برش لیزر چیست؟ برش لیزر آهن و فلزات در چه صنایعی انجام می شود؟

برش لیزر فرآیندی نوین و کارآمد در حوزه تولید و ساخت است که با استفاده از یک پرتو لیزر متمرکز و پرقدرت مواد مختلف از جمله آهن و فلزات را با دقت و سرعت بالا برش می دهد. این فناوری به دلیل مزایای بی شماری مانند دقت فوق العاده کیفیت لبه برش عالی سرعت بالا و قابلیت برش طرح های پیچیده به سرعت در صنایع گوناگون جایگاه ویژه ای پیدا کرده است. در ادامه این مقاله به بررسی جامع اصول عملکرد برش لیزر در زمینه آهن و فلزات استانداردهای بین المللی و تکنولوژی های پیشرفته مرتبط خواهیم پرداخت.

اصول عملکرد برش لیزر

برش لیزر بر مبنای اصول فیزیک نور و ترمودینامیک استوار است. در این فرآیند یک منبع لیزر نوری با شدت بالا و طول موج مشخص تولید می کند. این نور از طریق یک سیستم اپتیکی شامل آینه ها و لنزها متمرکز شده و به یک نقطه بسیار کوچک بر روی سطح قطعه کار هدایت می شود. تمرکز پرتو لیزر باعث افزایش چگالی انرژی در نقطه مورد نظر شده و حرارت بسیار زیادی ایجاد می کند. این حرارت موضعی دمای ماده را به سرعت بالا برده و باعث ذوب تبخیر یا سوختن آن می شود.

مکانیسم دقیق برش لیزر بسته به نوع ماده و توان لیزر متفاوت است اما به طور کلی می توان آن را به مراحل زیر تقسیم کرد :

1. جذب انرژی لیزر : ماده مورد نظر انرژی پرتو لیزر را جذب می کند. میزان جذب انرژی به خواص ماده طول موج لیزر و زاویه تابش بستگی دارد. فلزات معمولاً بازتاب کننده های خوبی برای نور هستند اما در طول موج های خاصی مانند طول موج لیزرهای فیبر جذب انرژی به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
2. افزایش دما و ذوب/تبخیر : انرژی جذب شده باعث افزایش دمای موضعی ماده می شود. اگر توان لیزر کافی باشد دما به نقطه ذوب یا تبخیر ماده می رسد. در برش فلزات معمولاً فرآیند ذوب و سپس خروج ماده مذاب از ناحیه برش رخ می دهد.
3. خروج ماده مذاب/تبخیر شده : برای جلوگیری از تجمع ماده مذاب و ایجاد برش تمیز از یک گاز کمکی (Assist Gas) استفاده می شود. این گاز با فشار به ناحیه برش دمیده شده و ماده مذاب یا تبخیر شده را از مسیر برش خارج می کند. نوع گاز کمکی بسته به نوع فلز و فرآیند برش انتخاب می شود. به عنوان مثال برای برش فولاد معمولاً از اکسیژن یا نیتروژن استفاده می شود. اکسیژن فرآیند اکسیداسیون را تسریع کرده و برش را سریع تر می کند در حالی که نیتروژن برش تمیزتر و بدون اکسیداسیون ایجاد می کند.
4. حرکت نسبی پرتو لیزر و قطعه کار : برای ایجاد برش در مسیر دلخواه پرتو لیزر یا قطعه کار به صورت دقیق و کنترل شده نسبت به هم حرکت می کنند. این حرکت توسط یک سیستم کنترل عددی کامپیوتری (CNC) انجام می شود که بر اساس طرح برش از پیش تعیین شده مسیر حرکت را هدایت می کند.

اجزای اصلی سیستم برش لیزر

یک سیستم برش لیزر صنعتی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام نقش مهمی در عملکرد کلی سیستم ایفا می کنند. اجزای اصلی عبارتند از :

