چگونه برش‌دهنده‌های لیزری آلومینیوم به راحتی ورق‌های نازک و ضخیم را پردازش می‌کنند

هدایت حرارتی و بازتاب‌پذیری: موانع کلیدی در آلومینیوم برش لیزری

ترکیب هدایت حرارتی بالای آلومینیوم که حدود 235 وات بر متر کلوین است با تمایل آن به بازتاب حدود 95 درصد از نور لیزر فیبری، مشکلات واقعی‌ای برای هر کسی ایجاد می‌کند که بخواهد این ماده را با لیزر برش دهد. بخش عمده‌ای از انرژی لیزر منعکس می‌شود و جذب نمی‌شود، که این امر باعث کاهش بازدهی فرآیند می‌شود و شرکت‌ها را مجبور می‌کند تا در سیستم‌های نوری پیشرفته سرمایه‌گذاری کنند تا عملیات برش را پایدار نگه دارند. برخی تحقیقات منتشر شده در سال گذشته نشان داده‌اند که در قطعات آلومینیومی با ضخامت کمتر از 3 میلی‌متر، در صورت تنظیم نادرست پارامترها، تلفات تا حدود 30 درصد افزایش می‌یابد. به همین دلیل، تولیدکنندگان هوشمند شروع به استفاده از تکنیک‌های لیزر پالسی و همچنین اعمال پوشش‌های ضد بازتاب خاص روی سر برش خود کرده‌اند. این تنظیمات تفاوت چشمگیری در میزان جذب واقعی ماده از انرژی لیزر ایجاد می‌کند، حتی وقتی با ماده‌ای به طور عناده‌ای بازتابنده مانند آلومینیوم سروکار داریم.

نقش ضخامت ماده در پایداری فرآیند و بازدهی انرژی

ضخامت ماده در هنگام مدیریت حرارت، تعیین مقدار انرژی مورد نیاز و حفظ ثبات کلی فرآیند در عملیات برش تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. برای ورق‌های نازک زیر ۳ میلی‌متر، در واقع حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد انرژی بیشتری فقط برای شروع برش لازم است، زیرا گرما بسیار سریع از آنها عبور می‌کند. از سوی دیگر، صفحات ضخیم‌تر بالای ۱۰ میلی‌متر با مشکلی به نام محافظت پلاسما مواجه می‌شوند. در واقع مواد ذوب‌شده تمایل دارند قبل از اینکه برش به طور کامل انجام شود دوباره جامد شوند، که این امر بسیار بیشتر از حد انتظار انرژی مصرف می‌کند. به عنوان مثال آلومینیوم: برش قطعات ۱۲ میلی‌متری طبق استانداردهای صنعتی حدود نصف بازدهی برش ورق‌های ۶ میلی‌متری دارد. برای درک بهتر این تفاوت‌ها در ضخامت‌های مختلف مواد و نیازهای عملیاتی متناظر، نمودار زیر را بررسی کنید.

معایب رایج در برش لیزری آلومینیوم و نحوه ارتباط آنها با ضخامت ورق

شیوه تشکیل نقص‌ها واقعاً به ضخامت ماده بستگی دارد. هنگامی که به ورق‌های نازک بین ۱ تا ۳ میلی‌متر نگاه می‌کنیم، در حدود یکی از هر شش کاربرد صنعتی با مشکلات پیچش مواجه می‌شود، زیرا گرما به‌صورت یکنواخت در سطح گسترش نمی‌یابد. برای صفحات ضخیم‌تر در حد ۸ میلی‌متر یا بیشتر، رایج است که تولیدکنندگان لبه‌های ناصاف و مذاب باقیمانده (دروست) را مشاهده کنند، زیرا فلز مذاب به‌طور کامل از منطقه فرآیند خارج نمی‌شود. ورق‌هایی با اندازه ۶ تا ۱۰ میلی‌متر با چالش دیگری مواجه هستند. این ورق‌ها تمایل دارند تا مشکلات اکسیداسیون را حدود ۴۰ درصد بیشتر از سایر اندازه‌ها ایجاد کنند، صرفاً به این دلیل که مدت طولانی‌تری در تماس با گازهای کمکی قرار دارند، به‌ویژه هنگامی که اکسیژن دخیل باشد. اما خبر خوبی برای مواد نازک‌تر زیر ۵ میلی‌متر وجود دارد. با تنظیم دقیق پارامترهای فرآیند و به‌ویژه استفاده از گاز نیتروژن با فشاری بالاتر از ۱۵ بار، کارگاه‌ها می‌توانند تشکیل دروست را به‌طور چشمگیری کاهش دهند، گاهی تا حدود سه‌چهارم کمتر نسبت به روش‌های معمول.

