برشکاری ورق با لیزر یک فرایند گرمایی است که در آن یک اشعه لیزر متمرکز برای ذوب ماده در یک ناحیه مورد استفاده قرار می گیرد. یک پرتوی لیزر که معمولا نادیدنی است، در منبع تولید لیزر ایجاد می شود و و توسط آینه ها به سمت نازل برش هدایت و توسط یک لنز متمرکز می شود. فاصله لنز نسبت به محل ورق قابل تنظیم می باشد تا بتوان نقطه کانونی پرتو را در ارتفاع مناسب دریافت کرد. پرتوی قوی نور به سرعت دمای قطعه کار را بالا می برد و ماده را ذوب می کند. در این روش یک جت گاز، مواد را از ناحیه برش بیرون زده و یک برش پیوسته به وسیله حرکت پرتوی لیزر ایجاد می شود. گاز کمکی (گاز برش) جهت محافظت و خنک کردن لنز و همزمان جهت کنار زدن ماده ذوب شده از شیار برش استفاده می شود.
به طور کلی می توان برشکاری ورق با لیزر را به صورت زیر بیان کرد:
1 - سرعت بالا برش در مقایسه با سایر روش ها، به عنوان مثال یک لیزر CO2 1500 وات می تواند فولاد نرم با ضخامت 2 میلی متر را با سرعت 7.5 متر بر دقیقه برش دهد.
2 - در بیشتر موارد اجزای برش بعد از برش بدون هیچ عملیات اصلاحی، بلافاصله آماده کاربرد است.
3 - پهنای برش (پهنای شیار) بسیار باریک است (بین 0.1 تا 1 میلی متر). قطعات دارای جزئیات و شکل های پیچیده بدون محدودیت و نگرانی از حداقل شعاع داخلی که توسط فرزکاری و سایر روش های ماشین کاری مشابه تحملی می شود، قابل ایجاد است.
4 - فرایند به طور کامل قابل کنترل توسط ماشین های CNC است. این مزیت همراه با عدم ضرورت به کار بردن آرایش پیچیده جیگ ها به این معنی خواهد بود که به طور مثال تغییر عملیات برش از محصول الف از جنس فولاد به محصول ب از جنس پلیمر در کسر دقیقه انجام می پذیرد.
5 - اگرچه برش لیزر یک فرایند حرارتی است، منطقه حقیقی که توسط لیزر گرم می شود بسیار کم است و بخش عمده ماده گرم شده از محل برش خارج می شود بنابراین مقدار گرمای ورودی به حجم ماده بسیار کم است. HAZ بسیار کوچک است و از اعوجاج اجتناب می شود.
6 - این فرایند یک فرایند بدون تماس است، به این معنی که قطعه کار نیاز به گیره بندی پیچیده ندارد و کافی است زیر پرتو موقعیت دهی شود. مواد انعطاف پذیر و بسیار نرم می توانند با دقت فوق العاده بریده شوند و در حین برش جا به جا نشوند.
7 - باریکی عرض شیار و عدم وجود نیروهای مکانیکی بر روی ورق تحت برش: طراحی و چینش قطعات تولیدی بر روی ورق می تواند بسیار نزدیک به یکدیگر باشد. بنابراین دورریز مواد می تواند به حداقل برسد. در بعضی موارد این مزیت تا آن جا پیش می رود که هیچ دور ریزی بین قطعات مجاور نیست.
8 - اگرچه سرمایه اولیه برای تهیه ماشین برش ورق با لیزر قابل توجه است، هزینه کارکرد و عملیات دستگاه کم است. همانند روش های برش مکانیکی تیغه یا ابزار خاص گران و مصرف شونده ای نیاز نخواهد بود.
9 - محیط کار تمیز بوده و کارایی بالاست و رضایت کارکنان را در پی دارد و با روش های تولید دیگر قابل رقابت شدید است.
10 - ماشین برشکاری ورق با لیزر در مقایسه با بسیاری دیگر از روش های برش مکانیکی بسیار امن است.
