انواع دستگاه‌های برش لیزری و کاربردها

برش لیزری به جای ابزارهای برش فیزیکی یا برش شعله‌ای با دمای بالا، از لیزر استفاده می‌کند. با توجه به ویژگی‌های لیزر، نسبت به برش سنتی مزایای قابل توجهی دارد. علاوه بر قدرت برش لیزر، خواص نوری لیزر بیشترین تأثیر را بر برش دارند، مانند طول موج، پهنای پالس، فرکانس تکرار پالس و غیره. بسته به نوع لیزر، تجهیزات لیزر صنعتی فعلی عمدتاً به لیزر فیبر، لیزر CO2 و لیزر YAG تقسیم می‌شوند.

لیزر فیبر

لیزر فیبری نوعی سیستم لیزری است که از فیبر شیشه‌ای آلاییده شده با عناصر خاکی کمیاب به عنوان محیط تقویت استفاده می‌کند. این سیستم از سه بخش تشکیل شده است: محیط تقویت، منبع پمپ و حفره تشدید. به طور کلی، لیزر نیمه‌هادی به عنوان منبع پمپ استفاده می‌شود و حفره تشدید عموماً از بازتابنده، سطح انتهایی فیبر، آینه حلقه فیبر یا توری فیبر و سایر دستگاه‌ها تشکیل شده است. فیبر فعال با عناصر خاکی کمیاب (اربیوم (Er3+)، ایتربیوم (Yb3+)، نئودیمیوم (Nd3+)، ساماریوم (Sm 3+)، تولیم (Tm3+)، هولمیوم (Ho3+)، پرازئودیمیوم (Pr3+)، دیسپروزیم (Dy3+)، بیسموت (Bi3+) و غیره) به عنوان محیط تقویت استفاده می‌شود.

بسته به یون‌های آلاییده شده، لیزرهای فیبری می‌توانند به خروجی‌های لیزری با طول موج‌های مختلف دست یابند. طول موج مورد استفاده در صنعت عموماً 1.06 میکرومتر (یک دهم طول موج لیزر CO2) است، بنابراین به ویژه برای برش صفحات فلزی نازک مناسب است.

مزایای لیزرهای فیبری

کیفیت پرتو خوب: ساختار موجبر فیبر نوری تعیین می‌کند که لیزر فیبر به راحتی می‌تواند خروجی تک حالت عرضی را به دست آورد و کمتر تحت تأثیر عوامل خارجی قرار می‌گیرد و می‌تواند به خروجی لیزر با روشنایی بالا دست یابد. با استفاده از این نوع لیزر، برش کوچک با لبه مستقیم و سطح برش صافی ایجاد می‌شود و می‌توان نسبت عمق به قطر و نسبت عمق به عرض زیادی به دست آورد.

راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالا: راندمان تبدیل الکترواپتیکی می‌تواند به 20 تا 30 درصد برسد (لیزرهای CO2 عموماً 8 تا 10 درصد هستند). راندمان تبدیل انرژی بسیار بالا، این نوع لیزر را در مصرف انرژی صرفه‌جویی کرده و گرمای کمتری تولید می‌کند. تجهیزات کم‌مصرف می‌توانند از سیستم خنک‌کننده هوا استفاده کنند و نیاز به برق دستگاه خنک‌کننده آب مورد استفاده در تجهیزات پرمصرف نیز به همین ترتیب کاهش می‌یابد.

سرعت برش بالا: سرعت برش می‌تواند به ۴ تا ۵ برابر دستگاه برش لیزر YAG برسد.

پایداری بالای تجهیزات و نگهداری ساده:مسیر نوری ساده است، به هیچ بازتابنده پیچیده‌ای نیاز ندارد، کمتر تحت تأثیر محیط خارجی قرار می‌گیرد و هزینه نگهداری بعدی آن کم است.

هزینه پایین استفاده: راندمان تبدیل الکترواپتیکی بسیار بالا می‌تواند در مصرف برق صرفه‌جویی بیشتری کند، سیستم مسیر نوری ساده، هزینه‌های نگهداری بعدی را بسیار پایین می‌آورد و از هیچ گاز واسطه‌ای استفاده نمی‌شود که باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های مرتبط می‌شود.

بی‌ضرر برای بدن انسان: طول موج لیزر، نور مادون قرمز است که برای چشم انسان نامرئی است و هیچ آسیبی به بدن انسان نمی‌رساند.

معایب لیزرهای فیبری

محدودیت مواد برش: لیزر فایبر نمی‌تواند مواد غیرفلزی را برش دهد و همچنین نمی‌تواند موادی را که سطح آنها روکش دارد، مانند فولاد ضد زنگ روکش‌دار معمولی، صفحات فولادی مخصوص با روکش ضد زنگ و غیره، برش دهد.