لیزر فیبر در مقابل لیزر CO2: انتخاب فناوری مناسب برای آلومینیوم

ویژگی‌های جذب انرژی لیزر فیبر باعث می‌شود تا این نوع لیزر در کار با مواد آلومینیومی بسیار مؤثرتر باشد. این لیزرها معمولاً در محدوده ۱۰۷۰ نانومتر کار می‌کنند، در حالی که آلومینیوم این طول موج را حدود ۴۰ درصد بهتر از لیزر‌های قدیمی CO2 که در ۱۰٫۶ میکرون کار می‌کنند، جذب می‌کند. این امر به‌صورت عملی به معنای کاهش قابل توجه تلفات انرژی ناشی از بازتاب است که حدود ۷۰ درصد انرژی هدررفته را کاهش می‌دهد. و از آنجا که انرژی کمتری تلف می‌شود، زمان پردازش نیز بسیار سریع‌تر خواهد بود. به عنوان مثال، هنگام برش ورق‌های آلومینیومی به ضخامت ۳ میلی‌متر، لیزر فیبر قادر است با سرعتی حدود ۲۵ متر در دقیقه کار کند، در حالی که سیستم‌های سنتی CO2 در شرایط مشابه به سختی به سرعت ۸ متر در دقیقه دست می‌یابند.

مقایسه عملکرد: لیزر فیبر در مقابل لیزر CO2 برای آلومینیوم بر اساس ضخامت

در حالی که لیزرهای فیبری به دلیل دقت و بازدهی بالا در کاربردهای ورق‌های نازک غالب هستند، لیزرهای CO2 همچنان در ضخامت متوسط آلومینیوم (6 تا 15 میلی‌متر) پرداخت لبه بهتری ارائه می‌دهند و در آزمون‌های مقایسه‌ای تا 25٪ سطح صاف‌تری حاصل می‌شود.

زمانی که استفاده از لیزرهای CO2 برای صفحات بسیار ضخیم آلومینیوم معقول است
برای آلومینیوم با ضخامت بیش از 15 میلی‌متر، لیزرهای CO2 همچنان مرتبط هستند، زیرا مزایای زیر را ارائه می‌دهند:

• سوراخ‌کاری اولیه تا 30٪ سریع‌تر در سطح توان 2.5 کیلووات
• کاهش پاشش مذاب در عملیات چندمرحله‌ای
• جفت‌شدگی مؤثر با گاز کمکی اکسیژن برای نفوذ حرارتی عمیق‌تر

بینش‌های به‌دست‌آمده از خط تولید یک شرکت برتر تولیدی در چین نتایج جالبی را آشکار می‌کند. هنگامی که سیستم‌های لیزری مختلفی روی ورق‌های آلومینیومی به ضخامت 10 میلی‌متر آزمایش شد، مشخص شد که یک لیزر فیبری 6 کیلوواتی قادر است با سرعت حدود 1.2 متر در دقیقه برش دهد و لبه‌های زاویه‌راست تمیز و خوبی ایجاد کند. در همین حال، سیستم قدیمی‌تر CO2 با قدرت 4 کیلووات در واقع سریع‌تر برش داد، حدود 1.5 متر در دقیقه، اما لبه‌های ناصافی پس از برش باقی گذاشت که نیاز به کار اضافی پس از برش داشت. ضخامت در اینجا واقعاً اهمیت دارد، زیرا نه تنها بر سرعت پردازش مواد تأثیر می‌گذارد، بلکه بر نوع کارهای پرداخت نهایی مورد نیاز پس از برش نیز تأثیرگذار است. تولیدکنندگان باید این عوامل را به‌دقت در نظر بگیرند هنگامی که بین فناوری‌های لیزری مختلف برای خطوط تولید خود تصمیم‌گیری می‌کنند.