• منبع لیزر (Laser Source) : قلب سیستم برش لیزر منبع تولید پرتو لیزر است. انواع مختلفی از منابع لیزر برای برش مواد مختلف وجود دارد. برای برش فلزات رایج ترین منابع لیزر عبارتند از :
  • لیزر CO۲ : لیزرهای CO۲ از گاز دی اکسید کربن به عنوان محیط فعال لیزری استفاده می کنند. این لیزرها در طول موج مادون قرمز (۱۰.۶ میکرومتر) کار می کنند و برای برش مواد غیرفلزی مانند چوب پلاستیک و پارچه مناسب هستند. در برش فلزات لیزرهای CO۲ با توان بالا نیز استفاده می شوند اما لیزرهای فیبر به دلیل مزایای بیشتر جایگزین آن ها شده اند.
  • لیزر فیبر (Fiber Laser) : لیزرهای فیبر از فیبر نوری آلاییده به عناصر نادر خاکی مانند اِربیوم یا ایتربیوم به عنوان محیط فعال لیزری استفاده می کنند. این لیزرها در طول موج نزدیک به مادون قرمز (۱.۰۶ میکرومتر) کار می کنند و به دلیل طول موج کوتاه تر پرتو با کیفیت تر و راندمان بالاتر برای برش فلزات بسیار مناسب هستند. لیزرهای فیبر به سرعت در حال جایگزینی سایر انواع لیزر در صنعت برش فلزات هستند.
  • لیزر Nd : YAG : لیزرهای Nd : YAG از کریستال ایتریوم آلومینیوم گارنت (YAG) آلاییده به نئودیمیوم به عنوان محیط فعال لیزری استفاده می کنند. این لیزرها در طول موج ۱.۰۶ میکرومتر کار می کنند و قابلیت برش فلزات و غیرفلزات را دارند. لیزرهای Nd : YAG به دلیل نیاز به نگهداری بیشتر و راندمان پایین تر نسبت به لیزرهای فیبر کمتر در صنعت برش فلزات استفاده می شوند.
• سیستم انتقال پرتو (Beam Delivery System) : این سیستم وظیفه هدایت پرتو لیزر از منبع لیزر به سر برش را بر عهده دارد. در سیستم های برش لیزر CO۲ معمولاً از آینه های بازتابنده برای هدایت پرتو استفاده می شود. در لیزرهای فیبر پرتو لیزر از طریق فیبر نوری به سر برش منتقل می شود که این امر انعطاف پذیری سیستم را افزایش می دهد.
• سر برش (Cutting Head) : سر برش شامل اجزای اپتیکی نهایی برای متمرکز کردن پرتو لیزر بر روی قطعه کار نازل برای هدایت گاز کمکی و سیستم های حسگر برای کنترل فرآیند برش است. لنزهای متمرکز کننده در سر برش نقش کلیدی در کیفیت و دقت برش دارند.
• سیستم حرکت (Motion System) : سیستم حرکت حرکت نسبی بین سر برش و قطعه کار را فراهم می کند. سیستم های حرکت معمولاً شامل میز کار CNC موتورهای سروو و سیستم های بازخورد موقعیت هستند. دقت و سرعت سیستم حرکت تأثیر مستقیمی بر دقت و سرعت برش دارد.
• سیستم کنترل CNC (CNC Control System) : سیستم کنترل CNC مغز متفکر دستگاه برش لیزر است. این سیستم بر اساس برنامه برش از پیش تعریف شده حرکت سیستم حرکت توان لیزر جریان گاز کمکی و سایر پارامترهای فرآیند را کنترل می کند. سیستم های CNC پیشرفته امکانات مختلفی مانند برنامه ریزی آفلاین شبیه سازی برش و تشخیص خطا را فراهم می کنند.
• سیستم گاز کمکی (Assist Gas System) : سیستم گاز کمکی شامل منبع گاز سیستم تنظیم فشار و جریان گاز و نازل های هدایت گاز به ناحیه برش است. انتخاب نوع و فشار گاز کمکی تأثیر زیادی بر کیفیت و سرعت برش دارد.
• سیستم خنک کننده (Cooling System) : سیستم خنک کننده برای کنترل دمای منبع لیزر سیستم انتقال پرتو و سر برش استفاده می شود. خنک کاری مناسب عملکرد پایدار و طول عمر اجزای سیستم را تضمین می کند. معمولاً از سیستم های خنک کننده آبی یا هوا-خنک برای این منظور استفاده می شود.
• سیستم ایمنی (Safety System) : سیستم های برش لیزر به دلیل استفاده از لیزر پرقدرت خطراتی مانند تشعشعات لیزر و دود و گازهای ناشی از برش را به همراه دارند. سیستم ایمنی شامل محفظه محافظ لیزر سیستم های تهویه سنسورهای ایمنی و قفل های ایمنی است که برای حفاظت از اپراتور و محیط کار طراحی شده اند.

انواع لیزرهای مورد استفاده در برش آهن و فلزات

همانطور که اشاره شد لیزرهای فیبر به دلیل ویژگی های برتر به طور گسترده در برش لیزر آهن و برش لیزر سایر فلزات مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال در برخی کاربردهای خاص از لیزرهای CO۲ و Nd : YAG نیز استفاده می شود.

