کلیاتی در مورد ماشین‌های برش لیزری فلزات

ماشین برش لیزری دستگاهی است که فرآیند برش را با مدیریت و کنترل پرتو پرقدرت لیزر انجام می‌دهد. در این فرآیند در بسیاری مواقع، به‌خصوص در برش فلزات، علاوه بر پرتو لیزر از یک گاز کمکی بی‌‎اثر یا فعال به منظور خروج مواد مذاب و/یا مشارکت در فرآیند گرمایی برش استفاده می‌شود.

در این ماشین، همانند دیگر ماشین‌های CNC، طرح هندسی مورد نظر با استفاده از یک نرم‌افزار CAD به رشته‌ه‎ای عدد تبدیل می‎شود و سپس یک نرم افزار CAM این رشته اعداد را به عنوان مختصات حرکتیِ، دو بعدی یا سه بعدی، نقشۀ برش لحاظ می‎کند.

در برش لیزری همانند برش سیم (EDM) یا پلاسما لازم است تا علاوه بر کنترل حرکت فیزیکی، پارامترهای الکترومغناطیسی نظیر توان و فرکانس در هماهنگی کامل با مسیر حرکت تحت کنترل باشند. کنترل پارامترهای اپتیکی نظیر اندازۀ لکه، نقطۀ کانونی و عمق کانون بخشِ مهمِ دیگر و وجه ممیز برش لیزری با دیگر روش‎‌های برش است. در حقیقت، یک برش لیزری خوب یک عملیات حرارتی موفق است. اما لیزر چیست و پرتو لیزر چه ویژگی‎‌هایی دارد.

پرتو لیزر

لیزر نامی اختصاری در زبان انگلیسی است (LASER) که هر واژۀ تشکیل دهندۀ آن حرف اول کلمات کلیدی عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation است، که یعنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش.

هر پرتو الکترومغناطیس که دارای ویژگی‌های زیر باشد یک پرتو لیزر محسوب می‎شود:

• تک‎فام بودن (Monochromatic)؛ لیزر برخلاف نورهای عادی که از طیفی گسترده از طول موج‎‌های مختلف تشکیل شده‌اند، تک طول موج است.
• راستامندی (Directional)؛ پرتو لیزر بر خلاف نور عادی در راستایی مشخص سیر می‎کند.
• همدوسی (Coherency)؛ دسته پرتوهای تولید شده توسط لیزر به لحاظ زمانی و مکانی در یک فاز قرار دارند.

پرتو لیزر به طور طبیعی در جهان پیرامون یافت نمی‌شود و تولید آن مستلزم دستکاری‌ها و برهم‎نهش‌هایی هدف‎مند در ساختار فیزیکی و شیمیایی مواد است. برای تولید این پرتو به یک مُشَدَد نیاز داریم که در ادامه به توضیح آن می‌پردازیم.

مشدد لیزری (Resonator)

یک مشدد لیزری محیطی است که اجازه می‌دهد تا پرتو تولیدشده در مادۀ فعال (active medium) لیزر، که به طور طبیعی در فرکانس‌های خاصی نوسان می‌کند، تقویت شود. مادۀ فعال با قرارگرفتن در معرض دمش اپتیکی یا تحریک الکتریکی پرتو لیزر را تولید می‌کند و سپس این پرتوها با رفت و برگشت چندین میلیون‌باره در طول مشدد (کاواک اپتیکی) در هر ثانیه با دیگر پرتوهای مشابه تولید شده تجمیع شده و باریکه‌های پرقدرت از لیزر می‌سازند.

هر رزوناتوری به لحاظ مفهومی از یک یا مجموعه‌‎ای از بازتابنده‌‎های کلی و یک بازتابندۀ جزئی تشکیل شده تا بخشی از پرتو تولیدشده و محدود در این فضا بتواند پس از تقویت از کاواک اپتیکی خارج شود. رایج‎ترین بازتابنده‌ها در دنیای لیزر آینه‌ها هستند، که متناسب با طول موج لیزر از جنسی خاص ساخته می‌شوند و بسته به نقشی که قرار است ایفا کند لایه‌‎نشانی (coating) می‌شوند.