برش دقیق ورق‌های نازک آلومینیومی: پارامترها و بهترین روش‌ها

نیازمندی‌های حساس به دقت در برش ورق‌های نازک آلومینیومی

بریدن آلومینیوم نازک (<3 میلی‌متر) نیازمند دقت در سطح میکرون است تا از تاب برداشتن و تغییر شکل لبه جلوگیری شود. به دلیل هدایت حرارتی بالای آلومینیوم، حتی نوسانات جزئی در توان لیزر نیز می‌تواند باعث ذوب نامنظم شود. تنظیمات نادرست موجب افزایش نرخ ضایعات تا حد 22 درصد در بخش‌های با تحمل بالا مانند هوافضا می‌شود.

بهینه‌سازی توان لیزر، سرعت و فوکوس برای آلومینیوم زیر 3 میلی‌متر

برای ورق‌های 0.5 تا 3 میلی‌متری، لیزر فیبری با توان 1 تا 2 کیلووات در سرعت‌های بین 10 تا 25 متر در دقیقه بهترین عملکرد را دارد. توان پایین خطر برش ناقص را دارد؛ توان بیش از حد کیفیت لبه را کاهش می‌دهد. تحقیقات نشان می‌دهد طول فوکوس 0.8 تا 1.2 میلی‌متر چگالی پرتو را بهینه می‌کند تا شیارهایی تمیز و باریک ایجاد شود.

انتخاب گاز کمکی: نیتروژن در مقابل اکسیژن برای لبه‌های تمیز و بدون داروس

نیتروژن برای قطعات نهایی که نیازی به پردازش ثانویه ندارند ترجیح داده می‌شود، در حالی که اکسیژن برای نمونه‌سازی سریع مناسب است که پردازش بعدی در آن قابل قبول باشد.

مطالعه موردی: پردازش سریع آلومینیوم 1 میلی‌متری با لیزر فیبری 1 کیلوواتی

یک تأمین‌کننده خودرو با استفاده از لیزر فیبری ۱ کیلوواتی و گاز کمکی نیتروژن در سرعت ۱۸ متر بر دقیقه، به بازده ۹۸ درصدی در برش آلیاژ آلومینیوم ۵۰۵۲ به ضخامت ۱ میلی‌متر دست یافت. این روش مصرف انرژی هر قطعه را نسبت به سیستم‌های قدیمی CO2 به میزان ۳۷ درصد کاهش داد.

راه‌حل‌های لیزری با توان بالا برای برش ورق‌های ضخیم آلومینیوم

چالش‌های فنی در برش ورق‌های آلومینیومی با ضخامت بیش از ۱۰ میلی‌متر

کار با آلومینیوم با ضخامت بیش از ۱۰ میلی‌متر چالش‌های واقعی به دلیل هدایت سریع حرارت و بازتاب نور لیزر (بیش از ۹۰ درصد در طول موج حدود ۱ میکرومتر) ایجاد می‌کند. این فلز تمایل دارد که حرارت را به سرعت پراکنده کند و در حین پردازش مقدار زیادی انرژی تلف شود، بدین معنا که ماشین‌آلات نسبت به برش فولاد به حدود ۲۵ تا شاید حتی ۴۰ درصد قدرت بیشتری نیاز دارند. مشکل دیگری نیز وجود دارد: وقتی سر برش به صورت هماهنگ نوسان کند، ممکن است پرتو لیزر را به میزان ۰٫۰۵ میلی‌متر به صورت مثبت و منفی تغییر مکان دهد. این مقدار شاید زیاد به نظر نرسد، اما در تولید دقیق که تحملات اهمیت دارند، این نوع انحراف می‌تواند قطعات را کاملا خراب کند. بر اساس یافته‌های اخیر گزارش فناوری ساخت سال گذشته، تولیدکنندگانی که با ورق‌های ۱۴ میلی‌متری آلومینیوم کار می‌کنند، متوجه شده‌اند که برای جلوگیری از مشکلات اکسیداسیون و همچنان دستیابی به عرض برش تمیز ۳۰ میکرومتر به طور مداوم در تمام قطعات، باید پالس‌های لیزر خود را زیر ۵۰۰ هرتز نگه دارند.