• لیزر فیبر : لیزرهای فیبر به دلیل راندمان بالا کیفیت پرتو عالی سرعت برش بالا هزینه نگهداری پایین و طول عمر زیاد انتخاب اول برای برش فلزات هستند. آن ها قادر به برش انواع مختلف فلزات از جمله فولاد کربنی فولاد ضد زنگ آلومینیوم مس برنج و تیتانیوم با ضخامت های مختلف هستند. توان بالای لیزرهای فیبر (تا ده ها کیلووات) امکان برش فلزات ضخیم را نیز فراهم کرده است.
• لیزر CO۲ : لیزرهای CO۲ با توان بالا همچنان در برخی کاربردهای برش فلزات ضخیم مورد استفاده قرار می گیرند به خصوص در مواردی که کیفیت لبه برش در اولویت دوم قرار دارد و هزینه اولیه سیستم باید پایین تر باشد. با این حال لیزرهای فیبر به سرعت در حال جایگزینی لیزرهای CO۲ در این حوزه نیز هستند.
• لیزر Nd : YAG : لیزرهای Nd : YAG بیشتر در کاربردهای خاص مانند برش لیزری دقیق و میکروماشین کاری فلزات کاربرد دارند. به دلیل هزینه بالاتر و راندمان پایین تر نسبت به لیزرهای فیبر استفاده از آن ها در برش عمومی فلزات محدودتر است.

صنایع استفاده کننده از برش لیزر آهن و فلزات

برش لیزر به دلیل مزایای فراوان در صنایع مختلفی که با آهن و فلزات سروکار دارند کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. برخی از مهم ترین این صنایع عبارتند از :

• صنعت خودروسازی : برش لیزر در تولید قطعات بدنه خودرو شاسی سیستم های اگزوز و سایر اجزای فلزی خودرو کاربرد دارد. دقت و سرعت برش لیزر باعث افزایش بهره وری و کاهش ضایعات در خطوط تولید خودرو شده است.
• صنعت هوافضا : صنعت هوافضا به قطعات با دقت بالا و کیفیت فوق العاده نیاز دارد. برش لیزر در تولید قطعات موتورهای هواپیما بدنه هواپیما قطعات سازه های فضایی و سایر اجزای حساس هوافضا به کار می رود. قابلیت برش مواد خاص مانند تیتانیوم و آلیاژهای نیکل با لیزر این فناوری را برای صنعت هوافضا بسیار ارزشمند ساخته است.
• صنعت پزشکی : در صنعت پزشکی برش لیزر برای تولید ابزار جراحی ایمپلنت های پزشکی تجهیزات دندانپزشکی و سایر قطعات فلزی دقیق استفاده می شود. دقت بالا و قابلیت استریل کردن لیزر آن را برای کاربردهای پزشکی ایده آل می سازد.
• صنعت الکترونیک : برش لیزر در تولید قطعات الکترونیکی بردهای مدار چاپی (PCB) قطعات محافظ الکترومغناطیسی (EMI shielding) و سایر اجزای فلزی کوچک و دقیق کاربرد دارد.
• صنعت ساخت و ساز : در صنعت ساخت و ساز برش لیزر برای تولید قطعات سازه های فلزی نمای ساختمان درب و پنجره فلزی نرده و حفاظ فلزی و سایر اجزای معماری فلزی استفاده می شود. برش لیزر امکان ایجاد طرح های پیچیده و سفارشی را در قطعات فلزی ساختمان فراهم می کند.
• صنعت مبلمان و دکوراسیون : برش لیزر در تولید مبلمان فلزی قطعات دکوراتیو فلزی پارتیشن های فلزی و سایر اجزای دکوراسیون داخلی و خارجی کاربرد دارد. قابلیت برش طرح های هنری و پیچیده با لیزر امکان خلق محصولات خلاقانه و جذاب را فراهم می کند.
• صنعت تابلوسازی و تبلیغات : برش لیزر در تولید تابلوهای تبلیغاتی فلزی حروف برجسته فلزی لوگوهای فلزی و سایر اجزای تبلیغاتی فلزی استفاده می شود. دقت و ظرافت برش لیزر کیفیت و جذابیت بصری تابلوهای تبلیغاتی را افزایش می دهد.
• صنعت کشاورزی و ماشین آلات سنگین : برش لیزر در تولید قطعات ماشین آلات کشاورزی قطعات ماشین آلات راهسازی قطعات ماشین آلات معدن و سایر تجهیزات سنگین فلزی کاربرد دارد.
• صنایع هنری و طراحی : هنرمندان و طراحان از برش لیزر برای خلق آثار هنری فلزی مجسمه های فلزی جواهرات فلزی و سایر محصولات هنری و طراحی استفاده می کنند. قابلیت برش طرح های پیچیده و ظریف با لیزر امکانات بی نظیری را برای خلق آثار هنری فراهم می کند.

