**قطع الليزر وأساسيات نظام المعالجة به – معدات قطع الليزر**

**ثانياً. تكوين معدات قطع الليزر**

**2.1 مكونات ومبدأ عمل آلات قطع الليزر**

تتكون آلة قطع الليزر من مولد ليزر، رأس قطع، مكونات نقل الحزمة، منضدة أداة الآلة، نظام التحكم العددي (CNC)، الكمبيوتر (الأجهزة، البرامج)، مبرد، أسطوانات غاز التدريع، مستخرج الغبار، ومجفف الهواء، من بين أجزاء أخرى.

1. **مولد الليزر:** هذا هو الجهاز الذي ينتج مصدر الليزر. لتطبيقات قطع الليزر، باستثناء بعض الحالات التي تستخدم فيها ليزرات YAG ذات الحالة الصلبة، تستخدم الغالبية ليزرات غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) نظرًا لكفاءتها العالية في التحويل الكهروضوئي وقدرتها على إخراج طاقة أعلى. نظرًا لأن قطع الليزر لديه متطلبات عالية جدًا لجودة الحزمة، فإن جميع الليزرات ليست مناسبة للقطع.

2. **رأس القطع:** يتضمن بشكل أساسي مكونات مثل الفوهة، العدسة المركزة، ونظام تتبع التركيز. يستخدم جهاز قيادة رأس القطع لدفع رأس القطع على طول المحور Z وفقًا للبرنامج، ويتكون من مكونات مثل محرك سيرفو واللولب أو التروس.

* (1) **الفوهة:** تشمل أنواع الفوهات بشكل أساسي ثلاثة أشكال: متوازية، متقاربة، ومخروطية.

* (2) **العدسة المركزة:** للاستفادة من طاقة شعاع الليزر للقطع، يجب أن يتم تركيز الشعاع الخام المنبعث من الليزر بواسطة عدسة لتشكيل بقعة ذات كثافة طاقة عالية. العدسات ذات الأطوال البؤرية المتوسطة والطويلة مناسبة لقطع الألواح السميكة ولديها متطلبات أقل لاستقرار مسافة نظام التتبع. العدسات ذات الأطوال البؤرية القصيرة مناسبة فقط للألواح الرقيقة التي يقل سمكها عن 3 مم؛ لديها متطلبات صارمة لاستقرار مسافة نظام التتبع ولكنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من طاقة خرج الليزر المطلوبة.

* (3) **نظام التتبع:** يتكون نظام تتبع التركيز لآلة قطع الليزر بشكل عام من رأس القطع المركّز ونظام مستشعر التتبع. يتضمن رأس القطع أجزاء لتوجيه الضوء والتركيز والتبريد بالماء والنفخ بالغاز والتعديل الميكانيكي. يتكون المستشعر من عنصر الاستشعار وأجزاء التحكم في التضخيم. اعتمادًا على عنصر الاستشعار، تختلف أنظمة التتبع تمامًا؛ في المقام الأول، هناك شكلان: أنظمة تتبع المستشعر السعوي (غير تلامسي) وأنظمة تتبع المستشعر الاستقرائي (تلامسي).

3. **مكونات نقل الحزمة (المسار الضوئي الخارجي):** تستخدم المرايا الانكسارية والعاكسة لتوجيه الليزر إلى الاتجاه المطلوب. لمنع فشل مسار الحزمة، يتم حماية جميع المرايا بأغطية وتزويدها بغاز تدريع نظيف ذي ضغط إيجابي لمنع التلوث. ستعمل مجموعة عدسات عالية الجودة على تركيز شعاع بدون زاوية تباعد في بقعة صغيرة إلى ما لا نهاية. تستخدم عدسة ببعد بؤري 5.0 بوصة بشكل شائع. تستخدم عدسة 7.5 بوصة فقط للمواد التي يزيد سمكها عن 12 مم.

4. **منضدة أداة الآلة (وحدة التحكم الرئيسية للآلة):** الجزء الميكانيكي من آلة قطع الليزر الذي يتيح الحركة على طول المحاور X و Y و Z، بما في ذلك منصة عمل القطع.

5. **نظام التحكم العددي (CNC):** يتحكم في أداة الآلة لتحقيق حركة المحاور X و Y و Z ويتحكم أيضًا في طاقة خرج الليزر.

6. **نظام التبريد (وحدة المبرد):** يستخدم لتبريد مولد الليزر. الليزر هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. على سبيل المثال، معدل التحويل لليزر غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو عادة 20٪، مع تحويل الطاقة المتبقية إلى حرارة. يحمل ماء التبريد الحرارة الزائدة بعيدًا للحفاظ على التشغيل العادي. يقوم المبرد أيضًا بتبريد مرايا المسار الضوئي الخارجي والعدسة المركزة لضمان جودة نقل الحزمة المستقرة ومنع تشوه العدسة أو تشققها بشكل فعال بسبب درجة الحرارة المفرطة.

7. **أسطوانات الغاز:** تشمل أسطوانات غاز الوسط العامل لآلة قطع الليزر وأسطوانات الغاز المساعدة، والتي تستخدم لتجديد الغازات الصناعية لاهتزاز الليزر وتزويد الغازات المساعدة لرأس القطع.

8. **نظام استخلاص الغبار:** يستخلص الدخان والغبار المتولد أثناء المعالجة ويقوم بتصفيتها بحيث تفي انبعاثات العادم بالمعايير البيئية.

9. **مجفف ومرشح تبريد الهواء:** يزود الهواء النظيف والجاف لمولد الليزر ومسار الحزمة للحفاظ على التشغيل العادي للمسار والمرايا.