تطبیق توان لیزر با ضخامت آلومینیوم برای نفوذ بهینه

داده‌های صنعتی نشان‌دهنده یک رابطه تقریباً خطی بین ضخامت و توان لیزر مورد نیاز هستند:

این مقادیر، تمایل آلومینیوم به انحراف دادن ۳۰ تا ۴۰ درصد انرژی لیزر CO2 در مقایسه با تنها ۱۰ تا ۱۵ درصد در سیستم‌های فیبری را در نظر می‌گیرند. پیشرفت‌ها در شکل‌دهی پرتو امکان می‌دهند که لیزرهای فیبری ۸ کیلوواتی بتوانند جذب ۹۳ درصدی را در صفحات ۱۵ میلی‌متری حاصل کنند — که بهبودی ۲۳ درصدی نسبت به مدل‌های قبلی محسوب می‌شود.

حفظ کیفیت برش در سرعت‌های پایین‌تر در برش لیزری مقاطع ضخیم

هنگام کارکرد با سرعتی کمتر از ۱ متر در دقیقه، زمانی که فلز مذاب در یک نقطه باقی می‌ماند بین ۵۰ تا ۷۰ درصد افزایش می‌یابد. این زمان توقف طولانی‌تر، احتمال تشکیل دیسک (dross) را در حین فرآیند به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. خوشبختانه، تنظیم پویای فوکوس لیزر در محدوده‌ای بین +/-۲ میلی‌متر همراه با اعمال فشار نیتروژن در محدوده ۱۸ تا ۲۲ بار، کنترل مناسبی بر روی پرداخت سطحی فراهم می‌کند و معمولاً مقدار زبری سطح را در حدود ۳۰ میکرون Ra یا بهتر نگه می‌دارد. آزمایش‌های صنعتی نیز این موضوع را تأیید می‌کنند. یک مطالعه اخیر در فرآوری مواد نشان داد که چگونه لیزر فیبری پالسی با توان ۴ کیلووات قادر است فلز آلومینیوم ۶۰۶۱-T6 به ضخامت ۱۲ میلی‌متر را با سرعت ۱٫۵ متر در دقیقه برش دهد. نکته قابل توجه این است که این برش‌ها لایه‌های بازساخته‌شده (recast layers) به ضخامت حدود ۱۵ میکرون ایجاد کردند که در واقع با الزامات سخت‌گیرانه مورد نیاز برای قطعات مورد استفاده در ساخت هواپیما سازگار است.

تکنیک‌های تک‌مرحله‌ای در مقابل چندمرحله‌ای: معاوضه‌های کارایی و کیفیت

هنگام برش ورق‌های 15 میلی‌متری، تکنیک‌های تک‌مرحله‌ای می‌توانند به راندمان مواد حدود 95 درصد دست یابند، هرچند که برای حفظ استقامت در محدوده تنوع بسیار فشرده 0.1 میلی‌متر در متر، نیاز به لیزری بسیار قدرتمند دارند - حداقل حدود 12 کیلووات. روش جایگزین از روش‌های چندمرحله‌ای با تجهیزات 6 کیلوواتی استفاده می‌کند که در عمل زوایای لبه بهتری ایجاد می‌کند، به نحوی که انحراف کمتر از نیم درجه را فراهم می‌آورد، اما این روش علاوه بر این، هزینه را افزایش می‌دهد، زیرا مصرف گاز حدود 40 درصد افزایش می‌یابد. با بررسی داده‌های اخیر صنعت از مجله Industrial Laser Review سال 2023، چیز جالبی در مورد مواد ضخیم‌تر نیز مشاهده می‌شود. برای کسانی که با صفحات 18 میلی‌متری کار می‌کنند، استفاده از روش برش دو مرحله‌ای با سرعت حدود 0.7 متر در دقیقه، منجر به اتمام کارها 37 درصد سریع‌تر نسبت به روش‌های متداول تک‌مرحله‌ای که با سرعت 0.5 متر در دقیقه کار می‌کنند، می‌شود و در عین حال همچنان به دقت حیاتی ±0.1 میلی‌متر مورد نیاز برای اکثر کاربردها دست می‌یابد.