استانداردهای بین المللی و تکنولوژی های پیشرفته در برش لیزر

صنعت برش لیزر همواره در حال پیشرفت و توسعه است. استانداردهای بین المللی نقش مهمی در تضمین کیفیت ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم های برش لیزر دارند. برخی از استانداردهای مهم در این حوزه عبارتند از :

• ISO ۹۰۰۱ : استاندارد سیستم مدیریت کیفیت که الزامات لازم برای استقرار یک سیستم مدیریت کیفیت مؤثر در سازمان های تولیدی و خدماتی را تعیین می کند.
• ISO ۱۴۰۰۱ : استاندارد سیستم مدیریت زیست محیطی که الزامات لازم برای استقرار یک سیستم مدیریت زیست محیطی مؤثر در سازمان ها را تعیین می کند.
• ISO ۱۳۴۸۵ : استاندارد سیستم مدیریت کیفیت برای صنایع تجهیزات پزشکی که الزامات خاص برای تولید و ارائه تجهیزات پزشکی ایمن و مؤثر را تعیین می کند.
• ISO/TS ۲۹۰۰۱ : استاندارد سیستم مدیریت کیفیت برای صنایع نفت گاز و پتروشیمی که الزامات خاص برای این صنایع را تعیین می کند.
• EN ۱۰۹۰ : استاندارد اروپایی برای اجرای سازه های فولادی و آلومینیومی که الزامات مربوط به طراحی ساخت و نصب این سازه ها را تعیین می کند و برش لیزر نقش مهمی در اجرای دقیق این استاندارد دارد.
• IEC ۶۰۸۲۵–۱ : استاندارد بین المللی ایمنی لیزر که الزامات ایمنی برای محصولات لیزری را تعیین می کند.

در زمینه تکنولوژی های پیشرفته برش لیزر می توان به موارد زیر اشاره کرد :

• برش لیزر با توان بسیار بالا (Ultra-High Power Laser Cutting) : توسعه لیزرهای فیبر با توان های ده ها کیلووات امکان برش فلزات بسیار ضخیم با سرعت و کیفیت بالا را فراهم کرده است. این تکنولوژی در صنایع کشتی سازی ساخت مخازن تحت فشار و سایر صنایع سنگین کاربرد دارد.
• برش لیزر سه بعدی (۳D Laser Cutting) : سیستم های برش لیزر سه بعدی امکان برش قطعات پیچیده با هندسه سه بعدی را فراهم می کنند. این تکنولوژی در صنایع خودروسازی هوافضا و پزشکی کاربرد دارد.
• برش لیزر رباتیک (Robotic Laser Cutting) : استفاده از ربات های صنعتی برای حمل سر برش لیزر انعطاف پذیری و دسترسی به نقاط دشوار را در فرآیند برش افزایش می دهد. این تکنولوژی در صنایع خودروسازی هوافضا و ساخت قطعات بزرگ کاربرد دارد.
• برش لیزر با هوش مصنوعی (AI-Powered Laser Cutting) : ادغام هوش مصنوعی در سیستم های برش لیزر امکان بهینه سازی پارامترهای برش تشخیص خودکار خطاها و بهبود کیفیت برش را فراهم می کند.
• برش لیزر اتوماتیک و بدون اپراتور (Unmanned Laser Cutting) : توسعه سیستم های برش لیزر اتوماتیک و بدون اپراتور امکان افزایش بهره وری کاهش هزینه ها و بهبود ایمنی را فراهم می کند. این سیستم ها با استفاده از سیستم های بینایی ماشین رباتیک و هوش مصنوعی قادر به انجام فرآیند برش به صورت کاملاً خودکار هستند.

