1. مبدأ وتصنيف القطع بالليزر

● مبدأ القطع بالليزر

ال القطع بالليزر يستخدم شعاعًا مركّزًا عالي الكثافة للعمل، بحيث يتم إذابة المادة المشعة بسرعة أو تبخرها أو استئصالها أو إشعالها، ويتم نفخ المادة المنصهرة بواسطة تدفق هواء عالي السرعة محوري مع الشعاع، وبالتالي قطع قطعة العمل.

عند تفاعل شعاع الليزر مع المادة، تحدث عدة عمليات. ترفع الحرارة الشديدة الناتجة عن شعاع الليزر درجة حرارة المادة بسرعة، مما يؤدي إلى ذوبانها أو تبخرها أو تفاعلها كيميائيًا. يعتمد التفاعل النوعي على خصائص المادة، مثل معامل الامتصاص ونقطة الانصهار، بالإضافة إلى معلمات الليزر، مثل كثافة الطاقة ومدة النبضة.

بالنسبة للمواد ذات درجات الانصهار المنخفضة، مثل البلاستيك، يُذيب شعاع الليزر المادة أثناء قطعها. ثم تُنفث المادة المنصهرة بواسطة نفث غازي، مما يُحدث شقًا (عرض القطع). أما بالنسبة للمواد ذات درجات الانصهار الأعلى، مثل المعادن، فيُبخّر شعاع الليزر المادة مباشرةً، مما يُحدث قطعًا دقيقًا وضيقًا.

يُستخدم الغاز المساعد بشكل شائع في القطع بالليزر لتحسين عملية القطع. يُنفث غاز، مثل الأكسجين أو النيتروجين، عبر فوهة رأس القطع على سطح المادة. يساعد الغاز على إزالة المادة المنصهرة أو المتبخرة من منطقة القطع، ويُبرّد المادة، ويمنع تكون النتوءات أو الشوائب. يعتمد اختيار الغاز على نوع المادة المراد قطعها وجودة القطع المطلوبة.

يُحدَّد عرض الشق، أو عرض القطع، بناءً على عدة عوامل، منها قوة الليزر، وحجم البؤرة، وسمك المادة، وسرعة القطع. ويمكن التحكم في عرض الشق بتعديل هذه المعلمات لتحقيق دقة القطع المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، قد يُؤدي القطع بالليزر إلى ظاهرة تُسمى "التدرُّج"، حيث يكون للقطع شكل مخروطي طفيف. تعتمد زاوية التدرُّج على خصائص المادة ومعايير الليزر، ويمكن تقليلها بتحسين ظروف القطع.

●أساسيات الليزر:

الليزر (تضخيم الضوء بالانبعاث المُحفَّز للإشعاع) هو جهاز يُنتج شعاعًا مُركَّزًا من الضوء المتماسك. يتكون من ثلاثة مكونات رئيسية: وسط نشط، ومصدر طاقة، ومرنان بصري. يُصدر الوسط النشط، الذي قد يكون صلبًا أو سائلًا أو غازًا، فوتونات عند تنشيطه بمصدر الطاقة. يعكس المرنان البصري الفوتونات ذهابًا وإيابًا عبر الوسط النشط، مُضخِّمًا موجات الضوء ومُحاذاةً إياها. تُؤدي هذه العملية إلى تكوين شعاع ليزر قوي ومتماسك.

● القطع بالليزر تصنيف

هناك أنواع عديدة من الليزر تُستخدم في آلات القطع بالليزر، بما في ذلك ليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر Nd:YAG، وليزر الألياف. يُعد ليزر ثاني أكسيد الكربون النوع الأكثر شيوعًا، ويستخدم مزيجًا من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم كوسيط نشط. أما ليزر Nd:YAG، فيستخدم بلورة صلبة، مثل عقيق اليتريوم والألومنيوم المشبع بالنيوديميوم، كوسيط نشط. من ناحية أخرى، يستخدم ليزر الألياف أليافًا بصرية مشبعة بعناصر أرضية نادرة كوسيط نشط. يتميز كل نوع من الليزر بخصائص فريدة، وهو مناسب لتطبيقات قطع محددة.

1) ليزر ثاني أكسيد الكربون

يستخدم عادة لقطع المواد غير المعدنية مثل الخشب والبلاستيك والزجاج والمنسوجات. ويمكنه أيضًا قطع المعادن مثل الفولاذ الصلب والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم بالإعداد الصحيح.

2) القطع بالتبخير بالليزر

تُسخّن قطعة العمل بواسطة شعاع ليزر عالي الطاقة، فترتفع درجة حرارتها بسرعة، وتصل إلى درجة غليان المادة في وقت قصير جدًا، وتبدأ بالتبخر لتكوين بخار. تُطرد هذه الأبخرة بسرعة عالية، ويتشكل شق في المادة أثناء قذفها. عادةً ما تكون حرارة تبخر المادة كبيرة، لذا يتطلب القطع بالتغويز بالليزر طاقة وكثافة طاقة كبيرتين.

