أهمية المواضع المحورية في عمليات القطع بالليزر – تحليل شامل

أهمية المواقف المحورية في القطع بالليزر لا يمكن المبالغة في أهمية العمليات، حيث إنها تؤثر بشكل مباشر على جودة وكفاءة ودقة عملية القطع. يشير موضع البؤرة إلى النقطة الدقيقة التي يتقارب عندها شعاع الليزر إلى أصغر قطر له، والمعروف باسم النقطة البؤرية. هذه النقطة هي المكان الذي يوفر فيه شعاع الليزر أقصى كثافة للطاقة، مما يسمح بأداء قطع مثالي. فيما يلي العديد من الأسباب الرئيسية التي تسلط الضوء على أهمية مواضع البؤرة في عمليات القطع بالليزر:

تركيز القطع بالليزر

تركيز أشعة الليزر

قد يكون لكل صانع رأيه فيما يتعلق بالعنصر الأكثر أهمية في القطع بالليزرهل تعتقد أن الأمر يتعلق بالحفاظ على أصغر حجم للبقعة واتجاه العدسة بشكل عمودي على محور شعاع الليزر؟ إذا أجبت بنعم، فأنت محق جزئيًا، ولكن هناك العديد من العوامل الأخرى التي يجب مراعاتها فيما يتعلق بخصائص شعاع الليزر وتطبيقات القطع. يعد الحفاظ على مواضع التركيز داخل المادة أمرًا بالغ الأهمية لإمكانية تكرار معلمات القطع بالليزر ولإنتاج جودة حافة ثابتة.

على سبيل المثال، عند التعامل مع مواد سميكة، من الضروري في الواقع إنشاء نمط حرق أكبر لإنشاء قناة أوسع، وهو أمر ضروري لدعم حجم أكبر من المادة المنصهرة التي يجب طردها أثناء عملية القطع. لإنشاء نمط الحرق الموسع هذا، يمكنك تركيز الشعاع إما فوق أو أسفل سطح المادة اعتمادًا على الغاز المساعد. وبالتالي، فإن تركيز بقعة صغيرة على السطح عادة ما يكون نهجًا أقل نجاحًا للمواد الأكثر سمكًا.

ومع ذلك، بالنسبة للمواد الرقيقة، فإن بقعة صغيرة تركز على سطح المادة تكون أكثر فعالية بكثير من بقعة أكبر لأن المادة المشاركة تكون أقل، وبالتالي لا تكون هناك حاجة إلى قناة أوسع.

من العوامل المهمة للغاية التي يجب مراعاتها عند القطع بالليزر استخدام غاز مساعد، مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الهواء المضغوط. يتمتع كل غاز بخصائص محددة تتعلق بتسريع عملية الاحتراق أو إخراج المادة المنصهرة أو كليهما.

في القطع بالليزر، تدعم الغازات المساعدة تفاعلين محددين: طارد للحرارة أو ماص للحرارة. تختلف قواعد التركيز وفقًا لنوع التفاعل والغاز المستخدم.

التركيز على التفاعلات الطاردة للحرارة

تُجرى التفاعلات الطاردة للحرارة باستخدام غاز ذي خصائص مُسرِّعة، مثل الأكسجين. خلال هذا النوع من التفاعلات، تُبخِّر الطاقة الشديدة لشعاع الليزر - أو تُغلِي حرفيًا - المادة المقطوعة، حيث يتفاعل الأكسجين بقوة مع المادة المنصهرة في حالتها السائلة. أثناء القطع عالي الضغط بمساعدة الأكسجين، تصل المادة الأساسية إلى درجة حرارة عالية جدًا، بحيث يكاد يكون تحويلها إلى بخار حراري كاملًا.

تتطلب قواعد التركيز لدعم التفاعلات الطاردة للحرارة أن تكون مواضع التركيز أعلى السطح للمواد السميكة أو مباشرة في السطح العلوي للمواد الرقيقة.

عندما يكون التركيز أعلى من المادة، فإنك تستخدم عادةً ضغطًا منخفضًا وحجمًا منخفضًا للمساعدة في تسييل المادة المنصهرة ثم طردها (حوالي 6 إلى 8 أرطال لكل بوصة مربعة عند 40 قدمًا مكعبًا في الساعة). في الواقع، يتبخر القليل جدًا من المادة لأن الحجم الصغير من الأكسجين غير قادر على دعم التبخر الكامل. عندما يتم وضع التركيز على سطح المادة مباشرةً، فإنك تستخدم عادةً ضغطًا مرتفعًا وحجمًا مرتفعًا (حوالي 60 رطل لكل بوصة مربعة عند 80 قدم مكعب في الساعة). وهذا يكفي لدعم التبخر القوي للمادة.

لهذا السبب، عند فحص معظم طاولات القطع التي تُقطع فيها مواد أرقّ في الغالب، ستلاحظ كمية قليلة جدًا من المواد المتراكمة على دعائم الطاولة. على النقيض من ذلك، فإن طاولات القطع المستخدمة لمعالجة المواد السميكة ستحتوي على كمية أكبر بكثير من المواد المتراكمة على دعائمها.

