دوم. ترکیب تجهیزات برش لیزری
۲.۱ اجزا و اصول کار دستگاه برش لیزر
یک دستگاه برش لیزری شامل یک ساطع کننده لیزر، سر برش، مجموعه انتقال پرتو، میز کار ماشین ابزار، سیستم کنترل عددی (NC)، کامپیوتر (سخت افزار و نرم افزار)، چیلر، سیلندر گاز محافظ، جمع کننده گرد و غبار و خشک کن هوا است.
-
ژنراتور لیزر
ژنراتور لیزر دستگاهی است که منابع نور لیزر را تولید میکند. برای کاربردهای برش لیزری، اکثر ماشینها از لیزرهای گاز CO₂ استفاده میکنند که دارای راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالا و توان خروجی بالا هستند، به جز چند مورد که از لیزرهای حالت جامد YAG استفاده میشود. همه لیزرها برای برش مناسب نیستند، زیرا برش لیزری الزامات سختگیرانهای را برای کیفیت پرتو اعمال میکند.
-
سر برش
این سیستم عمدتاً شامل اجزایی مانند نازل، لنز فوکوس و سیستم ردیابی فوکوس است.
دستگاه محرک سر برش برای هدایت سر برش جهت حرکت در امتداد محور Z طبق برنامههای از پیش تعیینشده استفاده میشود. این دستگاه شامل یک سروو موتور و قطعات انتقال قدرت مانند پیچهای سربی یا چرخدندهها است.
(1) نازل: سه نوع اصلی نازل وجود دارد: نوع موازی، نوع همگرا و نوع مخروطی.
(2) لنز متمرکزکننده: برای انجام برش با استفاده از انرژی پرتو لیزر، پرتو اصلی ساطع شده توسط لیزر باید از طریق یک لنز متمرکز شود تا یک نقطه نورانی با چگالی انرژی بالا تشکیل دهد. لنزهای با فاصله کانونی متوسط و بلند برای برش صفحات ضخیم مناسب هستند و الزامات کمتری برای پایداری فاصله سیستم ردیابی دارند. لنزهای با فاصله کانونی کوتاه فقط برای برش صفحات نازک زیر 3 میلیمتر مناسب هستند. آنها الزامات سختگیرانهای برای پایداری فاصله سیستم ردیابی دارند، اما میتوانند توان خروجی لیزر مورد نیاز را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.
(3) سیستم ردیابی: سیستم ردیابی فوکوس دستگاه برش لیزر عموماً از یک هد برش فوکوس کننده و یک سیستم حسگر ردیابی تشکیل شده است. هد برش عملکردهای هدایت و فوکوس پرتو، خنک کننده آب، دمیدن گاز و تنظیم مکانیکی را در خود جای داده است.
این حسگر از عناصر حسگر و یک واحد کنترل تقویت تشکیل شده است. سیستمهای ردیابی بسته به نوع عناصر حسگر کاملاً متفاوت هستند. دو نوع اصلی در دسترس است: یکی سیستم ردیابی حسگر خازنی است که به عنوان سیستم ردیابی غیرتماسی نیز شناخته میشود؛ دیگری سیستم ردیابی حسگر القایی است که به عنوان سیستم ردیابی تماسی نیز شناخته میشود.
-
مجمع انتقال پرتو
مسیر نوری خارجی: از آینههای بازتابنده برای هدایت پرتو لیزر در جهت دلخواه استفاده میشود. برای جلوگیری از نقص در مسیر پرتو، تمام آینههای بازتابنده توسط سپر محافظت میشوند و گاز محافظ فشار مثبت تمیز برای جلوگیری از آلودگی آینهها وارد میشود. یک لنز با کارایی بالا میتواند پرتو غیر واگرا را در یک نقطه بینهایت کوچک متمرکز کند. معمولاً از لنزی با فاصله کانونی ۵.۰ اینچ استفاده میشود، در حالی که لنز ۷.۵ اینچی فقط برای برش مواد ضخیمتر از ۱۲ میلیمتر قابل استفاده است.
-
میز کار ماشین ابزار
بدنه اصلی ماشین: بخش ماشین ابزاردستگاه برش لیزریبخش مکانیکی است که حرکت محورهای X، Y و Z، از جمله سکوی کار برش را محقق میکند.