نکات فنی مهم در برش لیزر آهن و فلزات

برای دستیابی به برش لیزر با کیفیت و کارآمد در آهن و فلزات توجه به نکات فنی زیر ضروری است :

• انتخاب نوع لیزر مناسب : انتخاب نوع لیزر (فیبر CO۲ Nd : YAG) بر اساس نوع فلز ضخامت و کیفیت برش مورد نیاز از اهمیت بالایی برخوردار است. برای برش بیشتر فلزات لیزر فیبر به دلیل مزایای فراوان انتخاب مناسب تری است.
• تنظیم پارامترهای برش : تنظیم صحیح پارامترهای برش مانند توان لیزر سرعت برش فرکانس پالس (در لیزرهای پالسی) فشار و نوع گاز کمکی فاصله نازل تا قطعه کار و … تأثیر زیادی بر کیفیت و سرعت برش دارد. این پارامترها باید بر اساس نوع فلز ضخامت و طرح برش بهینه شوند.
• انتخاب نازل مناسب : نازل مناسب باید با نوع گاز کمکی و ضخامت ماده سازگار باشد. نازل های مختلفی برای برش با اکسیژن نیتروژن و هوا وجود دارد.
• آماده سازی سطح قطعه کار : سطح قطعه کار باید تمیز و عاری از هرگونه آلودگی زنگ زدگی و روغن باشد. وجود آلودگی بر سطح قطعه کار می تواند باعث کاهش کیفیت برش و افزایش مصرف گاز کمکی شود.
• نگهداری و کالیبراسیون سیستم : نگهداری منظم و کالیبراسیون دوره ای سیستم برش لیزر عملکرد بهینه و طول عمر دستگاه را تضمین می کند. تمیز کردن لنزها آینه ها نازل ها و سایر اجزای اپتیکی بررسی و تنظیم سیستم های خنک کننده و گاز کمکی و کالیبراسیون سیستم حرکت از جمله اقدامات مهم در نگهداری سیستم برش لیزر است.
• رعایت نکات ایمنی : رعایت نکات ایمنی در کار با دستگاه برش لیزر از جمله استفاده از تجهیزات حفاظت فردی (عینک ایمنی لیزر دستکش لباس کار مناسب) تهویه مناسب محیط کار و آموزش اپراتورها برای جلوگیری از حوادث و آسیب های احتمالی ضروری است.

نتیجه گیری

برش لیزر به عنوان یک فناوری پیشرفته و کارآمد نقش حیاتی در صنایع مختلف آهن و فلزات ایفا می کند. دقت بالا سرعت کیفیت برش عالی و قابلیت اتوماسیون این فناوری را به ابزاری ارزشمند برای تولید قطعات فلزی با کیفیت و پیچیده تبدیل کرده است. با پیشرفت تکنولوژی و توسعه لیزرهای پرتوان تر سیستم های هوشمندتر و رباتیک تر انتظار می رود که کاربردهای برش لیزر در آینده گسترده تر شده و نقش آن در صنایع مختلف بیش از پیش پررنگ تر گردد.

پرسش و پاسخ متداول کاربران

سوال ۱ : آیا برش لیزر برای برش تمامی فلزات مناسب است؟

پاسخ : برش لیزر برای برش طیف گسترده ای از فلزات از جمله فولاد کربنی فولاد ضد زنگ آلومینیوم مس برنج و تیتانیوم مناسب است. با این حال برخی فلزات مانند مس و آلومینیوم به دلیل بازتاب پذیری بالا نیاز به توان لیزر بالاتر و تنظیمات خاص دارند.

سوال ۲ : چه تفاوتی بین برش لیزر با گاز اکسیژن و نیتروژن وجود دارد؟

پاسخ : استفاده از گاز اکسیژن در برش لیزر فولاد باعث تسریع فرآیند برش به دلیل ایجاد واکنش اکسیداسیون می شود و سرعت برش را افزایش می دهد اما لبه برش ممکن است کمی اکسید شده و زبرتر باشد. استفاده از گاز نیتروژن برش تمیزتر و بدون اکسیداسیون ایجاد می کند و برای مواردی که کیفیت لبه برش اهمیت بیشتری دارد مناسب است.

سوال ۳ : هزینه برش لیزر نسبت به سایر روش های برش فلزات چگونه است؟

پاسخ : هزینه اولیه دستگاه برش لیزر بالا است اما در بلندمدت به دلیل سرعت بالا دقت کاهش ضایعات و نیاز کمتر به عملیات تکمیلی می تواند مقرون به صرفه تر از بسیاری از روش های سنتی برش فلزات مانند برش پلاسما واترجت یا گیوتین باشد. همچنین هزینه برش لیزر به عواملی مانند نوع فلز ضخامت پیچیدگی طرح برش و حجم کار بستگی دارد.