הקדמה של חיתוך בלייזר

חיתוך בלייזר הוא טכנולוגיה המשתמשת בלייזר לאידוי חומרים, וכתוצאה מכך לחתוך קצה.למרות שהוא משמש בדרך כלל ליישומי ייצור תעשייתי, הוא משמש כיום על ידי בתי ספר, עסקים קטנים, אדריכלות וחובבים.חיתוך לייזר עובד על ידי הפניית הפלט של לייזר בעל הספק גבוה בדרך כלל דרך אופטיקה.אופטיקה לייזר ו-CNC (בקרה מספרית מחשב) משמשות לכוון את קרן הלייזר לחומר.לייזר מסחרי לחיתוך חומרים משתמש במערכת בקרת תנועה כדי לעקוב אחר קוד CNC או G של התבנית שיש לחתוך על החומר.קרן הלייזר הממוקדת מופנית אל החומר, שלאחר מכן נמס, נשרף, מתאדה או נדחף על ידי סילון גז,[1] ומשאיר קצה בעל גימור משטח איכותי

הִיסטוֹרִיָה
בשנת 1965, מכונת חיתוך הלייזר הראשונה לייצור שימשה לקדוח חורים במות יהלומים.מכונה זו נוצרה על ידי המרכז לחקר הנדסת החשמל המערבית.[3]בשנת 1967, הבריטים היו חלוצים בחיתוך סילון חמצן בסיוע לייזר למתכות.[4]בתחילת שנות ה-70, הטכנולוגיה הזו הוכנסה לייצור כדי לחתוך טיטניום ליישומי תעופה וחלל.במקביל, לייזר CO2 הותאמו לחיתוך מתכות שאינן מתכות, כגון טקסטיל, מכיוון שבאותה עת, לייזרים CO2 לא היו חזקים מספיק כדי להתגבר על המוליכות התרמית של מתכות.[5]

תהליך

חיתוך לייזר תעשייתי של פלדה עם הוראות חיתוך מתוכנתות דרך ממשק CNC
קרן הלייזר ממוקדת בדרך כלל באמצעות עדשה איכותית על אזור העבודה.לאיכות האלומה יש השפעה ישירה על גודל הנקודה הממוקדת.החלק הצר ביותר של האלומה הממוקדת הוא בדרך כלל פחות מ-0.0125 אינץ' (0.32 מ"מ) קוטר.בהתאם לעובי החומר, יתכן ברוחב של עצים קטנים כמו 0.004 אינץ' (0.10 מ"מ).[6]על מנת שניתן יהיה להתחיל לחתוך ממקום אחר מלבד הקצה, מבצעים פירסינג לפני כל חיתוך.פירסינג כרוך בדרך כלל בקרן לייזר פועמת בעוצמה גבוהה אשר לאט יוצרת חור בחומר, הנמשכת כ-5-15 שניות עבור פלדת אל-חלד בעובי 0.5 אינץ' (13 מ"מ), למשל.

הקרניים המקבילות של האור הקוהרנטי ממקור הלייזר נופלות לרוב בטווח שבין 0.06-0.08 אינץ' (1.5-2.0 מ"מ) בקוטר.קרן זו ממוקדת ומועצמת בדרך כלל על ידי עדשה או מראה לנקודה קטנה מאוד של כ-0.001 אינץ' (0.025 מ"מ) ליצירת קרן לייזר חזקה מאוד.על מנת להשיג את הגימור החלק ביותר האפשרי במהלך חיתוך קווי המתאר, יש לסובב את כיוון קיטוב הקרן כאשר הוא מסתובב בהיקפים של חומר עבודה בעל קווי מתאר.עבור חיתוך מתכת, אורך המוקד הוא בדרך כלל 1.5-3 אינץ' (38-76 מ"מ).[7]

היתרונות של חיתוך בלייזר על פני חיתוך מכני כוללים החזקת עבודה קלה יותר וזיהום מופחת של חלק העבודה (מאחר שאין קצה חיתוך שעלול להזדהם בחומר או לזהם את החומר).הדיוק עשוי להיות טוב יותר, מכיוון שקרן הלייזר אינה נשחקת במהלך התהליך.קיים גם סיכוי מופחת לעיוות החומר הנחתך, שכן למערכות לייזר יש אזור קטן מושפע חום.[8]חלק מהחומרים גם קשה מאוד או בלתי אפשרי לחתוך באמצעים מסורתיים יותר.

