا برای هدایت نور منسجم به لنز دستگاه استفاده می شود. این لنز در نقطه‌ی کاری دستگاه متمرکز شده است. باریک ترین قسمت پرتو متمرکز شده قطری کمتر از ۰/۳۲‌میلی‌متر دارد.

مزایای برش لیزری

سهولت در به‌کارگیری، کیفیت و تمیزی(عدم وجود لبه های اضافی در قسمت های برش خورده) محصول نهایی از مزایای استفاده از برش لیزری  به جای برش های مکانیکی و سنتی است. از آنجایی که از ابتدای شروع عملیات برش تا پایان کار، پرتو لیزر به صورت مداوم و یکنواخت عمل برش را انجام می‌دهد، دقت کار افزایش می‌یابد.

احتمال تاب برداشتن ماده در برش‌ لیزر بسیار کم است چون، ناحیه‌ی موثر حرارتی در این فرآیند بسیار کوچک می‌باشد.

برش لیزری به علت دقت بالا‌تر و مصرف انرژی کمتر در هنگام برش، مزیت بیشتری نسبت به برش پلاسما دارد. با این وجود اغلب دستگاه های برش لیزری نمی‌توانند ضخامتی بیشتر از ضخامت برش دستگاه های پلاسما را برش دهند. امروزه دستگاه‌های برش لیزری قوی‌تری نیز در حال تولید است تا بتوانند ضخامت های بیشتری را برش دهند اما هزینه‌ی تمام شده‌ی این دستگاه ها بیشتر از دستگاه های برش پلاسما است.

انواع لیزر های مورد استفاده

لیزر‌ها انواع مختلفی مانند لیزر گازی، لیزر شیمیایی، لیزر رادیواکتیو، لیزر جامد، لیزر فیبری و … دارند، اما در صنعت از دو نوع لیزر های گازی و جامد استفاده می‌شود. لیزر های پرکاربرد استفاده شده در دستگاه‌های برش لیزر صنعتی عبارتند از:

۱) لیزر CO₂ که برای برش، حکاکی و تضعیف ماده مناسب است.

۲) لیزر های نئودیمیم(Nd) و لیزر‌های نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت(Nd-YAG) می‌باشند. این دو لیزر سبک و روشی یکسان دارند و تفاوت آنها در کاربردشان می‌باشد. لیزر Nd برای تضعیف ماده و در مواقعی که قدرت زیاد و تکرار پذیری بالا مد‌نظر است به کار می‌رود. لیزر ND-YAG برای تضعیف ماده و حکاکی روی قطعه و در مواقعی که قدرت بسیار زیاد مورد نیاز است، استفاده می‌شود.

هرسه نوع لیزر یاد شده را می‌توان برای جوشکاری نیز استفاده کرد.

لیزر CO₂ برای برشکاری صنعتی بسیاری از مواد از جمله فولاد، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ، تیتانیم، کاغذ، موم، پلاستیک، چوب و پاچه استفاده می‌شود. لیزر YAG در درجه‌ی اول برای برش و حکاکی فلزات و سرامیک ها استفاده می‌شود.

ژنراتور دستگاه لیزر و اپتیک خارجی(لنز فوکوس کننده) نیاز به خنک کاری دارند. بسته به اندازه و پیکربندی دستگاه، گرمای اضافی ممکن است مستقیما و یا توسط یک خنک کننده به هوا منتقل شود. معمولا از آب به عنوان خنک کننده استفاده می‌شود که توسط سیستم خنک کننده به گردش در می‌آید.

لیزر های پیشرفته تر

• لیزر Micro jet هدایت پرتو‌ لیزر به وسیله‌ی جت آب است. در این دستگاه پرتو لیزر با جت آب کم فشار همراه است. لیزر وظیفه اصلی برش را برعهده دارد درحالی که جت آب پرتو لیزر را هدایت می‌کند. عمل هدایت پرتو از طریق بازتاب داخلی کلی انجام می‌شود. مانند آنچه که در فیبر نوری اتفاق می‌افند. در این روش، آب علاوه بر از بین بردن اثرات تخریبی ناشی از برش،‌ سطح ماده را نیز خنک‌کاری می‌کند که ازجمله مزایای این روش به حساب می‌آید.