بزرگ ترین دلایل استفاده از لیزر در صنعت برشکاری دقت ابعادی بالا، غیر تماسی بودن فرایند و محدوده گسترده ضخامت ورق می باشد. در سال های اخیر استفاده از برشکاری ورق با لیزر به صورت چشمگیری افزایش پیدا کرده است. این فرایند را می توان به صورت اتوماتیک با سیستم های کنترل برون خطی CAD/CAM سه محوره صفحه مسطح و یا ربات های شش محوره سه بعدی انجام داد. بهبود دقت ، چهارگوش ماندن لبه ها و وسایل کنترل گرمای ورودی باعث شده که این روش جایگزین روش های دیگر مانند برش پلاسما و برش اکسیژن شود. با این روش می توان فولادهای آلیاژی کربن – منگنز با ضخامت 20 میلی متر، آلومینیوم تا ضخامت 10 میلی متر، مواد فلزی غیر آهنی ، مواد ترموپلاستیک و محدوده وسیعی از مواد غیر فلزی را برش داد.
کیفیت سطح بعد از برش بسیار بالاست و نیازی به پرداخت سطح نیست. همچنین این روش انعطاف پذیری زیادی در برش های پیچیده و ساده دارد. در این روش گرمای ورودی به فلز پایه پایین است و در نتیجه تغییرات کم خواهد بود. باید توجه داشت دقت این روش در مقایسه با برش پلاسما بسیار بالاست. برش پلاسما ورق را با دقت 2 تا 3 میلی متر در 10 متر برش می دهد. ولی خدمات برش لیزری ورق استیل این کار را با دقت 0.5 میلی متر در 10 متر انجام می دهد و این به معنی صرفه جویی قابل ملاحظه ای در میزان کار و قیمت برش لیزری فلزات برای صنایعی است که از ورق زیاد استفاده می کنند.
برش ترکیبی لیزر – اکسیژن برای اولین بار در آمریکا و در کارخانه کشتی سازی بندر استفاده شد. این روش برای برشکاری ورق های ضخیم تا ضخامت 100 میلی متر با استفاده از توان پایین ( 2 کیلو وات) استفاده شد. برش ترکیبی لیزر – اکسیژن شامل واکنش گرمازا است که در آن فولاد توسط لیزر تا دمای احتراق گرم می شود و یک نازل گاز، اکسیژن را به محل فلز مذاب می رساند و احتراق را هدایت می کند. لیزر برای گرم کردن اولیه فولاد است و ادامه واکنش به اکسیژن نیاز دارد. برشکاری ورق با لیزر روی کیفیت تاثیر منفی ندارد و تا ضخامت 20 میلی متر را در ورق آلیاژی کربن منگنر می تواند برش دهد.
روش های دیگر مانند پلاسما که توانایی برشکاری ورق تا این ضخامت را دارند کیفیت برش لیزری را ندارند. با استفاده از برش لیزر اکسیژن می توان ضخامت برش را تا 100 میلی متر افزایش داد در صورتی که روش های برش پلاسمای با قدرت بالا تا ضخامت 75 میلی متر را برش می دهند. توسعه دادن لیزرها با توان بالاتر بدون فدا کردن کیفیت پرتو، یک هدف مهم در گذشته بود.
تلاش های دیگر بر روی بهبود تکنولوژی سیستم حرکتی و بهبود حمل و نقل مواد حول میز برش متمرکز شد. پیش بینی ها این است که برش لیزری با توجه به بهبود سرعت برش، عدم نیاز به ابزار تماسی و انعطاف پذیری بالا در آینده جایگزین تکنولوژی های رقیبش خواهد شد. رایج ترین استفاده از لیزر، کاربرد آن در برشکاری است به طوری که به عنوان مثال 80 درصد از لیزرهای صنعتی در کشور ژاپن به منظور برشکاری لیزری استفاده می شوند.
در برشکاری ورق با لیزر که اساسا یک روش برشکاری حرارتی است، هدف بخار کردن ماده با سرعت هرچه بیشتر و ایجاد منطقه بسیار کوچک گرمادهی به منظور ایجاد حداقل تاثیر در قطعه کار مورد نظر است. اگر تابش باریکه لیزر طوری باشد که دمای ماده به نقطه جوش خود برسد، آن گاه مقادیری از مواد روی سطح ممکن است تبخیر شود.