לחיתוך לייזר למתכות יש את היתרונות על פני חיתוך פלזמה של דיוק רב יותר[9] ושימוש בפחות אנרגיה בעת חיתוך פח;עם זאת, רוב הלייזרים התעשייתיים אינם יכולים לחתוך את עובי המתכת הגדול יותר שהפלזמה יכולה.מכונות לייזר חדשות יותר הפועלות בהספק גבוה יותר (6000 וואט, בניגוד לדירוג 1500 וואט של מכונות חיתוך לייזר מוקדמות) מתקרבות למכונות פלזמה ביכולתן לחתוך דרך חומרים עבים, אך עלות ההון של מכונות כאלה גבוהה בהרבה מזו של פלזמה. מכונות חיתוך המסוגלות לחתוך חומרים עבים כמו לוח פלדה.[10]

סוגים

חותך לייזר CO2 4000 וואט
ישנם שלושה סוגים עיקריים של לייזרים המשמשים בחיתוך לייזר.לייזר CO2 מתאים לחיתוך, משעמם וחריטה.הלייזרים הנאודימיום (Nd) והניאודימיום איטריום-אלומיניום-נופך (Nd:YAG) זהים בסגנון ונבדלים רק ביישום.Nd משמש לשעמם ושם נדרשות אנרגיה גבוהה אך חזרה נמוכה.הלייזר Nd:YAG משמש במקום בו יש צורך בעוצמה גבוהה מאוד ולמשעמום וחריטה.ניתן להשתמש בלייזר CO2 ו-Nd/Nd:YAG לריתוך.[11]

לייזר CO2 "נשאב" בדרך כלל על ידי העברת זרם דרך תערובת הגז (מעורר DC) או שימוש באנרגיה בתדר רדיו (מעורר RF).שיטת ה-RF היא חדשה יותר והפכה פופולרית יותר.מכיוון שתכנוני DC דורשים אלקטרודות בתוך החלל, הם יכולים להיתקל בשחיקת אלקטרודות וציפוי של חומר אלקטרודה על כלי זכוכית ואופטיקה.מכיוון שלמהודים RF יש אלקטרודות חיצוניות, הם אינם מועדים לבעיות אלו.לייזרים CO2 משמשים לחיתוך תעשייתי של חומרים רבים כולל טיטניום, נירוסטה, פלדה עדינה, אלומיניום, פלסטיק, עץ, עץ מהונדס, שעווה, בדים ונייר.לייזרים של YAG משמשים בעיקר לחיתוך ושרטוט מתכות וקרמיקה.[12]

בנוסף למקור הכוח, סוג זרימת הגז יכול להשפיע גם על הביצועים.גרסאות נפוצות של לייזר CO2 כוללות זרימה צירית מהירה, זרימה צירית איטית, זרימה רוחבית ולוח.במהוד זרימה צירית מהירה, התערובת של פחמן דו חמצני, הליום וחנקן מועברת במהירות גבוהה על ידי טורבינה או מפוח.לייזרים זרימה רוחבית מזרימים את תערובת הגז במהירות נמוכה יותר, הדורשים מפוח פשוט יותר.לתהודה מקורר לוחות או דיפוזיה יש שדה גז סטטי שאינו דורש לחץ או כלי זכוכית, מה שמוביל לחסכון בטורבינות חלופיות וכלי זכוכית.

מחולל הלייזר והאופטיקה החיצונית (כולל עדשת הפוקוס) דורשים קירור.בהתאם לגודל המערכת ותצורתו, חום הפסולת עשוי להיות מועבר באמצעות נוזל קירור או ישירות לאוויר.מים הם נוזל קירור נפוץ, המופץ בדרך כלל דרך מקרר או מערכת העברת חום.

לייזר microjet הוא לייזר מונחה סילון מים שבו קרן לייזר פועמת מחוברת לסילון מים בלחץ נמוך.זה משמש לביצוע פונקציות חיתוך לייזר תוך שימוש בסילון המים כדי להנחות את קרן הלייזר, בדומה לסיב אופטי, דרך השתקפות פנימית מוחלטת.היתרונות בכך שהמים גם מסירים פסולת ומקררים את החומר.יתרונות נוספים על פני חיתוך לייזר "יבש" מסורתי הם מהירויות חיתוך גבוהות, חתך מקביל וחיתוך כל-כיווני.[13]

לייזרים סיבים הם סוג של לייזר במצב מוצק שצומח במהירות בתעשיית חיתוך המתכת.שלא כמו CO2, טכנולוגיית הסיבים משתמשת במדיום רווח מוצק, בניגוד לגז או נוזל."לייזר הזרע" מייצר את קרן הלייזר ולאחר מכן מוגבר בתוך סיב זכוכית.עם אורך גל של 1064 ננומטר בלבד, לייזרים סיבים מייצרים גודל נקודה קטן במיוחד (קטן עד פי 100 בהשוואה ל-CO2) מה שהופך אותו לאידיאלי לחיתוך חומר מתכתי רפלקטיבי.זהו אחד היתרונות העיקריים של סיבים בהשוואה ל-CO2.[14]