-
سیستم کنترل عددی
سیستم NC، ابزار ماشین را برای دستیابی به حرکات محور X، Y و Z کنترل میکند و همزمان توان خروجی لیزر را تنظیم میکند.
-
سیستم خنک کننده
واحد چیلر: برای خنک کردن ژنراتور لیزر استفاده میشود. لیزر دستگاهی است که انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل میکند. به عنوان مثال، راندمان تبدیل یک لیزر گازی CO₂ عموماً 20٪ است و انرژی باقیمانده به گرما تبدیل میشود. آب خنککننده، گرمای اضافی را از بین میبرد تا عملکرد طبیعی ژنراتور لیزر حفظ شود. واحد چیلر همچنین آینههای مسیر نوری خارجی و لنزهای فوکوس کننده ابزار ماشین را خنک میکند و کیفیت انتقال پرتو پایدار را تضمین میکند و به طور مؤثر از تغییر شکل یا ترک خوردگی لنز به دلیل گرمای بیش از حد جلوگیری میکند.
-
سیلندرهای گاز
سیلندرهای گاز شامل سیلندرهای محیط کار و سیلندرهای گاز کمکی برای دستگاه برش لیزر هستند که برای تکمیل گازهای صنعتی برای نوسان لیزر و تأمین گازهای کمکی برای سر برش استفاده میشوند.
-
سیستم حذف گرد و غبار
این دستگاه دود و گرد و غبار تولید شده در طول پردازش را استخراج میکند و تصفیه را انجام میدهد تا اطمینان حاصل شود که انتشار گازهای خروجی مطابق با استانداردهای حفاظت از محیط زیست است.
-
خشککن و فیلتر خنککننده هوا
این دستگاه هوای تمیز و خشک را برای ژنراتور لیزر و مسیر پرتو تأمین میکند و عملکرد طبیعی مسیر پرتو و آینههای بازتابنده را حفظ میکند.
۲.۲ مشعل برش برای برش لیزری
نمودار ساختاری یک مشعل برش برای برش لیزری در زیر نشان داده شده است. این مشعل عمدتاً از بدنه مشعل، لنز فوکوس کننده، آینه بازتابنده و نازل گاز کمکی تشکیل شده است. در طول برش لیزری، مشعل برش باید الزامات زیر را برآورده کند:
۱- مشعل میتواند جریان گاز کافی را خارج کند.
② جهت خروج گاز داخل مشعل باید با محور نوری آینه بازتابنده هم محور باشد.
③ فاصله کانونی مشعل را میتوان به راحتی تنظیم کرد.
④ در حین برش، بخار فلز و پاششهای ناشی از برش فلز نباید به آینه بازتابنده آسیب برساند.
حرکت مشعل برش توسط یک سیستم حرکتی NC تنظیم میشود. سه سناریو برای حرکت نسبی بین مشعل برش و قطعه کار وجود دارد:
۱- مشعل ثابت میماند در حالی که قطعه کار از طریق میز کار حرکت میکند - عمدتاً برای قطعات کار کوچک مناسب است.
② قطعه کار در حین حرکت مشعل ثابت میماند.
③ هم مشعل و هم میز کار به طور همزمان حرکت میکنند.
۲.۲.۱ سر برش
سر برش لیزری در انتهای سیستم انتقال پرتو قرار دارد که از یک لنز فوکوس کننده و یک نازل برش تشکیل شده است.
لنزهای فوکوس کننده عمدتاً بر اساس فاصله کانونی طبقهبندی میشوند. اکثر تجهیزات برش لیزری مجهز به چندین سر برش با فواصل کانونی مختلف هستند. به عنوان مثال، برش لیزری CO₂، فواصل کانونی رایج 127 میلیمتر (5 اینچ) و 190 میلیمتر (7.5 اینچ) هستند. یک لنز با فاصله کانونی کوتاه، نقطه کانونی کوچک و عمق کانونی کوتاهی ایجاد میکند که برای کاهش عرض شیار و دستیابی به برشهای ظریفتر مفید است. یک لنز با فاصله کانونی بلند، نقطه کانونی بزرگتر و عمق کانونی طولانیتری ایجاد میکند. در مقایسه با لنزهای با فاصله کانونی کوتاه، لنزهای با فاصله کانونی بلند میتوانند پرتوی متمرکز با چگالی انرژی لیزر کافی برای پردازش مواد در نزدیکی نقطه کانونی فراهم کنند. بنابراین، لنزهای با فاصله کانونی کوتاه بیشتر برای برش دقیق صفحات نازک استفاده میشوند، در حالی که لنزهای با فاصله کانونی بلند برای مواد ضخیمتر مورد نیاز هستند تا عمق کانونی کافی به دست آید و حداقل تغییر در قطر نقطه و چگالی توان کافی در محدوده ضخامت برش تضمین شود.
