1. مقدمه
دستگاه های برش لیزری نقش مهمی در پردازش صنعتی مدرن ایفا می کنند. با مزایای دقت بالا و سرعت بالا، آنها به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مانند پردازش فلز و ساخت الکترونیک استفاده می شوند. به عنوان یک جزء کلیدی در سیستم مسیر نوری دستگاه های برش لیزر، لنزها نقش تعیین کننده ای در انتقال و تمرکز پرتوهای لیزر دارند. در طول فرآیند برش، سرباره و فرز ناگزیر تولید میشوند و تاثیر آنها بر لنزها را نمیتوان دست کم گرفت و مستقیماً بر کیفیت برش، پایداری تجهیزات و هزینههای تولید دستگاه برش لیزر تأثیر میگذارد. درک کامل مکانیسمی که سرباره و فرز بر روی لنزها تأثیر میگذارند برای بهینهسازی فرآیند برش لیزری، افزایش طول عمر لنزها و بهبود راندمان تولید اهمیت زیادی دارد.
2. مکانیسم تولید سرباره و فرز
2.1 تولید سرباره
هنگامی که پرتو لیزر بر روی سطح ماده ای که قرار است برش داده شود، عمل می کند، مواد انرژی لیزر را جذب می کند و به سرعت تا نقطه ذوب یا حتی نقطه جوش گرم می شود و باعث ذوب و تبخیر بخشی از مواد می شود. تحت تأثیر گاز کمکی، مواد ذوب شده و تبخیر شده از ناحیه برش دمیده می شوند، اما مقداری از فلز مایع را نمی توان به طور کامل دمیده کرد و با سرد شدن در اطراف درز برش جامد می شود و سرباره ایجاد می کند. مواد مختلف مانند فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای آلومینیوم به دلیل تفاوت در نقطه ذوب، نقطه جوش و خواص ترموفیزیکی، مقادیر و اشکال مختلفی از سرباره تولید می کنند. به عنوان مثال، هنگام برش فولاد کربنی، سرباره معمولاً چسبناک تر است و تمایل دارد به سطح برش و اجزای اطراف بچسبد. در حالی که سرباره آلیاژهای آلومینیوم نسبتاً شل است اما سیالیت قوی دارد
2.2 تشکیل برز
تولید فرز به عوامل مختلفی در طول فرآیند برش بستگی دارد. از یک طرف، زمانی که سرعت برش خیلی سریع است یا انرژی لیزر ناکافی است، مواد را نمی توان به طور کامل ذوب و تبخیر کرد، در نتیجه بخشی از مواد به حالت جامد در لبه برش فشرده می شود و سوراخ هایی ایجاد می شود. از طرف دیگر، اگر فشار و سرعت جریان گاز کمکی نامناسب باشد، نمی توانند سرباره را به طور موثری از ناحیه برش منفجر کنند و سرباره در حین خنک شدن در لبه برش جامد می شود و سوراخ هایی را ایجاد می کند. علاوه بر این، کیفیت و وضعیت سطح مواد برش نیز بر تولید فرز تأثیر می گذارد. اگر ناخالصی هایی در مواد وجود داشته باشد یا سطح ناهموار باشد، احتمال ایجاد سوراخ در حین برش بیشتر است.
3. تاثیر فیزیکی سرباره و فرز بر روی لنزها
3.1 چسبندگی و تجمع
در طی فرآیند برش لیزری، سرباره و فرزها با جریان گاز کمکی پاشیده می شوند و برخی از آنها مستقیماً به سطح لنز برخورد کرده و به آن می چسبند. با افزایش زمان برش، این سرباره ها و فرزهای چسبیده به تدریج جمع می شوند. به خصوص هنگام برش صفحات ضخیم یا مواد با نقطه ذوب بالا، مقدار سرباره و فرزهای تولید شده زیاد است و پدیده انباشتگی آشکارتر است. سرباره و فرزهای انباشته شده روی سطح لنز، خواص نوری لنز را تغییر داده و باعث تغییر در انعکاس و شکست لیزر بر روی سطح لنز شده و بر کیفیت انتقال لیزر تأثیر میگذارد.
3.2 خراشیدگی و سایش
سرباره و فرزهای پاشش سریع-مقدار مشخصی انرژی جنبشی دارند. هنگامی که به سطح لنز برخورد می کنند، ممکن است لنز را خراش دهند. حتی خراش های کوچک به تدریج تحت تابش مکرر لیزر گسترش و عمیق می شوند و زبری سطح لنز را افزایش می دهند. سایش روی سطح لنز نه تنها عبور نور آن را کاهش می دهد بلکه ممکن است باعث پراکندگی لیزر شود و توزیع انرژی لیزر را ناهموار کند و در نتیجه بر دقت و کیفیت برش تأثیر بگذارد. خراش و ساییدگی طولانی مدت عمر لنز را کوتاه می کند و هزینه های نگهداری تجهیزات را افزایش می دهد.
4. تاثیر سرباره و فرز بر روی خواص نوری لنزها
4.1 کاهش در عبور نور
سرباره و فرزهای چسبیده به سطح عدسی معادل پوشاندن لایه ای از ناخالصی ها بر روی لنز است. این ناخالصی ها انرژی لیزر را جذب و پراکنده می کنند و منجر به کاهش عبور نور لنز می شود. کاهش در عبور نور به این معنی است که انرژی لیزر کمتری به سطح ماده برش داده می شود و در نتیجه بر اثر برش تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، هنگام برش صفحات نازک، اگر عبور نور لنز کاهش یابد، ممکن است منجر به برش ناقص شود. هنگام برش صفحات ضخیم، سرعت برش را کاهش داده و راندمان تولید را کاهش می دهد. علاوه بر این، کاهش نابرابر در گذر نور نیز باعث توزیع نابرابر انرژی لیزر بر روی سطح مواد میشود و در نتیجه کیفیت برش ناپایدار میشود.
