تتضمن عملية قص المعادن بالليزر عادةً عملية من أربع خطوات تصبح مثيرةة للاهتمام عندما نحللها. تبدأ العملية بأكملها بجهاز تذبذب الليزر لإنتاج شعاع قوي يتم تعزيزه لاحقاً باستخدام خليط غاز ثاني أكسيد الكربون أو كابلات ألياف بصرية خاصة. ما يحدث بعد ذلك مذهل للغاية. تقوم عدسات دقيقة بشكل كبير بتجميع هذا الشعاع إلى قطر أصغر من خصلة شعر بحوالي 0.1 مم. عند هذه الشدّة، يصل كثافة الطاقة إلى أكثر من 10 ملايين واط لكل سنتيمتر مربع، وهو ما يكفي لصهر الفولاذ الكربوني خلال نصف جزء من الألف من الثانية وفقاً لأبحاث حديثة نشرت في مجلة العمليات التصنيعية. ولإتمام العملية، تستخدم غازات مساعدة مثل الأكسجين أو النيتروجين لطرد المعدن المنصهر، مما يسمح بإجراء قصات ضيقة للغاية. نحن نتحدث هنا عن عروض شقوق تصل إلى 0.15 مم حتى في صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 3 مم.
تعمل خمسة أنظمة أساسية بشكل متزامن لضمان الدقة والكفاءة:
يتيح هذا التكامل سرعات قطع تصل إلى 60 متر/دقيقة على الفولاذ اللين بسمك 1 مم مع الحفاظ على تفاوت ±0.05 مم - وهو ما يُعد ضروريًا لمكونات السيارات والفضاء عالية الدقة.
يعمل قطاع صناعة المعادن اليوم بشكل رئيسي مع ثلاث تقنيات ليزر أساسية: أنظمة الليزر القائمة على ثاني أكسيد الكربون (CO2) والليزر الليفي (fiber) وأنظمة الليزر البلورية. تميل ليزرات CO2 إلى التعامل بشكل جيد مع المعادن غير الحديدية السميكة نسبيًا لأنها تستخدم الغاز لإثارة الليزر. أما ليزرات الألياف فقد سيطرت على معظم السوق فيما يتعلق بمعالجة المعادن الرقيقة والمتوسطة السمك، حيث تعزز الضوء القادم من الدايود عبر الألياف البصرية. وبحسب أحدث الأرقام الواردة في تقرير الليزر الصناعي لعام 2024، يمكن لليزرات الليفية قطع الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 3 مم بسرعة تصل إلى ضعف أو ثلاثة أضعاف مقارنة بإعدادات CO2 التقليدية. أما الليزرات البلورية، بما في ذلك نماذج Nd:YAG، فهي محصورة في تطبيقات متخصصة للغاية مثل قطع التيتانيوم، رغم أن هذه الأنظمة لم تعد تشهد نموًا كبيرًا، ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى أنها تتطلب صيانة وتكاليف تشغيل عالية.
تقدم ليزرات الألياف ميزات واضحة:
| مقياس الأداء | الليزر المصنوع من الألياف | ليزر CO2 |
|---|---|---|
| سرعة القطع (صلب بسمك 1 مم) | 25 م/دقيقة | 8 م/دقيقة |
| تكلفة الطاقة/الشهر* | $1,200 | $3,500 |
| استهلاك الغاز المساعد | أقل بنسبة 15% | معيار |
*استنادًا إلى نظام 500 كيلوواط، تشغيل 24/5
للمصنعين الذين يعالجون المعادن بسماكة أقل من 20 مم، توفر الليزرات الليفية عائد استثمار خلال 18–24 شهرًا بفضل تقليل القطع الاستهلاكية والتشغيل المستمر بنسبة 94% (دراسة اقتصاديات التشغيل المعدني 2024). في حين تظل أنظمة CO2 خيارًا مناسبًا للمحلات التي تتعامل مع مواد متنوعة مثل الأكريليك أو الخشب، إلا أنها تستهلك طاقة أكثر بنسبة 50–70% لكل قطع معدني.
يعمل قطع الليزر بشكل أفضل مع المعادن التي تُوصّل الحرارة بشكل متسق وتمتص طاقة الليزر بمعدلات متوقعة. تشمل هذه المواد الفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم، والفولاذ اللين، والنحاس الأصفر، والنحاس. يتميّز الفولاذ المقاوم للصدأ بعدم تآكله بسهولة، ولذلك نراه كثيرًا في الأجهزة الطبية وفي آلات معالجة الأغذية حيث تلعب النظافة دورًا مهمًا. ساعدت خفة وزن الألومنيوم في جعله المادة المُفضّلة لصناعات الطائرات والسيارات، حيث تؤدي كل أوقية يتم توفيرها إلى مكاسب حقيقية في الأداء. لا تُستخدم مادة النحاس الأصفر والنحاس على نطاق واسع في قطع الليزر، لكنها تلعب أدوارًا مهمة في الأنظمة الكهربائية رغم الصعوبات التي تسببها. تميل هذه المعادن إلى عكس شعاع الليزر، ولذلك يحتاج المشغّلون إلى معدات وتقنيات خاصة للحصول على قطع نظيف دون إتلاف المناطق المحيطة.