از لنزهای متمرکزکننده برای متمرکز کردن پرتو لیزر موازی تابیده شده به مشعل برش استفاده میشود و به این ترتیب به نقطه کانونی کوچکتر و چگالی توان بالاتر دست مییابد. لنزها از موادی ساخته میشوند که میتوانند طول موج لیزر را منتقل کنند. شیشه نوری معمولاً برای لیزرهای حالت جامد استفاده میشود، در حالی که موادی مانند ZnSe، GaAs و Ge برای لیزرهای گازی CO₂ (از آنجا که شیشه معمولی در برابر پرتوهای لیزر CO₂ شفاف نیست) به کار میروند که در میان آنها ZnSe بیشترین کاربرد را دارد.
برای برش لیزری، به حداقل رساندن قطر نقطه کانونی برای افزایش چگالی توان و امکان برش با سرعت بالا مطلوب است. با این حال، فاصله کانونی کوتاهتر لنز منجر به عمق کانونی کوچکتر میشود و دستیابی به سطح برش عمود را هنگام برش صفحات ضخیم دشوار میکند. علاوه بر این، فاصله کانونی کوتاهتر، فاصله بین لنز و قطعه کار را کاهش میدهد و خطر آلوده شدن لنز توسط پاششهای مذاب در حین برش و تأثیر بر عملکرد عادی را افزایش میدهد. بنابراین، فاصله کانونی مناسب باید به طور جامع بر اساس عواملی مانند ضخامت برش و الزامات کیفیت برش تعیین شود.
۲.۲.۲ آینه بازتابنده
وظیفه آینه بازتابنده تغییر جهت پرتو ساطع شده از لیزر است. برای پرتوهای لیزرهای حالت جامد، میتوان از آینههای بازتابنده ساخته شده از شیشه نوری استفاده کرد. در مقابل، آینههای بازتابنده در دستگاههای برش لیزر گاز CO₂ معمولاً از مس یا فلزاتی با بازتاب بالا ساخته میشوند. برای جلوگیری از آسیب ناشی از گرمای بیش از حد ناشی از تابش لیزر در حین کار، آینههای بازتابنده معمولاً با آب خنک میشوند.
۲.۲.۳ نازل
نازل برای پاشش گاز کمکی به داخل ناحیه برش استفاده میشود و ساختار آن تأثیر خاصی بر راندمان و کیفیت برش دارد. شکل ۴.۱۱ شکلهای رایج نازل برای برش لیزری را نشان میدهد؛ شکلهای روزنه نازل شامل انواع استوانهای، مخروطی و همگرا-واگرا است.
انتخاب نازل معمولاً از طریق آزمایشهایی بر اساس جنس و ضخامت قطعه کار و فشار گاز کمکی تعیین میشود. برش لیزری معمولاً از نازلهای هم محور (که در آن جریان گاز با محور نوری هم محور است) استفاده میکند. اگر جریان گاز و پرتو لیزر هم محور نباشند، احتمالاً در حین برش پاشش بیش از حد رخ میدهد. دیواره داخلی دهانه نازل باید صاف باشد تا جریان گاز بدون مانع تضمین شود و از تلاطم که ممکن است بر کیفیت برش تأثیر بگذارد، جلوگیری شود. برای اطمینان از پایداری برش، فاصله بین انتهای نازل و سطح قطعه کار باید به حداقل برسد، که معمولاً از 0.5 میلیمتر تا 2.0 میلیمتر متغیر است. قطر دهانه نازل باید اجازه دهد پرتو لیزر به راحتی عبور کند و از برخورد پرتو با دیواره داخلی دهانه جلوگیری شود. هرچه قطر دهانه کوچکتر باشد، همسو کردن پرتو دشوارتر است. برای یک فشار گاز کمکی معین، محدوده بهینهای از قطر دهانه نازل وجود دارد. یک دهانه بیش از حد کوچک یا بزرگ مانع از خروج محصولات مذاب از محل برش شده و بر سرعت برش تأثیر میگذارد.
