برش لیزری، با مزایای آن در دقت و کارایی بالا، به طور گسترده در پردازش مواد فلزی و غیر فلزی استفاده شده است. با این حال، هنگام برخورد با مواد بسیار بازتابنده (مانند آلیاژهای آلومینیوم، مس، نقره، آلیاژهای تیتانیوم و برخی فلزات پوشش داده شده)، به دلیل خواص نوری و فیزیکی منحصر به فرد این مواد با موانع فنی متعددی مواجه می شود. این موانع نه تنها بر کیفیت و کارایی پردازش تأثیر میگذارند، بلکه ممکن است آسیبهای جبرانناپذیری به تجهیزات وارد کنند و به یک گلوگاه کلیدی تبدیل شوند که محبوبیت پردازش لیزر را برای مواد بسیار بازتابنده محدود میکند.
I. مانع اصلی: "بازتاب برگشتی" انرژی لیزر و از دست دادن کنترل کیفیت پردازش
ویژگی اصلی مواد بسیار بازتابنده بازتاب بسیار بالای آنها برای لیزر است (به عنوان مثال، بازتاب مس خالص برای لیزر با طول موج 1064 نانومتر بیش از 90٪ است و آلیاژ آلومینیوم حدود 80٪ - 85٪ است). این ویژگی مستقیماً از اثرگذاری مؤثر انرژی لیزر بر روی مواد جلوگیری می کند و در نتیجه باعث ایجاد یک سری مشکلات پردازشی می شود.
1. نرخ بسیار کم مصرف انرژی و افت شدید راندمان برش
اصل برش لیزری متکی بر تمرکز یک پرتو لیزر با چگالی{{0}بالا-روی سطح مواد برای ذوب، تبخیر یا شکستن فوراً مواد است. با این حال، مواد بسیار بازتابنده بیشتر انرژی لیزر را منعکس میکنند و تنها مقدار کمی جذب میشوند. به عنوان مثال، هنگام پردازش یک صفحه مسی خالص با ضخامت 5 میلیمتر، نرخ جذب انرژی یک دستگاه برش لیزر فیبر معمولی (طول موج 1064 نانومتر) کمتر از 10 درصد است و برای نفوذ به مواد به تابش مکرر نیاز است. این منجر به راندمان برش 3{10}}5 برابر کمتر از فولاد کم کربن (با نرخ جذب تقریباً 50٪) می شود و حتی ممکن است مشکل "برش ناقص" رخ دهد. به خصوص زمانی که ضخامت مواد از 8 میلی متر بیشتر شود، انباشت انرژی ناکافی ممکن است منجر به باقی ماندن سوراخ های فلزی ذوب نشده در لبه برش شود، حتی اگر زمان پردازش طولانی شود.
2. بازتاب انرژی باعث بدتر شدن کیفیت لبه برش می شود
لیزر منعکس شده جذب نشده کاملاً "بی فایده" نیست. در عوض، "تابش ثانویه" را در منطقه پردازش تشکیل می دهد. بخشی از نور منعکس شده روی لبه برش متمرکز شده و باعث ذوب و اکسیداسیون بیش از حد لبه و تشکیل یک "لایه سرباره" نامنظم می شود. بخش دیگری از نور منعکس شده بر روی سطح ماده پراکنده می شود، که منجر به دمای محلی ناهموار و تغییر شکل "مواج" برش می شود (به عنوان مثال، انحراف صافی لبه برش پس از برش آلیاژ آلومینیوم از 0.1 میلی متر بر متر بیشتر می شود). علاوه بر این، انرژی منعکس شده ممکن است به صافی سطح مواد آسیب برساند. به عنوان مثال، هنگام پردازش قطعات فلزی با روکش نقره، لیزر منعکس شده ممکن است باعث لایه برداری موضعی لایه آبکاری شود و عیوب "لکه سفید" را ایجاد کند. فرآیندهای سنگ زنی و پرداخت اضافی بعدی مورد نیاز است که هزینه های پردازش را افزایش می دهد
II. مانع ایمنی تجهیزات: "آسیب برگشت ناپذیر" به سیستم های لیزری ناشی از لیزر منعکس شده
لیزر منعکس شده از مواد بسیار بازتابنده نه تنها بر نتایج پردازش تأثیر می گذارد بلکه باعث آسیب شدید به اجزای اصلی دستگاه های برش لیزر می شود و حتی ممکن است منجر به خرابی تجهیزات شود. این یک مانع شدیدتر از مسائل مربوط به کیفیت پردازش است.
1. خطر سوختن لنزهای فوکوس و لنزهای محافظ
لنز فوکوس (مسئول فوکوس پرتو لیزر) و لنز محافظ (جلوگیری از پاشیدن سرباره از آلودگی لنز فوکوس) یک دستگاه برش لیزری اجزای اصلی هستند که مستقیماً در معرض لیزر بازتابی قرار دارند. اگرچه انرژی لیزر منعکس شده توسط مواد بسیار بازتابنده به اندازه پرتو لیزر اصلی متمرکز نیست، اما هنوز برای فراتر رفتن از آستانه تحمل لنزها کافی است.