لیزرهای بسیاری با طول موج های مخصوص برای برش لیزری قابل استفاده است که می تواند پرتو را بر یک نقطه کوچک با شدت کافی برای ذوب ماده متمرکز کند.
جدیدترین عضو خانواده لیزر، لیزر فیبری است که می تواند کیفیت اشعه، توان لیزر و شدت اشعه خوبی فراهم کند و به نظر می رسد دارای کاربرد وسیعی در چشم انداز آینده برش لیزری باشد. با این حال همچنان فراوانی لیزرهای CO2 و Nd:YAG بیشتر است. در زیر مقایسه ای کوتاه بین این دو نوع لیزر انجام شده است.
مزایای برشکاری ورق با لیزر CO2 در برش نسبت به لیزر Nd:YAG را می توان چنین برشمرد:
به طور کلی بازدهی سیستم های لیزری بسیار پایین است. به شکلی که اکثر منابع تولید لیزر بازدهی کمتر از 5 درصد دارند. لیزر Nd:YAG نیز از این قاعده مستثنی نبوده و بازدهی بسیار کمی دارد اما لیزر CO2 به نسبت آن بازدهی بسیار بالایی دارد.
مد یک پرتوی لیزر اشاره دارد به پخش انرژی از طریق مقطع عرضی. این پارامتر بر موارد زیر اثرگذار است.
اندازه پرتوی متمرکز شده و در نتیجه شدت پرتو متمرکز شده
شدت پخش پرتو در نقطه کانونی و در نتیجه کیفیت برش
بنابراین کیفیت مد برای برش لازم است. بهترین مد، حالت گوسی است که پرتو در مقطع عرضی دارای یک توزیع نرمال خواهد بود. با توجه به نوع لیزر، پرتوها دارای مدهای متفاوتی خواهند بود.
لیزر CO2 در مقایسه با لیزر Nd:YAG برای تولید توان مشخص، فضای بسیار بیشتری را اشغال می کند. علت این امر حالت ماده پایه در این دو لیزر است. ماده پایه لیزر CO2 گاز کربن دی اکسید است و تراکم مولکول ها در آن کمتر است اما ماده پایه لیزر Nd:YAG جامد است و تمرکز ملکولی در آن بیشتر است. همین امر باعث می شود که لیزر کربن دی اکسید فضای بیشتری اشغال کند. پرتوی CO2 با توجه به طول موجی که دارد باید توسط آینه ها منتقل شود اما پرتوی Nd:YAG قابلیت انتقال توسط فیبرهای نوری را نیز دارد. این قابلیت باعث می شود بتوان پرتوی Nd:YAG را تا فواصل زیاد به آسانی انتقال داد.
طول موج پرتوی Nd:YAG 1.06 میکرومتر یعنی یک دهم طول موج پرتوی CO2 (1.06 میکرومتر) است و همین خاصیت باعث می شود پرتوی Nd:YAG در بسیاری از مواد فلزی بهتر جذب شود. به ویژه در مواردی که نسبت به پرتوی CO2 بازتابش بسیار بالایی نشان می دهند.
پرتوی Nd:YAG را می توان با استفاده از سوئیچ هایی بین چند ایستگاه به صورت متناوب و یا همزمان استفاده کرد. در حقیقت با استفاده از تنها یک منبع تولید لیزر، می توان بر روی چند ایستگاه کاری پرتو را دریافت کرد. بنابراین پرتوی Nd:YAG با توجه به خواص گفته شده این قابلیت را دارد که به آسانی بر روی ربات ها مورد استفاده قرار بگیرد.
پارامترهای موثر در فرایند برشکاری ورق با لیزر را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
دسته اول: پارامترهای فرایند
دسته دوم : پارامترهای برشکاری ورق با لیزر
دسته سوم: پارامترهای ماده تحت برش
در ادامه توضیحی در مورد بعضی از پارامترهایی که مهمتر هستند ارائه می شود.