היתרונות של חותך לייזר סיבים כוללים: -

זמני עיבוד מהירים.
צריכת אנרגיה וחשבונות מופחתים - עקב יעילות רבה יותר.
אמינות וביצועים גדולים יותר - אין אופטיקה להתאמה או יישור ואין מנורות להחלפה.
תחזוקה מינימלית.
היכולת לעבד חומרים מחזירי אור כמו נחושת ופליז
פרודוקטיביות גבוהה יותר - עלויות תפעול נמוכות יותר מספקות החזר גדול יותר על ההשקעה שלך.[15]

שיטות
קיימות שיטות רבות ושונות בחיתוך באמצעות לייזר, כאשר סוגים שונים משמשים לחיתוך חומרים שונים.חלק מהשיטות הן אידוי, התכה ונשיפה, נשיפה וצריבה התכה, פיצוח מתח תרמי, שרבוט, חיתוך קר וחיתוך לייזר מיוצב בעירה.

חיתוך אידוי
בחיתוך אידוי הקרן הממוקדת מחממת את פני החומר לנקודת הבזק ויוצרת חור מפתח.חור המנעול מוביל לעלייה פתאומית בספיגות המעמיקה את החור במהירות.כאשר החור מעמיק והחומר רותח, אדים שנוצרים שוחקים את הקירות המותכים שנפלטים החוצה ומגדילים עוד יותר את החור.חומר שאינו נמס כמו עץ, פחמן ופלסטיק תרמו-סטם נחתכים בדרך כלל בשיטה זו.
להמיס ולנשוף
חיתוך היתוך והיתוך משתמש בגז בלחץ גבוה כדי לנשוף חומר מותך מאזור החיתוך, מה שמקטין מאוד את דרישת ההספק.תחילה החומר מחומם לנקודת התכה ואז סילון גז נושף את החומר המותך החוצה מהפרק, תוך מניעת הצורך להעלות עוד יותר את טמפרטורת החומר.חומרים שנחתכו בתהליך זה הם בדרך כלל מתכות.

פיצוח מתח תרמי
חומרים שבירים רגישים במיוחד לשבר תרמי, תכונה המנוצלת בפיצוח מתח תרמי.קרן ממוקדת על פני השטח וגורמת לחימום מקומי והתפשטות תרמית.כתוצאה מכך נוצר סדק שניתן להנחות אותו על ידי הזזת הקורה.ניתן להזיז את הסדק בסדר של m/s.הוא משמש בדרך כלל בחיתוך זכוכית.

חיתוך קוביות של פרוסות סיליקון
מידע נוסף: קוביות ופל
ההפרדה של שבבים מיקרואלקטרוניים כפי שהוכנו בייצור מכשירי מוליכים למחצה מפרוסות סיליקון עשויה להתבצע על ידי תהליך קוביות חמקנות, שפועל עם לייזר Nd:YAG פועם, שאורך הגל שלו (1064 ננומטר) מותאם היטב לאלקטרוני. פער פס של סיליקון (1.11 eV או 1117 ננומטר).

חיתוך תגובתי
נקרא גם "חיתוך גז בלייזר מיוצב בוער", "חיתוך להבה".חיתוך תגובתי הוא כמו חיתוך לפיד חמצן אבל עם קרן לייזר כמקור ההצתה.משמש בעיקר לחיתוך פלדת פחמן בעוביים מעל 1 מ"מ.תהליך זה יכול לשמש לחיתוך לוחות פלדה עבים מאוד עם כוח לייזר קטן יחסית.

סובלנות וגימור פני השטח
חותכי לייזר בעלי דיוק מיקום של 10 מיקרומטר וחזרה של 5 מיקרומטר.[צריך ציטוט]

החספוס הסטנדרטי Rz עולה עם עובי הגיליון, אך פוחת עם כוח הלייזר ומהירות החיתוך.בעת חיתוך פלדה דלת פחמן עם הספק לייזר של 800 W, החספוס הסטנדרטי Rz הוא 10 מיקרומטר לעובי יריעה של 1 מ"מ, 20 מיקרומטר עבור 3 מ"מ ו-25 מיקרומטר עבור 6 מ"מ.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
איפה: {\displaystyle S=}S= עובי יריעת פלדה במ"מ;{\displaystyle P=}P= הספק לייזר ב-kW (לכמה חותכי לייזר חדשים יש הספק לייזר של 4 kW);{\displaystyle V=}V= מהירות חיתוך במטרים לדקה.[16]