• لیزر فیبر، یک نوع از لیزر های حالت جامد است که به سرعت در صنعت برش فلز در حال رشد است. برخلاف لیزر CO₂ تکنولوژی فیبر با بهره‌گیری ازمحیط جذب جامد به عنوان گاز یا مایع مخالف عمل می‌کند. دانه‌ی لیزر پرتو‌ی لیزر را تولید می ‌کند و پس از آن پرتو در الیاف شیشه‌ای(Glass Fiber) تقویت می‌شود. با طول موجی در حدود ۱/۰۶۴ میکرومتر لیزر فیبر، نقطه اثر بسیار کوچکی(۱۰۰ برابر کوچکتر از نقطه‌ی اثر لیزر CO₂ ) ایجاد می‌کند که این نوع لیزر را برای برش مواد فلزی‌ بازتابنده ،موثر می‌سازد.
• انواع روش‌های برش فلزات توسط لیزر روش های مختلفی در برش با استفاده از لیزر وجود دارد. برخی از این روش‌ها عبارتند از: ۱) تبخیر ماده ۲) ذوب ماده به همراه دمیدن گاز پرفشار ۳) سوزاندن ۴) ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی ۵) برش سرد
  • برش تبخیری: در این روش حرارت پرتو متمرکز شده،‌دما‌ی نقطه اثر رابه دما‌ی نقطه‌ی جوش می‌رساند و موجب تبخیر ماده و ایجاد حفره می‌شود. این روش برای برش موادی استفاده می‌شود که ذوب نمی‌شوند مانند: چوب، کربن و پلاستیک‌های ترموست.
  • برش ذوبی به همراه دمیدن گاز پرفشار: در این روش ابتدا پرتو‌ی لیزر، ماده مورد نظر را در نقطه‌ی کاری به دمای نقطه‌ ذوب می‌رساند. بلافاصله با استفاده از جریان پر‌فشار یک گاز (معمولا هوا) به نقطه‌ی مورد نظر ضربه ای وارد شده و باعث ریزش مواد ذوب شده از روی جسم مورد نظر می‌شود. در این روش نیازی به بالا بردن دما به اندازه ای بیشتر از نقطه‌ی ذوب ماده نیست در نتیجه دستگاه قدرت مصرفی کمتری دارد. از این روش عموما برای برش فلزات استفاده می‌شود.
  • برش با ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی: مواد ترد به شکستگی حرارتی حساس می‌باشند. از این ویژگی مواد ترد در روش یاد شده استفاده می‌شود. اشعه‌ی لیزر روی سطح ماده متمرکز شده و باعث ایجاد حرارت موضعی و انبساط حرارتی می‌شود.  این عمل باعث ایجاد شکاف در ماده شده و با حرکت دادن پرتو می‌توان آن را هدایت کرد تا برش مد نظر اتفاق بیفتد. این روش عموما برای برش لیزری شیشه ها و مواد شیشه مانند استفاده می‌شود.
  • تلرانس و پرداخت سطح برش های لیزری جدید دارای دقتی در حدود ۲۵ میکرومتر (۰.۰۱ میلی‌متر) هستند. زبری استانداردسطح (Rz) با ضخامت ورق افزایش می‌یابد اما با قدرت لیزر و سرعت برش کاهش می‌یابد. مصرف انرژی مهمترین اشکال دستگاه های برش لیزر مصرف زیاد برق آن‌ها است. بازدهی لیزر‌های صنعتی چیزی در حدود ۵ تا ۴۵ درصد است. قدار قدرت مورد نیاز برای برش لیزر در یک کار بخصوص به نوع ماده، ضخامت، روش مورد استفاده و نرخ برش مدنظر، بستگی دارد. نرخ تولید و برش حداکثر نرخ برش توسط عواملی چون قدرت لیزر، ضخامت ماده، نوع فرآیند مورد استفاده و خواص مواد محدود شده است. برای همه‌ی مقاصد و اهداف، یک لیزر می‌تواند تا ۳۰ برابر سریع‌تر از یک اره‌ی استاندارد باشد. دستگاه های برش CNC با هدایت کامپیوتری و توسط لیزری که از آنها متساطع می شود عملیات مختلفی مانند برش لیزری، حک لیزری و … را انجام می دهند. این دستگاه ها مزایای زیادی دارند، مثلاً سرعت بسیار بالایی دارند و با توجه به هدایت شدن توسط کامپیوتر، خروجی های کاملاً یکسانی دارند.
    1. منابع
    • Lisa.، Bromberg, Joan. The laser in America, 1950-1970. MIT Press، ۱۹۹۳-۰۱-۰۱٫ شابک‎۹۷۸۰۲۶۲۰۲۳۱۸۴.
    • · «The early days of laser cutting, par P. A. Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland, August 20–۲۲, ۲۰۰۷».
    • · CHEO, P. K. “Chapter 2: CO2 Lasers.” UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015..