اندازه کوچک پرتوی متمرکز شده توسط کانونی کردن اشعه لیزر شدت بالایی برای ذوب ماده فراهم می کند. بالاتر و پایین تر از کانون، شدت کاهش می یابد. در کل، نقطه کانونی باید به صورت دقیق با مراجعه به سطح قطعه کار موقعیت دهی شود و این موقعیت باید در طی عملیات حفظ شود.
نقطه کانونی باید کنترل شود تا از بابت کارکرد بهینه برش مطمئن شویم. تغییرات در ماده و ضخامت ممکن است نیاز به تغییرات در کانون داشته باشد و نیز تغییرات در شکل پرتوی لیزر آن و تغییرات دما در منبع تولید لیزر و یا آلودگی ها روی لنز ممکن است نقطه کانونی را اندکی تغییر دهد.
در فرایند برش، برای خروج مذاب از شیار برش از گازهای بی اثر مثل آرگون یا گازهای فعال مثل اکسیژن استفاده می شود. گازهای مورد نیاز جهت بیرون راندن مذاب از شکاف برش مواد مصرفی مهم در عملیات برشکاری ورق با لیزر هستند. گاز کمکی می تواند تاثیر مستقیمی بر افزایش طول عمر اجزای اپتیکی، افزایش سرعت برش و بهبود کیفیت برش داشته باشد. همه این موارد می تواند منجر به یک عملیات لیزری صحیح و کم هزینه شود. بنابراین نوع و فشار گاز برش در دستیابی به برش خوب تعیین کننده است.
بسته به نوع گاز کمکی استفاده شونده دو پروسه برش موجود است:
هنگام برش توسط اکسیژن ماده می سوزد و بعد از بالا رفتن دمای ماده تا دمای احتراق توسط اشعه لیزر، ماده بخار می شود. از طرفی واکنش بین اکسیژن و ماده، انرژی اضافی جهت حرارت تولید می کند که باعث حمایت از فرایند برش می شود. واکنش های گرمازا دلیل افزایش قابلیت نفوذ هنگام استفاده از گاز اکسیژن به عنوان گاز کمکی در برش جنس های با ضریب بازتابش بالا و ضخیم است. اکسیژن اگرچه سطح برش را با لایه اکسیدی می پوشاند، در فولادهای کربنی و فولادهای کم آلیاژ کارایی برش خوبی می دهد.
هنگام برش با گازهای غیر واکنش دهنده و خنثی همچون نیتروژن یا آرگون، ماده تنها توسط انرژی لیزر ذوب می شود و توسط انرژی جنبشی ناشی از جت گاز از شیار برش خارج می شود. از آن جایی که گازهای خنثی با ماده ذوب شده واکنش نمی دهند و حرارت اضافی تولید نمی شود، برای قطعه کار با ضخامت مشابه معمولا توان لیزر، بسیار بالاتر از حالت برش با گاز کمکی اکسیژن است. برش با گاز خنثی معمولا به عنوان برش تمیز یا برش فشار بالا شناخته می شود. در برش فولادهای پر آلیاژ بیشتر از نیتروژن استفاده می شود.
همچنین نیتروژن به صورت فزاینده ای برای قطعاتی به کار می رود که پوشش دهی پودری شده اند. هرگونه اکسید در سطح برش خورده، اتصال بین پوشش و قطعه را کم می کند و در نتیجه ممکن است باعث مشکلات خوردگی و فرسودگی شود.
مزیت استفاده از گاز اکسیژن در آزاد کردن انرژی و کم کردن کشش سطحی است، که تولیدکننده را قادر می سازد سرعت برش را تا حد قابل قبولی بالا ببرد. در طرف مقابل با بکارگیری گاز بی اثر دیگر از انرژی اضافی اکسیداسیون خبری نیست و صرفا این پرتو لیزر است که فرایند مذاب سازی سطح در حال برش را بر عهده دارد. به طور معمول فشارهای گازهای بی اثر برای برشکاری خیلی بیشتر از فشار گازهای فعال مثل اکسیژن است.