תהליך זה מסוגל להחזיק סובלנות די קרובה, לעתים קרובות בטווח של 0.001 אינץ' (0.025 מ"מ).לגיאומטריה של חלקים ולתקינות המכנית של המכונה יש קשר רב עם יכולות סובלנות.גימור השטח הטיפוסי הנובע מחיתוך קרן לייזר עשוי לנוע בין 125 ל-250 מיקרו אינץ' (0.003 מ"מ עד 0.006 מ"מ).[11]

תצורות מכונה

לייזר אופטיקה מעופפת כפולת משטחים

ראש לייזר אופטיקה מעופפת
יש בדרך כלל שלוש תצורות שונות של מכונות חיתוך לייזר תעשייתיות: חומר נע, מערכות היברידיות ואופטיקה מעופפת.אלה מתייחסים לאופן שבו קרן הלייזר מועברת על פני החומר המיועד לחיתוך או לעיבוד.עבור כל אלה, צירי התנועה מסומנים בדרך כלל בציר X ו-Y.אם ניתן לשלוט בראש החיתוך, הוא מוגדר כציר Z.

ללייזרים של חומרים נעים יש ראש חיתוך נייח ומעבירים את החומר מתחתיו.שיטה זו מספקת מרחק קבוע ממחולל הלייזר לחומר העבודה ונקודה אחת ממנה ניתן להסיר שפכי חיתוך.זה דורש פחות אופטיקה, אבל דורש הזזת חומר העבודה.מכונה בסגנון זה נוטה להיות עם הכי מעט אופטיקה להעברת קרן, אבל גם נוטה להיות האיטית ביותר.

לייזרים היברידיים מספקים טבלה הנעה בציר אחד (בדרך כלל ציר ה-X) ומזיזה את הראש לאורך הציר הקצר יותר (Y).זה מביא לאורך נתיב העברת קרן קבוע יותר מאשר מכונה אופטית מעופפת ועשויה לאפשר מערכת העברת קרן פשוטה יותר.זה יכול לגרום לאובדן הספק מופחת במערכת האספקה ​​ולקיבולת רבה יותר לוואט מאשר מכונות אופטיות מעופפות.

לייזרים אופטיים מעופפים כוללים שולחן נייח וראש חיתוך (עם קרן לייזר) שנע על חומר העבודה בשני הממדים האופקיים.חותכי אופטיקה מעופפת שומרים על חומר העבודה נייח במהלך העיבוד ולעתים קרובות אינם דורשים הידוק חומר.המסה הנעה קבועה, כך שהדינמיקה אינה מושפעת מגודל משתנה של חומר העבודה.מכונות אופטיות מעופפות הן הסוג המהיר ביותר, וזה יתרון בעת ​​חיתוך חלקי עבודה דקים יותר.[17]

מכונות אופטיות מעופפות חייבות להשתמש בשיטה כלשהי כדי לקחת בחשבון את אורך האלומה המשתנה מחיתוך שדה קרוב (קרוב לתהודה) לחיתוך שדה רחוק (רחוק מהתהוד).שיטות נפוצות לשליטה זה כוללות קולימציה, אופטיקה אדפטיבית או שימוש בציר אורך קרן קבוע.

מכונות חמישה ושישה צירים מאפשרות גם חיתוך חלקי עבודה.כמו כן, קיימות שיטות שונות לכיוון קרן הלייזר לחומר עבודה מעוצב, שמירה על מרחק מיקוד תקין ויציאת פיות וכו'.

פועם
לייזרים פועמים המספקים פרץ אנרגיה בעוצמה גבוהה לתקופה קצרה יעילים מאוד בחלק מתהליכי חיתוך לייזר, במיוחד עבור פירסינג, או כאשר נדרשים חורים קטנים מאוד או מהירויות חיתוך נמוכות מאוד, שכן אם נעשה שימוש בקרן לייזר קבועה, החום יכול להגיע לנקודת המסת כל החתיכה הנחתכת.

לרוב הלייזרים התעשייתיים יש את היכולת לפעום או לחתוך CW (גל מתמשך) תחת בקרת תוכנית NC (בקרה מספרית).

לייזרים דופקים משתמשים בסדרה של זוגות פולסים כדי לשפר את קצב הסרת החומר ואיכות החורים.בעיקרו של דבר, הפעימה הראשונה מסירה חומר מהמשטח והשנייה מונעת מהפליטה להיצמד לצד החור או לחתוך.[18]