به عنوان مثال، هنگامی که انرژی لیزر منعکس شده توسط مس خالص روی سطح لنز محافظ متمرکز می شود، دمای محلی لنز می تواند به شدت به بیش از 1000 درجه افزایش یابد و باعث سوختگی پوشش لنز (در نتیجه لکه های سیاه) یا حتی ترک خوردن عدسی شود. هنگامی که لنز محافظ آسیب ببیند، سرباره مستقیماً لنز فوکوس را آلوده می کند. هزینه تعویض مجموعه ای از لنزهای فوکوس و لنزهای محافظ می تواند به چندین هزار یوان برسد و تعویض مکرر باعث افزایش زمان از کار افتادن تجهیزات شده و بر پیشرفت تولید تأثیر می گذارد.
2. آسیب "بازخورد انرژی" به ژنراتورهای لیزری
بخشی از لیزر منعکس شده در طول مسیر انتقال لیزر به سمت عقب منتشر می شود و در نهایت وارد ژنراتور لیزر می شود (به عنوان مثال، حفره تشدید یک لیزر فیبر). اجزای اصلی ژنراتورهای لیزری (مانند منابع پمپ و فیبرهای بهره) نیازهای بسیار بالایی برای پایداری انرژی دارند. لیزر منعکس شده در حال انتشار به عقب، تعادل انرژی حفره تشدید را مختل می کند و منجر به نوسانات قدرت خروجی لیزر (با انحراف تا 10±٪) می شود. استفاده طولانی مدت عمر مفید منبع پمپ را کوتاه می کند (عمر یک منبع پمپ که در ابتدا برای 50000 ساعت طراحی شده بود ممکن است در هنگام پردازش مواد بسیار بازتابنده به کمتر از 30000 ساعت کاهش یابد). در موارد شدید، حتی ممکن است فیبر گین را بسوزاند و در نتیجه ژنراتور لیزری از بین برود و هزینه های نگهداری آن به چند صد هزار یوان برسد.
III. موانع فرآیند و هزینه: سازگاری ضعیف و عدم تعادل اقتصادی
حتی اگر اقدامات فنی برای کاهش مشکل انعکاس انرژی انجام شود، برش لیزری مواد با انعکاس بالا همچنان با موانع سازگاری ناکافی فرآیند و هزینههای بالا مواجه است که کاربرد-در مقیاس بزرگ را دشوار میکند.
1. مشکل در تطبیق پارامترهای فرآیند و هزینه های بالای اشکال زدایی
مواد بسیار بازتابنده عموماً دارای رسانایی حرارتی قوی هستند (مثلاً رسانایی حرارتی مس بیش از 5 برابر فولاد کم کربن{3}} است). در حین پردازش، گرما به سرعت پخش می شود و به کنترل دقیق پارامترهای فرآیند مانند توان لیزر، سرعت برش و فشار گاز نیاز دارد. به عنوان مثال، هنگام پردازش آلیاژ آلومینیوم، توان لیزر باید به 1.5 برابر استفاده از فولاد کم کربن افزایش یابد، در حالی که سرعت برش کاهش می یابد (برای جلوگیری از انتشار بیش از حد حرارت)، و از نیتروژن با خلوص بالا (برای جلوگیری از اکسیداسیون) استفاده می شود.
با این حال، تفاوت های قابل توجهی در خواص فیزیکی بین گریدهای مختلف مواد بسیار بازتابنده (به عنوان مثال، آلیاژ آلومینیوم 6061 و آلیاژ آلومینیوم 7075) وجود دارد. هر بار که ماده تغییر میکند، پارامترها باید دوباره{5}}اشکالزدایی شوند، که ممکن است چندین ساعت یا حتی روزها طول بکشد و به تکنسینهای مجرب برای کار نیاز دارد، که پیچیدگی فرآیند و هزینههای نیروی کار را افزایش میدهد.
2. هزینه های کمکی بالا و اقتصاد ناکافی
برای کاهش تاثیر لیزر بازتابی، سرمایه گذاری اضافی در تجهیزات کمکی و مواد مصرفی برای پردازش مواد با بازتاب بالا مورد نیاز است. به عنوان مثال، "پوشش های ضد انعکاسی" (مانند پاشیدن پوشش های جاذب سیاه روی سطوح مسی) مورد نیاز است، اما هزینه پوشش تقریباً 10-20 یوان در هر متر مربع است و پوشش باید پس از برش برداشته شود و فرآیندهای اضافی اضافه شود.