تأثیر قطر روزنه نازل بر سرعت برش تحت توان لیزر ثابت و فشار گاز کمکی در شکلهای ۴.۱۲ و ۴.۱۳ نشان داده شده است. میتوان مشاهده کرد که یک قطر روزنه نازل بهینه وجود دارد که حداکثر سرعت برش را به دست میدهد. این مقدار بهینه تقریباً ۱.۵ میلیمتر است، صرف نظر از اینکه از اکسیژن یا آرگون به عنوان گاز کمکی استفاده شود.
آزمایشها بر روی برش لیزری آلیاژهای سخت (که برش آنها دشوار است) نشان میدهد که قطر بهینه روزنه نازل بسیار نزدیک به نتایج فوق است، همانطور که در شکل ۴.۱۴ نشان داده شده است. قطر روزنه نازل همچنین بر عرض شیار برش و عرض ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) تأثیر میگذارد. همانطور که در شکل ۴.۱۵ نشان داده شده است، با افزایش قطر روزنه نازل، عرض شیار برش افزایش مییابد در حالی که عرض HAZ باریک میشود. دلیل اصلی باریک شدن HAZ، افزایش اثر خنککننده جریان گاز کمکی بر روی ماده پایه در ناحیه برش است.
۲.۳ پارامترهای تجهیزات برش لیزری
۲.۳.۱ تجهیزات برشکاری با مشعل
در تجهیزات برش با محرک مشعل، مشعل برش بر روی یک گانتری متحرک نصب شده و به صورت افقی در امتداد تیر گانتری (محور Y) حرکت میکند. گانتری مشعل را به حرکت در امتداد محور X هدایت میکند، در حالی که قطعه کار روی میز کار ثابت است. از آنجایی که لیزر و مشعل برش به طور جداگانه قرار گرفتهاند، ویژگیهای انتقال لیزر، موازی بودن در امتداد جهت اسکن پرتو و پایداری آینههای بازتابنده، همگی در طول فرآیند برش تحت تأثیر قرار میگیرند.
تجهیزات برش با مشعل میتوانند قطعات کار بزرگ را برش دهند. این تجهیزات مساحت نسبتاً کمی را برای منطقه تولید برش اشغال میکنند و میتوانند به راحتی با سایر تجهیزات ادغام شوند تا یک خط تولید تشکیل دهند. با این حال، دقت موقعیتیابی آن تنها ±0.04 میلیمتر است.
ساختار معمول تجهیزات برش با مشعل در شکل ۴.۱۹ نشان داده شده است. یک دستگاه برش لیزر CO₂ با موج پیوسته به کار گرفته شده است که فاصله لیزر تا مشعل برش ۱۸ متر است. برای اطمینان از اینکه تغییر قطر پرتو در این فاصله انتقال، در عملیات برش اختلال ایجاد نمیکند، ترکیب آینههای نوسانگر باید با دقت طراحی شود.
پارامترهای فنی اصلی تجهیزات برش مشعل به شرح زیر است:
- توان خروجی لیزر: ۱.۵ کیلووات (تک حالته)، ۳ کیلووات (چند حالته)
- کورس مشعل: محور X 6.2 متر، محور Y 2.6 متر
- سرعت رانندگی: 0-10 متر در دقیقه (قابل تنظیم)
- کورس شناور محور Z مشعل: ۱۵۰ میلیمتر
- سرعت تنظیم محور Z مشعل: 300 میلیمتر در دقیقه
- حداکثر اندازه ورق فولادی فرآوری شده: 12 میلیمتر × 2400 میلیمتر × 6000 میلیمتر
- سیستم کنترل: حالت کنترل NC یکپارچه
۲.۳.۲ تجهیزات برش میز محور XY
در تجهیزات برش با محور XY، مشعل برش روی قاب ثابت شده و قطعه کار روی میز برش قرار میگیرد. میز برش طبق دستورات NC در امتداد محورهای X و Y حرکت میکند و سرعت حرکت آن معمولاً از 0 تا 1 متر در دقیقه یا 0 تا 5 متر در دقیقه قابل تنظیم است. از آنجایی که مشعل برش نسبت به قطعه کار ثابت میماند، تأثیر بر تراز و مرکز پرتو لیزر در طول فرآیند برش را به حداقل میرساند و عملکرد برش یکنواخت و پایدار را تضمین میکند. هنگامی که دستگاه به یک میز برش کوچک با دقت مکانیکی بالا مجهز میشود، به دقت موقعیتیابی ±0.01 میلیمتر دست مییابد ودقت برش عالیکه آن را به ویژه برای برش دقیق قطعات کوچک مناسب میکند. علاوه بر این، میزهای برش بزرگتر با کورس محور X 2300-2400 میلیمتر و کورس محور Y 1200-1300 میلیمتر برای پردازش قطعات کار بزرگ موجود است.