التركيز على التفاعلات الماصة للحرارة

من ناحية أخرى، تنشأ التفاعلات الماصة للحرارة عند استخدام غاز له خصائص خاملة أو غير تفاعلية. ويندرج النيتروجين والأرجون ضمن هذه الفئة.

خلال هذا النوع من التفاعل، يدعم الغاز فقط إخراج المادة المنصهرة من خلال قناة القطع. تعتمد العملية الماصة للحرارة بشكل كبير على الطاقة الخام لشعاع الليزر المركّز لتحويل المعدن الأساسي بسرعة إلى حالة منصهرة وإنشاء قناة القطع المناسبة. يسمح هذا للغاز الخامل بطرد المادة المسالة من خلال قناة القطع، مما يترك سطحًا مقطوعًا نظيفًا بدون التصاق الخبث.

تتطلب قواعد التركيز لدعم التفاعلات الماصة للحرارة أن تكون مواضع التركيز عند قاع المادة أو أسفله بقليل. يُؤدي الحفاظ على التركيز أسفل المادة إلى تكوين شكل حرف V طفيف داخل قناة القطع، مما يسمح للغاز عالي الضغط بضغط المادة المنصهرة عبر قناة القطع بسرعة عالية، وطردها عبر قاعدة القناة.

تتطلب التفاعلات الماصة للحرارة حجمًا وضغطًا مرتفعين لدعم الإخلاء السريع للمادة المنصهرة. يمكن أن تبدأ الأحجام النموذجية عند 350 قدم مكعب في الساعة للمواد الرقيقة وتصل إلى أكثر من 3000 قدم مكعب في الساعة للمواد الأكثر سمكًا. يمكن أن تبدأ الضغوط عند 140 رطل/بوصة مربعة للمواد الرقيقة وترتفع إلى أكثر من 300 رطل/بوصة مربعة للمواد الأكثر سمكًا.

يُنتج استخدام الهواء المضغوط كغاز مساعد تفاعلات ماصة وطاردة للحرارة في آنٍ واحد. ولكن، لأن حجم الهواء يتكون في الغالب من النيتروجين (حوالي 78%)، فهو في الأساس تفاعل ماص للحرارة، بينما يُحدث حجم الأكسجين الصغير (حوالي 20%) تفاعلًا طاردًا للحرارة في نفس الوقت، ولكنه أصغر حجمًا. ويؤدي هذا إلى ذوبان أسرع للمادة الأساسية بفضل خصائص الأكسجين التفاعلية. أما نسبة الهواء المتبقية، فهي خاملة في تركيبها، ولا تُضيف إلا إلى التفاعل الماص للحرارة الناتج عن النيتروجين.

يتم الحصول على أفضل النتائج عند القطع بالهواء المضغوط عند الحفاظ على موضع التركيز في منتصف سمك المادة.

تأثيرات الشعاع الخام

كما تؤثر شدة ضوء الشمس على قدرة العدسة المكبرة على التركيز وتكوين حجم بقعة فعال، كذلك يؤثر شعاع الليزر الخام على مدى جودة تركيز طاقته وحجم البقعة المركزة الناتجة. إليك القاعدة العامة: كلما زاد قطر الشعاع الخام، زاد قطر محيط البؤرة الناتج، وابتعدت نقطة البؤرة عن العدسة.

هناك طريقة أخرى لتغيير حجم البقعة بفعالية وهي استخدام عدسة ذات طول بؤري فعال مختلف (EFL). وهذا لا يؤدي فقط إلى إنشاء حجم بقعة مختلف، بل وأيضًا إلى عمق تركيز مختلف (DOF)، كما هو موضح في الشكل 3. ضع في اعتبارك أن عمق التركيز لا يقتصر فقط على المكان الذي يكون فيه الشعاع أصغر (الخصر البؤري)، بل يشمل أيضًا نطاقًا قبل وبعد أصغر حجم بقعة.

كمثال على تغيير حجم البقعة وعمق المجال، ضع في اعتبارك شعاع ليزر ثاني أكسيد الكربون بطول موجي 10600 نانومتر وقطر شعاع خام 20 مم وM2 2. إذا مررنا هذا الشعاع عبر عدسة مقاس 3.75 بوصة (95.25 مم)، فسيكون القطر عند الخصر البؤري حوالي 128 ميكرون (0.128 مم). الآن، إذا استبدلنا عدسة مقاس 5 بوصات (127 مم)، باستخدام نفس الشعاع الخام مقاس 20 مم، فسيكون القطر عند الخصر البؤري 170 ميكرون (0.170 مم). في الوقت نفسه، سيحدث تغيير في عمق التركيز بين العدستين. سيكون للعدسة مقاس 3.75 بوصة عمق مجال يبلغ حوالي 1.2 مم، مقارنة بعمق مجال يبلغ 2.16 مم للعدسة مقاس 5 بوصات.