هزینه اولیه بالا: خرید اولیه دستگاه برش لیزر فایبر گران‌تر است، اما هزینه‌های عملیاتی بعدی آن بسیار کمتر است.

لیزر CO2

لیزر CO2 یک لیزر گازی است که نماینده "لیزر مولکولی ارتعاش-چرخش" در لیزر گازی است. گاز عامل آن ترکیبی از CO₂، N₂ و He است. الکترون‌های موجود در اتم‌ها در حالت پایه باقی می‌مانند و گذار لیزر بین دو سطح انرژی چرخشی از حالت‌های ارتعاشی مختلف CO2 رخ می‌دهد.

رایج‌ترین نوع ژنراتور لیزر CO2 از یک تیوب لیزر CO₂ تحریک‌شده با جریان مستقیم استفاده می‌کند. این نوع ژنراتور از یک میدان الکتریکی جریان مستقیم (DC) با ولتاژ بالا (معمولاً چندین کیلوولت) برای هدایت مستقیم تخلیه گاز استفاده می‌کند، که در آن مولکول‌های CO₂ از طریق برخورد الکترون‌ها به سطوح انرژی ارتعاش-چرخش تحریک می‌شوند و به وارونگی جمعیت و انتشار لیزر دست می‌یابند.

همچنین یک مولد لیزر CO2 پیشرفته وجود دارد - تیوب لیزر فرکانس رادیویی (RF) که از یک میدان الکتریکی جریان متناوب (AC) با فرکانس بالا (مثلاً ۱۳.۵۶ مگاهرتز) برای تحریک کوپلینگ بدون الکترود مولکول‌های گاز استفاده می‌کند و تخلیه پلاسما ایجاد می‌کند. این فرآیند مولکول‌های CO₂ را به سطوح انرژی ارتعاش-چرخش تحریک می‌کند و باعث انتشار لیزر می‌شود. تیوب لیزر RF در مقایسه با سیستم‌های تحریک شده با DC، یکنواختی تخلیه برتر، حالت‌های پرتو پایدارتر (مثلاً TEM₀₀) و راندمان بالاتر، طول عمر بیشتر و چگالی توان بیشتری را ارائه می‌دهد.

مزایای لیزر CO2

برش مواد غیرفلزی: لیزر CO2 دارای طول موج 10.6 میکرومتر است. پرتو نور این طول موج به راحتی توسط مواد غیرفلزی جذب می‌شود. بازتاب‌پذیری پایین و دمای تبخیر آن باعث می‌شود انرژی نور جذب شده تقریباً به طور کامل وارد ماده شود و باعث شود تبخیر در یک لحظه سوراخ‌هایی ایجاد کند و در طول فرآیند برش وارد یک چرخه مطلوب شود.

عملکرد پایدار: دستگاه‌های برش لیزر CO2 بیش از 30 سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسیاری از ویژگی‌های پردازش آن به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته و فناوری پردازش آن بسیار بالغ شده است.

بی‌ضرر برای بدن انسان: طول موج لیزر، نور مادون قرمز است که برای چشم انسان نامرئی است و هیچ آسیبی به بدن انسان نمی‌رساند.

معایب لیزر CO2

برای برش فلز مناسب نیست: دستگاه‌های برش لیزر CO2 معمولی برای برش مواد فلزی دشوار هستند زیرا لیزر با طول موج 10.6 میکرومتر که توسط آنها ساطع می‌شود، به سختی توسط مواد فلزی جذب می‌شود. اگرچه با اصلاح دستگاه برش (افزایش قدرت، اضافه کردن عایق بازتابنده، استفاده از احتراق اکسیژن و غیره) می‌توان مقداری برش فلز انجام داد، اما هزینه و اثر برش آنها بسیار پایین‌تر از دستگاه برش لیزر فیبر است و قابلیت برش مواد فلزی با بازتاب بالا بسیار ضعیف است، به خصوص برای پردازش فلزات غیر آهنی با بازتاب بالا مانند طلا، نقره، مس، آلومینیوم، روی و غیره مناسب نیست.

هزینه بالای استفاده بعدی: لیزر 10.6 میکرومتری تولید شده توسط دستگاه برش لیزر CO2 نمی‌تواند از طریق فیبر نوری منتقل شود و برای انعکاس به چندین بازتابنده نیاز دارد. مسیر نوری پیچیده است. پس از نصب، جابجایی آن آسان نیست. الزامات سختگیرانه‌ای در مورد محیط زیست دارد. لرزش، گرد و غبار، نور و غیره همگی بر پایداری استفاده از آن تأثیر می‌گذارند. و مصرف برق آن زیاد است و عمر مفید بازتابنده و مصرف گاز نیز هزینه استفاده از آن را افزایش می‌دهد.