شکل ۱- نمایی ساده شده از یک رزوناتور Nd:YAG

لیزرها بسته به فاز ماده فعال به دو دستۀ حالت جامد و گازی تقسیم می‌شوند. تاکنون مواد معدودی در طبیعت یافت شده‌اند که امکان تولید پرتو لیزر را با مهار در یک شبکۀ کریستالی حالت جامد یا یک ترکیب مشخص گازی پیدا کنند. لیزرهای حالت جامد مطرح در برش فلزات Nd:YAG، Fiber laser وDisk laser هستند که البته در دو دهۀ اخیر لیزرهای Nd:YAG به کاربردهای خاصی در رده‌های کم توان و متوسط توان محدود شده‌اند. تنها لیزر گازی مطرح در برش فلزات لیزر CO2 است، که تولید این لیزر نیز در یک دهۀ اخیر نسبت به مهم‎ترین رقیب نوظهورش Fiber laser کاهش چشم‎گیری داشته است. در مورد معایب و محاسن این لیزرها در بخش تفاوت‌های تکنیکی لیزرهای صنعتی سخن خواهیم گفت. هر یک از این لیزرها طول موج خاصی تولید می‌کنند. وجه مشترک تمامی چهار لیزر نام برده شده این است که طول موج‎شان در محدودۀ مادون قرمز (Infrared) قرار دارد، که نامرئی است. طول موج لیزر CO2 حدوداً ده برابر سه لیزر حالت جامد یاد شده است. پرتوهای پرتوان این لیزرها خطرناک است و در صورت اصابت با بدن و به‌خصوص چشم می‌‎تواند آسیب‌های جبران‌‎ناپذیری به بار آورد.

نمایی کلی از یک ماشین برش لیزر دوبعدی

همان‎طور که در مقدمه اشاره شد، ماشین برش لیزری یک ماشین CNC است که پارامترهای حرکتی برش و پارامترهای الکترومغناطیسی و اپتیکی پرتو لیزر را به منظور دست‎یابی به برش بهینه کنترل می‌کند. پرتو لیزر در رزوناتور تولید می‌شود، سپس توسط سیستم انتقال پرتو به روی هد برش منتقل می‌شود. این پرتو به منظور کنترل ویژگی‌های الکترومغناطیس مدوله می‌شود. هد برش پرتو را در مکانی خاص، که بسته به جنس و ضخامت ماده مشخص می‌شود، کانونی می‌کند. گاز کمکی به همراه پرتو لیزر از طریق هد برش در منطقه برش دمیده می‌شود و فشار آن توسط رگولاتورهای گازی تنظیم می‌شود. در نهایت کنترلر مسیر حرکتی را که در نرم‌افزار برش کشیده شده به موتورها می‌آموزد. لیزرهای دوبعدی در ابعاد مختلف ساخته می‌شوند که عموماً در تناسب با اندازه‌های استاندارد ورق‎های فلزی، یعنی ۱۲ ، ۱.۵۳ ، ۲۴ و ۲۶ است.

پس رزوناتور، سیستم انتقال پرتو، هد برش، کنترلر و سیستم حرکتی اجزای اصلی یک ماشین برش لیزرند، و دیگر بخش‌ها نظیر چیلر، مکنده، کمپرسور و بدنۀ محافظ از ادوات فرعی آن‎انند که یا بنا به ملاحظات فنی نظیر خنک‌کاری به آن اضافه شده‌اند و یا بنا به ملاحظات ایمنی و محیط زیستی.

شکل۲- نمایی مفهومی از برش لیزر

در لیزرهای حالت جامد پرتو هم می‌تواند به وسیلۀ سیستم‌های انکساری/بازتابی سنتیِ انتقال پرتو متشکل از آینه‌های انتقالی به روی هد منتقل شود و هم به وسیلۀ فیبرنوری. اما در لیزهای CO2 استفاده از فیبر نوری ممکن نیست، چرا که هنوز مادۀ منعطفی با قابلیت تجاری‎سازی پیدا نشده است که قابلیت انتقال حداکثری پرتو لیزر CO2 را، بدون جذب مؤثر، داشته باشد.

سیستم‌های حرکت در ماشین‌های برش لیزری دو بعدی تنوع بالایی دارند. مرسوم‌ترین و جدیدترین آن، حرکت به شیوۀ فلای اپتیک (fly optic) است که در آن حرکتِ هر دو راستای X و Y را هد برش انجام می‌دهد. در سیستم‎ حرکت ترکیبی هد تنها در یک راستا حرکت می‌کند، عموماً Y، و حرکت راستای دیگر با جابجایی میز برش یا حرکت ورق توسط گیره‌ها در عین ثبات میز انجام می‌شود. در برخی از قدیمی‌ترین ماشین‌های برش فلزات حرکت هر دو راستا توسط میز برش یا ورق انجام می‌گیرد. شیوۀ اخیر اینک تنها در برخی از ماشین‌‎های میکروبرش و برای برش ورق‎های کوچک کاربرد دارد.