هناك اعتبار آخر يمكن أن يغير من إسقاط نقطة بؤرة الشعاع وهو تغير في مقدمة موجة الشعاع قبل اصطدامه بالعدسة. يمكن وصف مقدمة موجة الشعاع الخام بأنها إما متقاربة أو متوازية أو متباعدة. في حالة جبهة الموجة المتقاربة، يصبح الشعاع أصغر حجمًا أثناء انتقاله. عندما تصطدم هذه الجبهة المتقاربة بالعدسة، يكون إسقاط البؤرة الناتج أقصر من إسقاط جبهة الموجة الموازية بسبب إسقاط قطر الشعاع الأصغر في أعلى العدسة. وعلى العكس من ذلك، يؤدي تركيز جبهة الموجة المتباعدة إلى إسقاط نقطة بؤرة أطول من إسقاط جبهة الموجة الموازية بسبب قطر الشعاع الأكبر المسقط على السطح العلوي للعدسة.

التطبيقات في العالم الحقيقي

من المهم التحكم في كل جانب يتعلق بالحفاظ على إسقاطات نقطة التركيز المناسبة. يجب التأكد من أن الشعاع الخام في الرنان البصري في حالة جيدة، وأن الشعاع يتم توصيله بشكل صحيح إلى العدسة. يمكن أن يؤدي استخدام عدسة البعد البؤري المناسب إلى تغيير معدل ذوبان المادة والسمك الذي يمكن معالجته. تكون العدسة ذات البعد البؤري القصير، مثل EFL مقاس 3.75 بوصة، أكثر فعالية حتى الحد الأقصى للسمك 12 مقياسًا أو 0.104 بوصة. تكون العدسة مقاس 5 بوصات أكثر فعالية حتى الحد الأقصى للسمك 0.250 بوصة. للمواد الأكثر سمكًا، استخدم عدسة مقاس 7.5 بوصة بحد أقصى 1.25 بوصة، وعدسة مقاس 10 بوصات بحد أقصى 1.312 بوصة لتحقيق القطع الأكثر فعالية.

من الممارسات الفعّالة لتوفير الوقت استخدام عدسة EFL التي تُمكّنك من تغطية معظم إنتاجك اليومي دون الحاجة إلى تغيير العدسة. يُمكّنك استخدام عدسة مقاس 7.5 بوصة، في الغالب، من تحقيق جميع أهدافك المتعلقة بالحفاظ على التركيز البؤري المناسب، من سمك 16 إلى 1 بوصة، طوال فترة الإنتاج اليومية.

كما ذكرنا سابقًا، فإن اختيار الغاز المساعد له علاقة كبيرة بكيفية تحديد موضع التركيز داخل المادة. تتطلب عملية القطع بالليزر بمساعدة الأكسجين (طارد للحرارة) أن تكون مواضع التركيز داخل السطح أو أعلى سطح المادة. لا يلزم إجراء سوى تغييرات طفيفة في التركيز ما لم تكن تقوم بالتغيير من القطع عالي الضغط إلى القطع منخفض الضغط لأن التركيز يكون دائمًا على سطح المادة أو بالقرب منه وبالتالي لا يتأثر بالتغيرات في سمك المادة. من ناحية أخرى، فإن عملية القطع بالليزر بمساعدة النيتروجين (طارد للحرارة) تعتمد بشكل كبير على التركيز بناءً على سمك المادة المراد معالجتها لأن التركيز يكون عند أو بالقرب من أسفل المادة.

في كلتا الحالتين، يمكن تلبية جميع نقاط التركيز الأساسية باستخدام جهاز CNC أو جهاز التركيز البؤري التلقائي، مثل المرآة المتكيفة.

تعمل المرآة التكيفية بتغيير شكل سطحها بتطبيق ضغط على ظهرها. في حالتها الطبيعية، وبدون ضغط، يكون سطح المرآة التكيفية مقعرًا. ومع تطبيق الضغط عليها، يتغير السطح من مقعر إلى مسطح، ثم إلى محدب. يؤدي تغيير شكل المرآة إلى تغيير مقدمة موجة الشعاع، وبالتالي تغيير حجم الشعاع على العدسة وموقع بؤرة الضوء داخل المادة.

من الفوائد الرئيسية الأخرى للتركيز التلقائي هي القدرة على تغيير موضع التركيز بشكل ديناميكي أثناء عملية الثقب، مما يسمح بإدخال الحد الأقصى من الطاقة داخل سمك المادة ويقلل من أوقات الثقب الإجمالية.

تستمر التطورات في تقنيات القطع بالليزر التي تعمل على تحسين الإنتاجية والإنتاجية حتى يومنا هذا. ومع ذلك، فإن ما يظل بالغ الأهمية هو توصيل الشعاع الخام إلى العدسة والحفاظ على مواضع التركيز المناسبة، بناءً على التطبيق.

إذا تم الحفاظ على الموضع البؤري المناسب وأشكال الإسقاط داخل المادة المراد معالجتها، فسيتم تقليل بقية المتطلبات اللازمة لإنتاج قطع متسق وعالي الجودة. وهذا يوفر وقت الإعداد مع الحفاظ على الإنتاجية والإنتاجية المتسقة.