تنظیم ماشین تطبیقی برای انتقال روان بین ضخامت‌های آلومینیوم

دستگاه‌های برش لیزری امروزی بخاطر ویژگی‌های هوشمند اتوماسیون، قادر به کار با انواع ضخامت آلومینیوم هستند. سیستم‌ها تنظیمات خاص هر ضخامت ماده را به خاطر می‌سپارند. به عنوان مثال، یک لیزر فیبری ۱ کیلوواتی هنگام برش ورق‌های نازک ۱ میلی‌متری با توان حدود ۷۰ درصد و سرعت ۱۲ متر در دقیقه کار می‌کند، اما برای صفحات ضخیم‌تر ۱۰ میلی‌متری، توان آن تا حدود ۹۵ درصد افزایش یافته و سرعت آن به ۳ متر در دقیقه کاهش می‌یابد. این تغییرات خودکار، فرآیند راه‌اندازی را بسیار ساده‌تر می‌کند. طبق تحقیقات منتشر شده در مطالعه کارایی پردازش لیزری سال ۲۰۲۳، این نوع اتوماسیون در مقایسه با تنظیمات دستی توسط اپراتورها، خطاهای راه‌اندازی را حدود ۸۲ درصد کاهش می‌دهد.

کنترل پویای فوکوس با تنظیم موقعیت کانونی در محدوده ±0.05 میلی‌متر، دقت پرتو را حفظ می‌کند تا مواد تاب‌خورده یا ناهموار را پوشش دهد. عملگرهای ارتفاع نازل، فاصله ثابت 0.8 تا 1.2 میلی‌متری را حفظ می‌کنند که هنگام انتقال بین فویل‌های با سطح آینه‌ای و صفحات ضخیم متن بافت ضروری است.

این سیستم‌های یکپارچه به‌طور چشمگیری زمان توقف را کاهش می‌دهند. در حالی که قبلاً تنظیم ابزارها و تعویض گاز حدود ۱۵ تا ۲۵ دقیقه طول می‌کشید، ماشین‌آلات مدرن امروزه انتقال کامل را در کمتر از ۹۰ ثانیه انجام می‌دهند. در نتیجه، تولید قطعات با ضخامت‌های متفاوت از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه می‌شود و تولیدکنندگان گزارش افزایش ۳۷ درصدی ظرفیت تولید برای سفارشات کوچک را ارائه می‌دهند.

‫سوالات متداول‬

چرا برش لیزری آلومینیوم دشوار است؟

آلومینیوم به دلیل هدایت حرارتی و بازتابش بالای آن، برای برش لیزری دشوار است؛ زیرا بیشتر انرژی لیزر منعکس می‌شود و جذب ماده نمی‌شود.

کدام نوع لیزر برای برش ورق‌های نازک آلومینیوم مناسب‌تر است؟

لیزر فیبر برای برش ورق‌های نازک آلومینیوم مناسب‌تر است، زیرا انرژی را مؤثرتر جذب کرده و سرعت پردازش بالاتری نسبت به لیزر CO2 دارد.

ضخامت ماده چگونه بر برش لیزری آلومینیوم تأثیر می‌گذارد؟

ضخامت مصالح تأثیر قابل توجهی بر برش لیزری آلومینیوم دارد. ورق‌های نازک به دلیل پراکندگی سریع حرارت، به توان بیشتری نیاز دارند، در حالی که ورق‌های ضخیم‌تر ممکن است با مشکلات محافظت پلاسما مواجه شوند و برای تکمیل برش به انرژی بیشتری نیاز داشته باشند.

کدام گاز کمکی برای برش لیزری آلومینیوم ترجیح داده می‌شود؟

نیتروژن برای لبه‌های بدون اکسیداسیون در قطعات نهایی ترجیح داده می‌شود، در حالی که اکسیژن امکان برش سریع‌تر را فراهم می‌کند اما پس از برش نیاز به تمیزکاری دارد.

آیا اتوماسیون و کنترل فوکوس پویا در برش لیزری آلومینیوم مفید هستند؟

بله، اتوماسیون و کنترل فوکوس پویا دقت را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهند و زمان راه‌اندازی و خطاهای ایجاد شده هنگام انتقال بین ضخامت‌های مختلف آلومینیوم را کاهش می‌دهند.