| نوع المعدن | نطاق السمك النموذجي | المناطق الأساسية للتطبيق |
|---|---|---|
| الفولاذ المقاوم للصدأ | 0.5–25 mm | الأجهزة الطبية، معدات معالجة الأغذية |
| والألمنيوم | 0.5–20 mm | لوحات السيارات، مُبدّدات الحرارة |
| النحاس | 0.5–8 mm | لوحات الدوائر الكهربائية، مبادلات الحرارة |
عند التعامل مع مواد النحاس والبرونز، تظهر مشكلة كبيرة لأنها تعكس أكثر من 90 بالمئة من طاقة الليزر تحت الحمراء. ويمكن أن تؤدي هذه الانعكاسات إلى إلحاق الضرر بالليزر نفسه إذا لم تُدار بشكل صحيح. هنا تأتي أهمية الليزر الليفي، حيث يعمل بشكل أفضل في هذه الحالة نظرًا لكونه يعمل على طول موجي أقصر حوالي 1060 نانومتر، ويملك خاصية تُسمى تعديل القدرة التكيفي والتي تساعد على التحكم في العملية. خذ على سبيل المثال قطع صفائح النحاس بسماكة 2 مم. تحتاج العملية إلى معدلات نبض تفوق 500 هرتز بالإضافة إلى استخدام غاز النيتروجين لمنع حدوث الأكسدة أثناء القطع. وعلى الرغم من أن هذه الخطوات الإضافية تعني استهلاكًا للطاقة بنسبة 15 إلى 20 بالمئة أكثر مقارنة بقطع الصلب، إلا أن معظم الشركات المصنعة تجد أن ذلك يُعد استثمارًا مربحًا للحفاظ على دقة القطع وحماية معداتها باهظة الثمن.
لسمك المادة التي يتم العمل عليها تأثير كبير على سرعة القطع واستهلاك الطاقة خلال العملية. على سبيل المثال، عند التعامل مع فولاذ لين بسمك 5 مم، تكون السرع المناسبة حوالي 8 أمتار في الدقيقة. لكن عند التعامل مع فولاذ أسمك بسمك 20 مم، يحتاج المشغلون إلى تقليل السرعة بشكل كبير لتصل إلى نحو 1.2 متر/دقيقة فقط لتجنب حدوث تشوهات محبطة على الحواف. ما يغفله الكثيرون هو تحضير السطح. يمكن أن تؤدي بقع الصدأ أو الطلاءات غير المنتظمة إلى انحراف شعاع الليزر عن مساره بمقدار نصف ملليمتر، مما يسبب بدوره مشاكل في الأبعاد. إن تنظيف هذه الأسطح المطلية قبل البدء يصنع فرقاً كبيراً. تشير البيانات الصناعية إلى أن هذه الخطوة البسيطة تزيد من اتساق القطع بنسبة 30 بالمائة تقريباً، كما تقلل من تراكم الخبث المزعج الذي يعقد عمليات المعالجة اللاحقة.
يمكن لليزر الليفي أن يقطع المواد بسرعة تصل إلى ثلاثة أضعاف ما تحققه الأنظمة التقليدية من نوع CO2، مع الحفاظ على تفاوتات ضمن حدود 0.1 مم على مواد صعبة مثل صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم. إن البنية الثابتة وراء هذه الليزرات تعني أنها تعمل بكفاءة أعلى بنسبة 30 بالمائة من حيث استهلاك الطاقة. تترجم هذه الكفاءة إلى قطع أنظف حيث تذوب المادة بشكل أساسي بدلًا من أن تحترق، إضافة إلى تأثير حراري أقل بكثير على المناطق المحيطة. بالنظر إلى الأرقام الواقعية من خطوط التصنيع في جميع أنحاء البلاد، أفادت الشركات بأنها توفر ما بين 18 إلى 22 سنتًا لكل قطعة تُصنع من معادن بسمك أقل من 25 مم. لا عجب إذًا أن العديد من ورش معالجة الصفائح المعدنية تتحول إلى تقنية الليزر الليفي لتلبية احتياجاتها الإنتاجية الكبيرة في الوقت الحالي.
استطاع أحد كبار مصنعي قطع السيارات تقليل وقت إنتاج مكونات الهيكل بنسبة تقارب النصف بعد اعتمادهم ليزرات أليفية بقوة 6 كيلوواط لمعالجة صفائح الفولاذ الكربوني بسماكات تتراوح بين 2 إلى 8 مم. الأهم من ذلك هو أن هذه الأنظمة الجديدة تخلصت تقريبًا من الحاجة إلى عمليات إضافية لإزالة الحواف، حيث تحقق قطعًا نظيفًا خاليًا من تراكم البقايا. كما أن النهاية السطحية النهائية تصل إلى حوالي 3.2 ميكرون، وهي درجة نعومة ممتازة. بالنسبة للمصنعين الذين يسعون لمواكبة جداول زمنية مشددة، فإن هذا المستوى من الدقة يُحدث فرقاً كبيراً، خاصة في ظل الضغط المتزايد على مصنعي السيارات لتلبية المواصفات الصارمة للسيارات الكهربائية، حيث تُحسب كل غرام وتُقاس التحملات بدقة بالغة.