4.2 دریفت فوکوس
تجمع سرباره و فرز روی سطح لنز و همچنین خراشیدگی و سایش، شکل سطح و خواص نوری لنز را تغییر می دهد. این ممکن است باعث شود که موقعیت کانونی لیزر جابجا شود و تمرکز دقیق بر روی موقعیت بهینه ماده برش داده شده غیرممکن شود. رانش فوکوس محدوده توزیع انرژی لیزر را بر روی سطح مواد گسترش میدهد، چگالی انرژی را کاهش میدهد و بر عمق و دقت برش بیشتر تأثیر میگذارد. برای برخی از کارهای پردازشی با الزامات دقت برش بسیار بالا، مانند برش قطعات الکترونیکی، جابجایی فوکوس ممکن است منجر به از بین رفتن محصول و خسارات اقتصادی جدی شود.
5. واکنش های زنجیره ای بر عملکرد کلی ماشین های برش لیزری
5.1 بدتر شدن کیفیت برش
با توجه به تاثیر منفی سرباره و فرز بر روی خواص فیزیکی و نوری لنزها، کیفیت برش دستگاه برش لیزری به طور مستقیم کاهش می یابد. سطح برش ممکن است ناهموار باشد، زبری بیشتری داشته باشد، و دارای چسبندگی سرباره باشد، با سوراخ های بیشتری که جدا کردن آنها دشوار است. این مشکلات نه تنها بر کیفیت ظاهری محصول تأثیر می گذارد بلکه ممکن است بر مونتاژ و عملکرد بعدی محصول نیز تأثیر بگذارد. در برخی از صنایع با الزامات سختگیرانه در مورد کیفیت محصول، مانند هوافضا و تجهیزات پزشکی، بدتر شدن کیفیت برش مطلقاً مجاز نیست، که ممکن است منجر به رکود کل فرآیند تولید و فراخوان محصول شود.
5.2 کاهش پایداری تجهیزات
تغییرات در عملکرد لنزها سیستم مسیر نوری دستگاه برش لیزر را ناپایدار می کند. برای حفظ اثرات برش طبیعی، تجهیزات ممکن است به طور خودکار پارامترهایی مانند قدرت لیزر و سرعت برش را تنظیم کنند، اما چنین تنظیمات مکرری باعث افزایش بار بر روی اجزای مختلف تجهیزات می شود و منجر به عملکرد ناپایدار تجهیزات می شود. در طولانی مدت عملیات ناپایدار، میزان خرابی تجهیزات افزایش می یابد، تعداد تعمیرات افزایش می یابد و تداوم و کارایی تولید به طور جدی تحت تأثیر قرار می گیرد. علاوه بر این، فرآیند برش ناپایدار نیز ممکن است تهدیدی برای ایمنی اپراتورها باشد
6. اقدامات پیشگیرانه و حل
6.1 بهینه سازی پارامترهای فرآیند برش
تولید سرباره و فرز را می توان با تنظیم معقول پارامترهای فرآیند برش مانند توان لیزر، سرعت برش، فشار گاز کمکی و سرعت جریان کاهش داد. به عنوان مثال، برای مواد با ضخامت ها و مواد مختلف، تطابق مناسب بین قدرت لیزر و سرعت برش را انتخاب کنید تا اطمینان حاصل شود که مواد می توانند به طور کامل ذوب و تبخیر شوند، و در همان زمان، گاز کمکی می تواند به طور موثر سرباره را از ناحیه برش دور کند. هنگام برش فولاد کربن، افزایش مناسب فشار گاز کمکی می تواند چسبندگی سرباره را کاهش دهد. هنگام برش صفحات نازک، کاهش سرعت برش می تواند کیفیت برش را بهبود بخشد و تولید فرز را کاهش دهد.
6.2 تقویت اقدامات حفاظتی لنز
نصب لنزهای محافظ{0} با کیفیت بالا روشی موثر برای جلوگیری از تماس مستقیم سرباره و فرورفتگی با لنزها است. لنزهای محافظ می توانند بسیاری از سرباره ها و سوراخ های پاشیده شده را مسدود کرده و آسیب فیزیکی آنها را به لنزها کاهش دهند. در عین حال، لازم است به طور منظم لنزهای محافظ را بازرسی و تعویض کنید و با توجه به مواد برش و ضخامت، یک چرخه تعویض معقول تعیین کنید. علاوه بر این، میتوان دستگاههای محافظی مانند محافظها و حفاظها را در اطراف لنزها نصب کرد تا تأثیر سرباره و سوراخها بر روی لنزها را کاهش دهد.
6.3 تمیز کردن و نگهداری منظم لنزها
تمیز کردن منظم لنزها کلید حفظ عملکرد خوب آنها است. از مواد و ابزارهای مخصوص تمیزکننده لنزهای نوری استفاده کنید تا ناخالصی ها مانند سرباره، سوراخ ها و گرد و غبار روی سطح لنز را مطابق با روش های صحیح تمیز کردن با دقت پاک کنید. در طول فرآیند تمیز کردن، از خراشیدگی ثانویه لنزها خودداری کنید. در عین حال، به طور منظم سیستم مسیر نوری دستگاه برش لیزر را بررسی و کالیبره کنید تا مطمئن شوید که موقعیت نصب لنزها دقیق است و موقعیت کانونی در حالت بهینه است تا از عملکرد پایدار و کیفیت برش دستگاه برش لیزر اطمینان حاصل شود.
--Rayther Laser Jack Sun--