تفاوت‌های تکنیکی لیزرهای صنعتی

در انتخاب یک دستگاه برش لیزری مناسب، مؤلفه‌های بسیاری تأثیرگذار است. در این بخش با صرف‌نظر از مباحث تجاری، که البته در جای خود مهم و تأثیرگذار است، صرفاً با رویکردی فنی به مسألۀ انتخاب ماشین مناسب می‌‎پردازیم. فرض بر این است که خریدار به درستی لیزر را در میان دیگر روش‌های برش برگزیده است. اما به طور خلاصه و با صرف‌نظر از موارد خاص، مادامی که ظرفیت برش محدود به ضخامت حداکثر ۳۰ میلی متر آهن، و برای فلزاتی نظیر استیل زنگ نزن و مس به درجات مختلف کم‎تر از مقدار یادشده، باشد و به سطح بالایی از انعطاف‌پذیری در برش کانتورها، سرعت و دقت نیاز باشد، انتخاب دستگاه لیزر نسبت به رقبایی نظیر دستگاه پلاسما و واترجت توجیه‌پذیر است. از آن‎جا که هزینۀ سرمایه‌ه‎ای لیزر نسبت به رقبای هم‎وزن خود بالاتر است، باید قبل از اقدام به خرید یا گرفتن خدمات انتظارات خود از کیفیت برش و سرعت مورد نیاز را به درستی آزمود.

در ادامه ویژگی‌های فنی تأثیرگذار در انتخاب دستگاه مناسب لیزر در شش دسته تقسیم شده و به اختصار توضیح داده شده‌‎اند:

ضخامت و جنس مواد

مؤلفه‌های مهم در برش انواع مواد، ضخامت‎ها و جنس‌های مختلف، به توان لیزر و طول موج بستگی دارد. هر لیزری طول موج مخصوص به خود را دارد و میزان جذب پرتو در مواد به این طول موج بستگی دارد. به طور کلی میزان جذب پرتو لیزر CO2 در فلزات کم‎تر از این میزان در لیزرهای حالت جامد، یعنی Nd:YAG، Fiber laser وDisk laser است. این مسأله بیش‌تر در برش فلزاتی چون استیل و آلومینیوم در سرعت برش نمود می‌یابد. اما در برش فلزات رنگین، یعنی مس، برنج و برنز لیزر CO2 به‌طور کلی مزیت رقابتی خود را نسبت به لیزرهای حالت جامد از دست می‌دهد. با این حال، نباید این نکته را از نظر دور داشت ‌که طول موج همۀ لیزرهای صنعتی شناخته شده، اعم از لیزرهای گازی و لیزرهای حالت جامد، در محدودۀ مادون قرمز قرار دارد و تفاوت جذب طول موج‌هایشان در مواد مختلف تفاوتی کمی است و نه کیفی. از این رو برش مواد رنگین توسط لیزرهای حالت جامد نیز سخت‎ و حتی گاهی خطرناک است.

توان مؤلفۀ تأثیرگذار بعدی است. به علت تفاوت گفته شده در بالا در مورد طول موج و با کمی مسامحه یک لیزر CO2 باn وات توان با یک لیزر حالت جامد با ۲n/3 توان برابری می‌کند. به هر حال، توان اپتکی بیش‎تر یعنی ظرفیت برش بیش‎تر.

شکل کانتورها

همان‎طور که در مقدمه اشاره شد، برش لیزری یک عملیات گرمایی است. کنترل گرمایی در کانتور‎های کوچک، لبه‌های تیز و انحناهای تند آسان نیست و دستگاهی در این برش‌ها موفق‌تر عمل خواهد کرد که بتواند مؤلفه‌های حرکتی، الکترومغناطیس و اپتیکی مؤثر در این فرآیند را با یک فهم دقیق علمی از فرآیند برش لیزری و عملیات حرارتی کنترل و سازگار کند. به عنوان مثال این پرسش که «لیزر CO2 چهارکیلوات ظرفیت برش آهن st37 را تا چه ضخامتی دارد؟» تنها زمانی معنا دارد که از کانتورهای بزرگ و بدون پیچیدگی‌های هندسی سخن بگوییم. وگرنه هرگونه پاسخ سرراست به آن فریبنده خواهد بود. و پرسش بسته به قابلیت‌های دستگاه پاسخ‌هایی متفاوت خواهد یافت.