لقد بدأ المزيد والمزيد من شركات الطيران والفضاء باستخدام الليزر الليفي عند العمل مع أجزاء هيكلية من الألومنيوم مثل تلك المستخدمة في ضلوع الأجنحة وأجزاء من الهيكل مصنوعة من سبيكة 7075-T6. لماذا؟ لأن هذه الليزرات تعمل عند طول موجي يبلغ حوالي 1070 نانومتر، مما يساعد على تقليل مشاكل انعكاسية المادة. وهذا يعني أنه يمكنها قص ألواح بسماكة 10 مم بشكل منتظم بسرعات تصل إلى 15 متراً في الدقيقة مع الحفاظ على تفاوتات في السمك أقل من 0.5%. نظرة على الاتجاهات الحديثة تُظهر أن 9 من كل 10 تصميمات طائرات جديدة تحتوي فعلياً على بعض مكونات الألومنيوم المقطوعة بالليزر. وبالتالي، أصبح من الضروري للغاية بالنسبة للمصنعين الحصول على أنظمة ليزر ليفية جيدة إذا أرادوا الوفاء بمتطلبات الجودة الصارمة لمعايير AS9100 التي أصبحت شائعة في صناعة الطيران والفضاء.
يُستخدم النيتروجين كغاز مساعد خامل عند ضغوط تتراوح بين 12 و20 بار للحفاظ على مقاومة المادة ضد التآكل. عندما يحدث ذلك، يُمنع التأكسد ويتشكل حواف نظيفة، مما يجعل هذه الأجزاء مثالية للاستخدام في أشياء مثل الأجهزة الطبية أو المكونات المستخدمة في صناعات معالجة الأغذية. خذ على سبيل المثال الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 304 بسماكة 6 مم. باستخدام ليزر ألياف بقوة 2 كيلوواط يعمل بسرعة تتراوح بين 10 إلى 12 مترًا في الدقيقة، نلاحظ عادةً منطقة متأثرة بالحرارة لا تتجاوز 0.1 مم. وبحسب بحث حديث نشر في تقرير التصنيع المعدني لعام 2024، فإن الانتقال من الطرق المعتمدة على الأكسجين إلى المساعدة بالنيتروجين يمكن أن يقلل من تكاليف التشطيب الإضافية بنسبة تصل إلى الثلث. هناك بعض المعايير المهمة التي يجب ملاحظتها وهي:
إن الانعكاسية العالية للألمنيوم (85–92% عند طول موجي 1µm) تتطلب استخدام أنماط ليزر نبضية لمنع انحراف الشعاع. يقوم ليزر ألياف بقوة 4kW بقطع ألمنيوم 6061-T6 بسمك 8 مم بسرعة 15 م/دقيقة باستخدام هواء مضغوط بضغط 6–8 بار. ولإدارة التوصيل الحراري:
يؤدي هذا النهج إلى دقة ±0.05 مم، وهو مثالي للمكونات الدقيقة مثل أحواض البطاريات في السيارات.
يُعتبر القطع بمساعدة الأكسجين قياسيًا للفولاذ الكربوني بسمك يزيد عن 3 مم، حيث تزيد التفاعلية الحرارية من سرعة القطع بنسبة تصل إلى 40%. بالنسبة لفولاذ S355JR بسمك 10 مم وبقوة 3kW، تصل السرعات إلى 8–10 م/دقيقة. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الأكسدة المفرطة إلى تكوين رماد (Slag) على الجانب السفلي. وتشمل التدابير الفعالة للتخفيف من ذلك:
بالنسبة للمكونات الإنشائية مثل العوارض على شكل حرف I، تساعد الطرق الهجينة التي تجمع بين قطع الأكسجين والنقع النهائي بالنيتروجين في الوفاء بمعايير ISO 9013 فيما يتعلق بالدقة الأبعادية وجودة الحافة.
القطع بالليزر هو عملية دقيقة يتم فيها استخدام شعاع ليزر قوي لصهر أو حرق أو تبخير المادة من أجل القطع.
يوفر ليزر الألياف دقة أعلى وكفاءة أفضل في استخدام الطاقة وتكاليف صيانة أقل مقارنة بليزر CO2.
المعادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والفولاذ اللين والنحاس والبرونز مناسبة للقطع بالليزر بسبب توصيلها الحراري الجيد وقدرتها على امتصاص طاقة الليزر.
يؤثر سمك المادة على سرعة القطع واستهلاك الطاقة. عادةً ما تتطلب المواد الأسمك سرعات قطع أبطأ لمنع تشويه الحواف.
Hot News2023-06-24
2024-10-15
2024-12-20
EN