انعطاف‌پذیری پردازش پایین: در مقایسه با هدایت نور فیبر نوری لیزر فیبر، این نوع انعطاف‌پذیری پردازش لیزر کم است. چگونگی افزایش دامنه برش سه‌بعدی دستگاه برش لیزر CO2 همیشه یک مشکل دشوار در صنعت بوده است.

لیزر YAG

لیزر YAG که نام کامل آن لیزر ایتریم آلومینیوم گارنت آلاییده با نئودیمیوم است، یک لیزر جامد بر پایه کریستال ایتریم آلومینیوم گارنت (Y₃Al₅O₁₂، که به اختصار YAG نامیده می‌شود) است.

مزایای لیزر YAG

انرژی تک پالس بالا و توان اوج بالا: کریستال YAG آستانه آسیب بالایی دارد که می‌تواند به انرژی تک پالس بزرگ و توان پیک بالا دست یابد. در برخی از کاربردهای پردازشی که نیاز به خروجی انرژی بالا و آنی دارند، مانند سوراخکاری و حکاکی عمیق مواد خاص، لیزر YAG می‌تواند وظایف پردازش را به طور مؤثرتری انجام دهد و محدوده کاربرد آن نسبتاً گسترده‌تر است.

قابلیت پردازش مواد فلزی قوی: این دستگاه لیزرهایی با طول موج 1.06 میکرومتر، با راندمان کوپلینگ بالا با فلزات و عملکرد پردازشی خوب تولید می‌کند.

انعطاف‌پذیری بالای پردازش: لیزرهای YAG می‌توانند با فیبرهای نوری کوپل شوند و مانند لیزرهای فیبر نوری، انعطاف‌پذیری پردازشی بسیار بالایی دارند.

قیمت پایین: لیزرهای YAG لیزرهای نسبتاً بالغی هستند که از بلوغ فنی بالایی برخوردارند، قیمت‌های نسبتاً ارزانی دارند و هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه آنها پایین است.

بی‌ضرر برای بدن انسان: طول موج لیزر، نور مادون قرمز است که برای چشم انسان نامرئی است و هیچ آسیبی به بدن انسان نمی‌رساند.

معایب لیزرهای YAG

راندمان تبدیل الکترواپتیکی پایین: بازده تبدیل الکترواپتیکی لیزرهای YAG عموماً ۱٪ تا ۳٪ است و بیشتر انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود.

اثر حرارتی آشکار: هنگامی که لیزر YAG کار می‌کند، یک گرادیان دما در داخل میله لیزر ایجاد می‌شود که باعث ایجاد تنش حرارتی و اثر لنز حرارتی می‌شود. تنش حرارتی ممکن است باعث شکستن میله لیزر شود و بر عملکرد طبیعی لیزر تأثیر بگذارد. اثر لنز حرارتی ویژگی‌های فوکوس پرتو لیزر را تغییر می‌دهد، کیفیت پرتو را کاهش می‌دهد و میانگین توان و بهبود کیفیت پرتو را محدود می‌کند. لیزرهای فیبری از فیبرهای نوری باریک آلاییده شده با عناصر کمیاب به عنوان محیط بهره استفاده می‌کنند که نسبت سطح به حجم زیادی دارند و اتلاف حرارت سریعی دارند و می‌توانند به طور مؤثر از مشکل کاهش کیفیت پرتو و راندمان ناشی از اثرات حرارتی جلوگیری کنند.

قابلیت برش ضعیف غیرفلزات: مانند لیزرهای فیبری، لیزر YAG با طول موج ۱.۰۶ میکرومتر نیز برای برش مواد غیرفلزی مناسب نیست.

پیشنهادات خرید

اگر عمدتاً مواد فلزی را پردازش می‌کنید، لیزر فیبر انتخاب خوبی است. این لیزر به ویژه برای برش ورق‌های فلزی مناسب است. راندمان تبدیل الکترواپتیکی آن نیز بسیار بالاتر از لیزر CO2 و لیزر YAG است. اندازه آن کوچک و نگهداری آن آسان است. از قابلیت‌های پردازش انعطاف‌پذیری عالی برخوردار است. به طور خاص، هزینه دستگاه‌های برش لیزر فیبر در سال‌های اخیر به تدریج کاهش یافته است. این لیزر تقریباً جایگزین لیزرهای جامد سنتی و لیزرهای دی اکسید کربن در برش فلز شده است.

اگر عمدتاً مواد غیرفلزی (مانند چوب، اکریلیک، پلاستیک، چرم، سرامیک و غیره) را پردازش می‌کنید، لیزر دی‌اکسید کربن تنها انتخاب است.

علاوه بر مزیت آشکار هزینه، لیزرهای YAG اساساً در زمینه برش صنعتی جایگزین لیزرهای فیبری شده‌اند.