سرعت و دقت هندسی

دو مؤلفۀ سرعت و دقت اغلب برگ برندۀ لیزر نسبت به رقباست. بنابراین عجیب نیست که رقابتی سرسام‌آور در میان کمپانی‌های سازنده در این زمینه در جریان باشد. در این بخش بحث به سرعت و دقت در خود فرآیند برش‎کاری محدود شده است. بحث‎های هم ارز و منتج از اتوماسیون در مفهوم کلی آن در بخش بعدی بحث شده است.

به طور کلی در فرآیند برش‎کاری لیزری باید سه سنخ سرعت را از هم تفکیک کرد:

سرعت برش

سرعت برش به عوامل زیر بستگی دارد:

• پتانسیلی که سیستم حرکتی محورها در اختیار ماشین می۲گذارد. بدیهی است که اگر یک سیستم حرکتی نتواند مثلاً سرعت ۳۰ متر بر دقیقه را تأمین کند یا دقت هندسی لازم را در این سرعت به دست دهد، نمی‎توان سرعت برشی معادل این مقدار در اختیار داشت.
• چگالی توان در منطقۀ برش که به توان اپتیکی لیزر، کیفیت پرتو و قابلیت‌‎های هد برش در کانونی کردن پرتو بستگی دارد.

سرعت حرکت محورها

در حرکت محورها علاوه بر سرعت، شتاب نیز مؤلفه‌‎ای بسیار تأثیرگزار است. به طور کلی در ماشین‌های برش لیزری از یکی از سه نوع سیستم حرکتی بال اسکرو، دنده شانه‌ای و موتورهای خطی استفاده می‌شود. که سرعت و شتاب این سیستم‌ها به ترتیب ذکر شده در بالا افزایش می‌یابد. یعنی بیش‎ترین سرعت و شتاب توسط موتورهای خطی تأمین می‌‎شود و سپس توسط سیستم‌های دنده شان‎ه‌ای، سیستم‎های بال اسکرو با تفاوتی بیش‎تر در جایگاه سوم قرار می‎گیرند.

در برش یک ورق فلزی با کانتورهای زیادِ جدا از هم، سرعت حرکت محورها و نحوۀ حرکت هد برش میان کانتورها اهمیتی بالاتر از خود سرعت برش می‌یابد و می‌‎تواند تعیین کننده‌ترین نقش را در صرفه‌جویی در زمان بیابد.

سرعت سوراخ‎کاری اولیه (piercing) در مواد ضخیم

در برش ورق‎های ضخیم «راه به در شدن» پرتو به منظور ایجاد امکان شکل‌گیری چاله مذاب یک چالش است. قابلیت‌‎های هد برش و کنترل مؤلفه‌های الکترومغناطیسی پرتو در پرتو دانش پایه‎ای سازنده از این فرآیند در این‎جا بسیار تأثیرگذار است. یک سوراخ‌زنی با کیفیت و سریع در ورق‎های ضخیم می‌تواند در بسیاری پروژه‌ها برگ برندۀ یک ماشین خاص باشد.

دقت هندسی

دقت هندسی در برش لیزری توسط چند مفهوم قابل اندازه‌گیری است:

دقت مکان‌‎یابی: قابلیت کنترلی-مکانیکی ماشین جهت نشان رفتن یک نقطۀ خاص در صفحۀ مختصات. این دقت در ماشین‌های پیشرفتۀ لیزر از مرتبۀ چندده میکرون است.

دقت تکرارپذیری: قابلیت کنترلی-مکانیکی ماشین جهت تکرار دقت برش در موارد مختلف است. این دقت نیز در ماشین‌های پیشرفتۀ لیزر از مرتبۀ چندده میکرون است.

پهنای برش: بسته به چگالی توان لیزر، فشار گاز کمکی، دبی گاز و جنس ورق، پهنای برش لیزر متفاوت است. هر پهنای فیزیکی برش را می‌توان به عنوان خطایی هندسی لحاظ کرد. این دقت در لیزرهای پیشرفته چیزی در حدود ۵۰ تا ۴۰۰ میکرون است.

عمودیت لبۀ برش: میزان تعامد لبۀ برش در مقطع عرضی در تمام ضخامت ورق. یک برش موفق برشی است که تعامد را در تمام مقطع برش حفظ کرده باشد.