مثال دیگر نیاز به تجهیز "عایق لیزر معکوس" (برای جلوگیری از ورود لیزر بازتابی به ژنراتور)، با هزینه نصب یک مجموعه برای هر دستگاه از 10000 تا 30000 یوان است. علاوه بر این، مصرف گاز (مانند نیتروژن) در طول پردازش مواد با انعکاس بالا 2-3 برابر پردازش فولاد کم کربن{14} است و فرکانس تعمیر و نگهداری تجهیزات بالاتر است (به عنوان مثال، لنزها باید هر 500 ساعت پردازش تمیز شوند، که 2 برابر بیشتر از پردازش معمولی است). هزینه جامع 40 تا 60 درصد بیشتر از فرآوری فلزات معمولی است و از نظر اقتصادی برای شرکت های تولیدی کوچک و متوسط غیرممکن است.
IV. موانع حفاظت از محیط زیست و ایمنی: خطرات بالقوه سلامت و ایمنی
در حین برش لیزری مواد با انعکاس بالا، علاوه بر خطر آسیب به تجهیزات، خطرات ایمنی خاصی نیز ایجاد می شود که الزامات بالاتری را بر محیط عملیاتی و حفاظت پرسنل تحمیل می کند.
1. خطر "آسیب غیرمستقیم" از لیزر منعکس شده
بخشی از لیزر منعکس شده در هوای کارگاه پردازش پراکنده می شود و "لیزر پراکنده" را تشکیل می دهد. اگرچه چگالی انرژی کاهش می یابد، اما همچنان ممکن است باعث آسیب به چشم اپراتورها شود (مانند سوختگی شبکیه). به خصوص هنگامی که سطوح بازتابنده فلزی در کارگاه وجود داشته باشد (مانند میز کار فولاد ضد زنگ)، لیزر پراکنده بیشتر منعکس می شود و دامنه خطر را افزایش می دهد. علاوه بر این، لیزر منعکس شده ممکن است مواد قابل اشتعال در کارگاه (مانند بسته بندی های پلاستیکی و روغن روان کننده) را مشتعل کند و خطر آتش سوزی را به همراه داشته باشد.
2. تولید آلاینده های خطرناک
هنگامی که مواد بسیار بازتابنده (مانند آلیاژهای تیتانیوم و صفحات فولادی گالوانیزه) توسط لیزر بریده می شوند، آلاینده های خطرناک خاصی به دلیل دماهای بالا تولید می شوند. به عنوان مثال، برش آلیاژهای تیتانیوم، گرد و غبار دی اکسید تیتانیوم تولید می کند (استنشاق طولانی مدت ممکن است باعث فیبروز ریوی شود)، و برش صفحات فولادی گالوانیزه، بخارهای اکسید روی را آزاد می کند (که مجرای تنفسی را تحریک می کند و باعث "تب دود فلز" می شود). تصفیه این آلایندهها دشوارتر از دودهای تولید شده توسط برش فلز معمولی است، که نیازمند استقرار تجهیزات حرفهای تصفیه و حذف گرد و غبار با راندمان بالا (مانند فیلترهای HEPA) است. هزینه سرمایه گذاری چنین تجهیزاتی 2-3 برابر بیشتر از تجهیزات معمولی حذف گرد و غبار است و عناصر فیلتر نیاز به تعویض منظم دارند و هزینه های عملیاتی و نگهداری را افزایش می دهند.
نتیجه گیری: ماهیت موانع و مسیرهای پیشرفت
به طور خلاصه، موانع در پردازش مواد بسیار بازتابنده با دستگاههای برش لیزر اساساً از تناقض بین بازتابپذیری بالای مواد و منطق استفاده از انرژی در پردازش لیزری ناشی میشود-برش لیزر بر «جذب انرژی» متکی است، در حالی که ویژگی اصلی مواد بسیار بازتابنده «انعکاس انرژی» است. این تناقض باعث ایجاد مسائل متعددی در کیفیت پردازش، ایمنی تجهیزات، کنترل هزینه و حفاظت ایمنی می شود.
در حال حاضر، صنعت برخی از این موانع را از طریق فناوریهایی مانند بهبود طول موج لیزر (به عنوان مثال، استفاده از لیزر سبز 532 نانومتری برای افزایش نرخ جذب مواد با بازتاب بالا)، بهینهسازی پوششهای لنز (مانند استفاده از پوششهای ضد انعکاسی بالا)، و توسعه هدهای برش خودکار و راهحلهای متمرکز برش خودکار با عملکرد کامل، کاهش داده است. هنوز به دست نیامده است.
انتظار میرود در آینده با توسعه فناوریهایی مانند لیزرهای پالس فوقالعاده کوتاه (مثلاً لیزرهای فمتوثانیه) و سیستمهای کنترل انرژی هوشمند، موانع موجود در پردازش لیزری مواد بسیار بازتابنده به تدریج برطرف شود و کاربرد گسترده آنها در زمینههای پیشرفته{3} مانند تجهیزات هوافضا، قطعات الکترونیکی و قطعات الکترونیکی ارتقا یابد.
--Rayther Laser Jack Sun--