غالبًا ما يتم استخدام القطع بالتبخير بالليزر لقطع المواد المعدنية وغير المعدنية الرقيقة جدًا.

3) القطع بالصهر بالليزر

عند صهر الليزر وقطعه، تُصهر المادة المعدنية بتسخينها، ثم يُرشّ الغاز غير المؤكسد عبر فوهة متحدة المحور مع شعاع الضوء، فيُفرّغ المعدن السائل تحت ضغط الغاز القوي مُشكّلاً شقاً. لا يتطلب صهر وقطع الليزر تبخير المعدن بالكامل، فالطاقة المطلوبة تُمثّل عُشر طاقة القطع بالتبخير فقط.

يتم استخدام القطع بالليزر المنصهر بشكل أساسي لقطع بعض المواد غير القابلة للأكسدة أو المعادن النشطة.

4) قطع الأكسجين بالليزر

يشبه مبدأ القطع بالأكسجين بالليزر القطع بالأكسجين والأسيتيلين. يستخدم الليزر كمصدر حرارة مسبقة للتسخين، ويستخدم غازًا نشطًا كالأكسجين كغاز قطع. من جهة، يعمل الغاز المحقون على المعدن المقطوع مسببًا تفاعل أكسدة يُطلق كمية كبيرة من حرارة الأكسدة؛ ومن جهة أخرى، يُنفث الأكسيد المنصهر والذوبان من منطقة التفاعل ليشكلا شقًا في المعدن.

نظرًا لأن تفاعل الأكسدة أثناء عملية القطع يولد كمية كبيرة من الحرارة، فإن الطاقة المطلوبة لقطع الأكسدة بالليزر هي نصف قطع المنصهر فقط، وسرعة القطع أكبر بكثير من قطع التبخر بالليزر وقطع المنصهر.

يتم استخدام القطع بالأكسجين بالليزر بشكل أساسي في الفولاذ الكربوني والفولاذ التيتانيوم والمواد المعدنية المعالجة بالحرارة مثل المعالجة الحرارية.

5) تقطيع الليزر والتحكم في الكسر

التقطيع بالليزر هو مسح سطح المادة الهشة باستخدام ليزر عالي الطاقة، مما يؤدي إلى تبخير المادة إلى أخدود صغير بالحرارة، ثم تطبيق ضغط معين، مما يؤدي إلى تشقق المادة الهشة عند هذا الأخدود الصغير. عادةً ما تكون ليزرات النقش بالليزر عبارة عن ليزرات Q-switched وليزر ثاني أكسيد الكربون.

يتم التحكم في الكسر من خلال توزيع درجة الحرارة الحاد الناتج عن النقش بالليزر، والذي يولّد إجهادًا حراريًا محليًا في المادة الهشة، مما يتسبب في توقف إنتاج المادة.

●عملية القطع بالليزر

تتضمن عملية القطع بالليزر عدة خطوات. أولاً، يُولّد مصدر الليزر شعاع الليزر، ويُوجّه عبر سلسلة من المرايا والعدسات إلى رأس القطع. يحتوي رأس القطع على بصريات تركيز تُركّز شعاع الليزر في بقعة صغيرة. ثم يُوجّه شعاع الليزر المُركّز على المادة المراد قطعها.

2. ميزات القطع بالليزر

● الميزة

1) جودة قطع جيدة

يمكن تحقيق جودة قطع أفضل من خلال القطع بالليزر بسبب بقعة الليزر الصغيرة وكثافة الطاقة العالية وسرعة القطع السريعة.

2) كفاءة القطع العالية

بفضل خصائص نقل الليزر، تُجهّز آلة القطع بالليزر عادةً بطاولات عمل متعددة للتحكم الرقمي، مما يُتيح التحكم الرقمي الكامل في عملية القطع. عند التشغيل، ما عليك سوى تغيير برنامج التحكم الرقمي، لقطع قطع بأشكال مختلفة، وإجراء قطع ثنائي الأبعاد، أو ثلاثي الأبعاد.

3) سرعة القطع السريعة

لا تتطلب عملية القطع بالليزر مواد تثبيت التثبيتات، مما يوفر التثبيتات ويوفر الوقت الإضافي للتحميل والتفريغ.

4) القطع بدون تلامس

لا يوجد تلامس بين الشعلة وقطعة العمل أثناء القطع بالليزر، ولا يحدث تآكل للأداة. لتصنيع قطع بأشكال مختلفة، لا حاجة لتغيير "الأداة"، يكفي تغيير معلمات خرج الليزر. تتميز عملية القطع بالليزر بانخفاض مستوى الضوضاء والاهتزاز، كما أنها خالية من التلوث.

● العيب

القطع بالليزر نظرًا للحدود المفروضة على طاقة الليزر وحجم المعدات، فإن القطع بالليزر لا يمكنه قطع سوى الألواح والأنابيب ذات السماكة المتوسطة والصغيرة، كما تقل سرعة القطع بشكل كبير مع زيادة سماكة قطعة العمل.

تعتبر معدات القطع بالليزر باهظة الثمن وتتطلب استثمارًا لمرة واحدة.