اتوماسیون

به منظور کاهش خطای انسانی، کاهش هزینۀ نیروی کار و افزایش سرعت خدمات، اتوماسیون یکی از زمینه‌های اصلی رقابت کمپانی‌های سازندۀ ماشین‌های لیزری است. موارد اصلی مورد رقابت در این عرصه عبارت‌اند از:

• تعویض میزبرش
• بارگذاری ورق
• تنظیم نقطۀ کانونی پرتو
• تعویض نازل برش
• تخلیه و طبقه‌بندی قطعات بریده شده
• تخلیۀ ضایعات

ایمنی و محیط زیست

به منظور حفاظت از محیط زیست انسانی و طبیعی دستگاه‌های پیشرفتۀ برش لیزری توسط کاور محصور می‌شوند تا با تعبیۀ یک سیستم مکنده و قرار دادن فیلترهای مربوطه دوده‌ها، مواد مذاب و گازهای سمی تصفیه شود. سیستم مکنده هم‎چنین به افزایش طول عمر قطعات ماشین از قبیل محورها نیز کمک می‌کند.

به منظور افزایش ایمنی کار نیز دستگاه٬های پیشرفتۀ لیزر به وسایل زیر مجهز می‌شوند:

• شیشه‌های حفاظت از اشعه؛ به منظور جذب بازتاب‌های مضر از سطح کار
• پرتوحفاظ‌‎های (beam guard) اطراف میز؛ به منظور جلوگیری از برخورد فیزیکی افراد و اشیا با میز در حال حرکت
• انواع میکروسوئیچ‌ها و سنسورها در مسیر درها و قطعات اپتیکی؛ به منظور توقف گسیل پرتو و حرکت دستگاه هنگام باز شدن درها یا خارج شدن ناخواستۀ ادوات اپتیکی از جای خود.

سرویس و نگهداری

یکی از مؤلفه‌‎های تأثیرگذار در انتخاب ماشین برش لیزری مناسب، هزینۀ سرویس و نگهداری است. پیش‎تر رزوناتور، سیستم انتقال پرتو، هد برش، کنترلر و سیستم حرکتی به عنوان اجزای اصلی یک ماشین برش لیزری معرفی شدند. در مورد سرویس و نگهداری هر یک از این اجزا مباحث مختلفی وجود دارد. در این‎جا بحث را به اجزای اختصاصی یک ماشین برش لیزری یعنی رزوناتور، سیستم انتقال پرتو و هد برش محدود می‌‎کنیم. رزوناتور Nd:YAG با بازدهی ۱.۵% تبدیل انرژی الکتریکی به اپتیکی و عدم دستیابی به کیفیت پرتو مناسب در توان‌های بالای ۵۰۰ وات خیلی زود عرصه را به لیزرهای CO2 با بازدۀ ۱۰% و امکان حفظ کیفیت پرتو تا حدود ۶ کیلووات توان واگذار کرد. اما این لیزر به زودی در قالب‌های جدید لیزر فیبرنوری و دیسک لیزر دوباره به عرصه بازگشت. لیزرهای فیبر و دیسک در عین برخورداری از طول موج ظریف‎، مشابه لیزر Nd:YAG، با بازدهی حدود ۳۰% بیش‎ترین صرفه‌جویی در برق مصرفی را در میان لیزرهای شناخته شدۀ صنعتی دارند. این لیزرها برخلاف لیزرهای پرتوان CO2 به گاز مصرفی و آینه‌های خارجی نیاز ندارند و در مجموع قطعات ساده‌‎تر و کم‎تری نسبت به لیزر CO2 دارند. در لیزر فیبر حتی آینۀ داخلی نیز وجود ندارد. در مقابل، سیستم انتقال پرتو فیبری و قطعات اپتیکی هد برش لیزرهای حالت جامد حساسیت بسیار بیش‎تری نسبت به آلودگی و برگشت پرتو دارند. همچنین تکنولوژی لیزرهای فیبرنوری و دیسک انحصاری‌تر از لیزرهای CO2 است و امکان گرفتن خدمات تعمیراتی این لیزرها در بازار آزاد به گستردگی لیزرهای CO2 نیست.

منابع:

• William T.Silfvast, Laser Fundamentals, second edition, Cambridge, 2004.
• William M.Steen, Jytirmoy Mazumder, Laser Material Processing, Fourth Edition, Springer, 2010.
• Fox, Daniel, “How Fiber Laser Technology Compares to CO2”, Boss Laser, Retrieved 14 July 2014.