در حالت پیوسته، پرتوی لیزر به صورت مداوم بر روی سطح تابانده می شود. موج پیوسته به این معنی است که خروجی انرژی لیزر بدون وقفه و ثابت است. عموم لیزرهای CO2 از این نوع می باشد. بیشترین سرعت برشی در سطوح بالای توان در حالت فرایند CW قابل حصول است. در سرعت های بالا توان لیزر بیشتری استفاده می شود تا ماده را در جلوی برش ذوب یا بخار کند و انتقال حرارت کمی نیز به ماده پایه دارد. البته هنگامی که جهت برش معکوس می شود یا هنگام برش حول یک گوشه تیز، مقداری از این گرما به ماده پایه انتقال می یابد.
این باعث کاهش نرخ پیشروی در طول می شود و باعث می شود قطعه کار گرم شود. هنگام برش قطعات تزئینی یا سوراخ های نافذ در مواد ضخیم، دستیابی به یک کیفیت برش خوب در صورت استفاده از حالت پیوسته دشوار خواهد بود. در حالت پالسی انرژی لیزر در واصل زمانی مشخص ذخیره شده و در یک بازه کوتاه بر روی ورق تخلیه می شود. عموم لیزرهای Nd:YAG از نوع پالسی است.
قدرت لیزرهای پیوسته عموما در قالب توان بیان می شود مثلا 100 وات یا 2 کیلو وات و ... توان لیزر ، انرژی در واحد ثانیه است. شدت اشعه لیزر برابر است با توان آن تقسیم بر سطحی که توان بر آن متمرکز شده است. شدت بالا باعث خواهد شد تا ماده به سرعت گرم و در نتیجه زمان کمی برای گرم شدن و پخش شدن گرما به اطراف در دسترس باشد. این ویژگی باعث نرخ تولید بالا و کیفیت سطح بهتر خواهد شد. شدت لیزر همچنین تعیین کننده ضخامت قابل برش است. از طریق افزایش توان لیزر و یا استفاده از یک لنز متمرکز کننده شدت بالاتری قابل دستیابی است.
اگر توان لیزر زیاد و سرعت برش کم باشد ( با توجه به ضخامت قطعه کار) آن گاه میزان حرارت وارد شده به قطعه کار بیش از حد مورد نیاز بوده و منجر به تشکیل منطقه متاثر از حرارت گسترده می شود و افت کیفیت برش را در بر خواهد داشت. از طرفی اگر توان فرایند کم و سرعت بالا باشد، میزان حرارت مورد نیاز جهت اجرای فرایند تامین نمی شود و قطعه کار آسیب می بیند.
جذب توان لیزر تابعی از طول موج آن است. برای مثال نرخ جذب تابش لیزر CO2 در فولاد 12 درصد است و الباقی منعکس می شود. این در حالی است که همین نرخ جذب برای لیزر Nd:YAG تقریبا 35 درصد است. نرخ جذب به صورت قابل توجهی با افزایش دما زیاد می شود.
گاز کمکی در خدمات برش لیزر استیل ضروری است. بنابراین هندسه نازل و فاصله آن از محل تمرکز مهم است. طراحی نازل و دینامیک جریان از طریق نازل متفاوت از سایر عملیات های برش حرارتی است. این موضوع به علت قطر نازل است که همیشه بزرگ تر از شیار برش ایجاد شده زیر آن است. بنابراین تنها بخشی از جت گاز فراهم شده توسط نازل به درون شیار نفوذ می کند.
پارامترهای فوق به عنوان ورودی در آزمایش های مختلف در نظر گرفته می شوند و باعث تاثیرات متفاوتی بر روی کیفیت برش می شوند. برای بررسی کیفیت برش نیز معیارهایی وجود دارد که با بررسی آن ها کیفیت برش مورد قضاوت قرار می گیرد. این معیارها به عنوان خروجی های آزمایش محسوب می شوند و عبارتند از:
پس از آنکه ماده پایه ذوب شد، باید توسط گاز کمکی به خارج از شکاف منتقل شود. در صورتی که گاز کمکی جریان و فشار کافی نداشته باشد و یا اینکه نوع گاز کمکی به گونه ای باشد که نتواند به خوبی سطح را پاک سازی کند و یا ماده پایه به اندازه کافی ذوب نشده باشد، وجود مقدار مذاب منجمد شده بر روی لبه پایینی زیاد خواهد شد. البته در بیشتر عملیات های برش این مقدار وجود داشته و خواهد داشت هرچند ناچیز باشد اما حداقل کردن و ناچیز کردن میزان این پسماند چسبیده به ورق از خواسته های محققین است.