پارامترهای فنی اصلی تجهیزات برش میز محور XY به شرح زیر است:
- منبع لیزر: لیزر گازی CO₂ (نوع لوله مستقیم نیمه بسته)
- منبع تغذیه لیزر: ولتاژ ورودی ۲۰۰ ولت AC؛ ولتاژ خروجی ۰ تا ۳۰ کیلوولت؛ حداکثر جریان خروجی ۱۰۰ میلیآمپر
- توان خروجی لیزر: ۵۵۰ وات
- کورس میز برش: محور X 2300 میلیمتر، محور Y 1300 میلیمتر
- سرعت پیشروی میز برش (قابل تنظیم پلهای): 0.4-5.0 متر در دقیقه، 0.2-2.5 متر در دقیقه، 0.1-1.3 متر در دقیقه، 0.05-0.6 متر در دقیقه
- کورس شناور محور Z مشعل: ۱۸۰ میلیمتر
- حداکثر اندازه صفحه پردازش شده: 6 میلیمتر × 1300 میلیمتر × 2300 میلیمتر
- سیستم کنترل: حالت کنترل عددی (NC)
۲.۳.۳ تجهیزات برش با دو محرک (مشعل و میز)
تجهیزات برش دو محرکه (مشعل و میز) از نظر طراحی بین ماشینهای برش مشعلی و میز XY قرار میگیرند. مشعل برش روی یک گانتری نصب شده و به صورت افقی در امتداد تیر گانتری (محور Y) حرکت میکند، در حالی که میز برش به صورت طولی حرکت میکند. این طراحی ترکیبی مزایای دقت برش بالا و راندمان صرفهجویی در فضا را با هم ترکیب میکند. با دقت موقعیتیابی ±0.01 میلیمتر و محدوده سرعت برش قابل تنظیم 0 تا 20 متر بر دقیقه، این دستگاه یکی از پرکاربردترین ماشینهای برش موجود در بازار است. مدلهای بزرگتر این دستگاه، کورس محور Y برابر با 2000 میلیمتر و کورس محور X برابر با 6000 میلیمتر را ارائه میدهند که امکان برش قطعات کار بزرگ را فراهم میکند.
نوسانگر لیزر روی گانتری در کنار مشعل برش نصب شده است. این پیکربندی دقت فوقالعادهای را هنگام برش سوراخهای دایرهای ارائه میدهد. این دستگاه همچنین از راندمان تولید بالایی برخوردار است: میتواند ۴۶ سوراخ دایرهای (با قطر ۱۰ میلیمتر) در دقیقه را روی یک صفحه فولادی با ضخامت ۱ میلیمتر برش دهد.
۲.۳.۴ تجهیزات برش یکپارچه
در یکدستگاه برش یکپارچهمنبع لیزر روی قاب نصب شده و به صورت طولی با آن حرکت میکند، در حالی که مشعل برش با مکانیزم محرک خود یکپارچه شده است تا به صورت افقی در امتداد تیر قاب حرکت کند. این دستگاه از کنترل عددی برای برش اجزای با شکلهای مختلف استفاده میکند. برای جبران تغییر طول مسیر نوری ناشی از حرکت افقی مشعل برش، معمولاً یک ماژول تنظیم طول مسیر نوری مجهز شده است. این ماژول، پرتو لیزر همگن را در ناحیه برش تضمین میکند و کیفیت سطح برش ثابتی را حفظ میکند.
زمان ارسال: ۱۷ دسامبر ۲۰۲۵ 