از آن جایی که عمل برش به وسیله لیزر یک فرایند حرارتی است، چگونگی ذوب شدن فلز پایه، تعیین کننده میزان شکاف برش خواهد بود. در حین فرایند برش، ماده باید ذوب شود. اگر در محل برخورد پرتو به ورق پرتو متمرکز نباشد، بنابراین سطح بیشتری ذوب شده و باعث افزایش پهنای شکاف خواهد شد. همچنین اگر گرمای ورودی بیش از مقدار مورد نیاز باشد، علاوه بر این که ناحیه متاثر از حرارت بیشتر می شود، میزان شکاف برش نیز افزایش خواهد یافت. پهنای شکاف بیشتر به معنای اتلاف بیشتر ماده است. همچنین هرچه این پهنا بیشتر باشد امکان ایجاد طرح های ظریف کمتر خواهد شد.
در هنگام برشکاری ورق با لیزر، با توجه به خواص ماده و سرعت ذوب شدن آن و نیز سرعت جاری شدن ماده مذاب و با توجه به نوع، شدت و فشار گاز کمکی، خط افتادگی های بسیار کوچکی بر روی ورق ایجاد می شود. علت این خط افتادگی ها در بعضی مقالات بررسی شده است. پرتوی لیزر قسمتی از ماده را ذوب می کند. این ذوب افزایش می یابد تا به مقدار مشخصی که رسید، فرایند ذوب متوقف شده و قطره ای از مذاب به صورت یک گلوله یا قطره شروع به جاری شدن بر سطح قطعه کار نموده و از زیر ورق خارج خواهد شد.
خواص دینامیکی و مکانیکی و نیز فشار گاز کمکی در اندازه قطره مذاب شکل گرفته موثر است. همچنین بعضی خواص مذاب یعنی ویسکوزیته مذاب و نیز میزان کشش سطحی مذاب در اندازه و حجم و شکل قطره ایجاد شده از فلز پایه موثر است. حرکت این قطره مذاب بر روی سطح مذاب، شکل های متفاوتی را ایجاد خواهد کرد. با افزایش ضخامت ورق، شکل و الگوی این خط افتادگی ها متغیر و پیچیده تر خواهد شد.
زیرا مذاب مجبور است مسافت بیشتری را طی کند و نیز جریان سیال گاز کمکی در عمق شکاف، شرایط متفاوتی را ایجاد خواهد کرد. همچنین به علت حرکت بیشتر مذاب بر روی ورق، حجم و ابعاد خط افتادگی ها به علت افزایش یافتن حجم قطره جاری شده، افزایش می یابد. از همین رو نواحی خط افتادگی بر روی ورق را به نواحی گذرا، اولیه، ثانویه و پایانی تقسیم می کنند.
یکی از مواردی که می تواند برای بررسی کیفیت برشکاری ورق های ضخیم (بالاتر از 2 میلی متر) استفاده شود بررسی سطح آن ها از لحاظ زبری ایجاد شده است.
در انواع فرایندهای صنعتی، ناحیه متاثر از حرارت همیشه یک چالش پیش رو در مقابل هر فرایند حرارتی است و همواره سعی بر این است که مقدار این ناحیه کمتر شود تا خواص ورق کمتر دچار تغییرات شود. میزان ناحیه متاثر از حرارت به ویژه برای ورق هایی که هدایت حرارت پایینی دارند و ورق های گران قیمت و مواردی که کیفیت بسیار خوب برش مورد نیاز باشد مهم تر بوده و وجود آن آثار سوء بیشتری ایجاد خواهد کرد.
با توجه به این که این فرایند یک فرایند حرارتی است تغییراتی در میکروساختار ماده و بنابراین تغییراتی در سختی ماده پس از برش ایجاد می شود.