**2.2 شعلة قطع الليزر**

يوضح الشكل أدناه الهيكل التخطيطي لشعلة قطع الليزر، ويتكون بشكل أساسي من جسم الشعلة، والعدسة المركزة، والمرآة، وفوهة الغاز المساعدة. أثناء قطع الليزر، يجب أن تفي الشعلة بالمتطلبات التالية:

① يجب أن تكون الشعلة قادرة على طرد تدفق غاز كافٍ.

② يجب أن يكون اتجاه طرد الغاز داخل الشعلة متحد المحور مع المحور البصري للمرآة.

③ يجب أن يكون الطول البؤري للشعلة قابلاً للتعديل بسهولة.

④ أثناء القطع، تأكد من أن بخار المعدن والرذاذ الناتج عن عملية القطع لا يتلف المرآة.

يتم تعديل حركة الشعلة من خلال نظام حركة التحكم العددي (CNC). يمكن أن تحدث الحركة النسبية بين الشعلة وقطعة العمل في ثلاثة مواقف:

① الشعلة ثابتة، وتتحرك قطعة العمل عبر منضدة العمل (بشكل أساسي لقطع العمل الأصغر).

② قطعة العمل ثابتة، وتتحرك الشعلة.

③ تتحرك كل من الشعلة ومنضدة العمل في وقت واحد.

**2.2.1 رأس القطع**

يقع رأس قطع الليزر في نهاية نظام نقل الحزمة ويتضمن العدسة المركزة وفوهة القطع.

يتم تمييز العدسات المركزة في المقام الأول بطولها البؤري. تم تجهيز معظم معدات قطع الليزر بعدة رؤوس قطع بأطوال بؤرية مختلفة. مع الأخذ في الاعتبار قطع ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) كمثال، فإن الأطوال البؤرية الشائعة هي 127 مم (5 بوصات) و 190 مم (7.5 بوصات). تنتج العدسة ذات الطول البؤري القصير بقعة بؤرية صغيرة وعمق تركيز قصير، وهو أمر مفيد لتقليل عرض الشق والحصول على قطع أدق. تنتج العدسة ذات الطول البؤري الطويل بقعة بؤرية أكبر وعمق تركيز أطول. بالمقارنة مع العدسة ذات الطول البؤري القصير، يمكن للعدسة ذات الطول البؤري الطويل أن تلبي متطلبات كثافة طاقة الحزمة المركزة بالقرب من النقطة البؤرية على نطاق أوسع من سمك المادة. لذلك، تستخدم العدسات ذات الأطوال البؤرية القصيرة في الغالب للقطع الدقيق للصفائح الرقيقة، بينما تتطلب المواد الأكثر سمكًا عدسات ذات أطوال بؤرية طويلة للحصول على عمق تركيز كافٍ، مما يضمن أن يكون تغير قطر البقعة ضئيلاً ضمن نطاق سمك القطع والحفاظ على كثافة طاقة كافية.

تُستخدم العدسة المركزة لتركيز شعاع الليزر المتوازي الداخل إلى الشعلة للحصول على بقعة صغيرة وكثافة طاقة عالية. العدسات مصنوعة من مواد تنقل طول موجة الليزر. تستخدم ليزرات الحالة الصلبة بشكل شائع الزجاج البصري، بينما تستخدم ليزرات غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2)، التي لا يمكنها النقل عبر الزجاج العادي، مواد مثل ZnSe و GaAs و Ge، مع كون ZnSe هو الأكثر شيوعًا.

لقطع الليزر، مطلوب قطر بقعة صغير قدر الإمكان، لأن هذا يزيد من كثافة الطاقة، مما يسهل القطع عالي السرعة. ومع ذلك، عندما يقل الطول البؤري للعدسة، يصبح عمق التركيز أصغر أيضًا، مما يجعل من الصعب الحصول على أسطح قطع جيدة عمودية عند قطع الألواح الأكثر سمكًا. بالإضافة إلى ذلك، مع طول بؤري أصغر للعدسة، تقل المسافة بين العدسة وقطعة العمل، مما يجعل العدسة عرضة للتلوث بالرذاذ والمواد المنصهرة الأخرى أثناء القطع، مما يؤثر على التشغيل العادي. لذلك، يجب تحديد الطول البؤري المناسب من خلال دراسة شاملة لعوامل مثل سمك القطع ومتطلبات الجودة.

**2.2.2 المرآة**

تتمثل وظيفة المرآة في تغيير اتجاه الحزمة القادمة من الليزر. بالنسبة للحزم من ليزرات الحالة الصلبة، يمكن استخدام المرايا المصنوعة من الزجاج البصري، بينما غالبًا ما تكون المرايا الموجودة في أجهزة قطع ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) مصنوعة من النحاس أو المعادن ذات الانعكاسية العالية. أثناء الاستخدام، يتم تبريد المرايا عادةً بالماء لتجنب التلف الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة من التعرض للضوء.

**2.2.3 الفوهة**

تُستخدم الفوهة لحقن الغاز المساعد في منطقة القطع. لشكلها الهيكلي تأثير معين على كفاءة القطع وجودته. يوضح الشكل 4.11 أشكال الفوهات الشائعة المستخدمة في قطع الليزر؛ تشمل أشكال فتحات الحقن أنواعًا أسطوانية ومخروطية ومتقاربة متباعدة (دي لافال).

يتم تحديد اختيار الفوهة بشكل عام بعد الاختبار بناءً على مادة قطعة العمل وسمكها وضغط الغاز المساعد وما إلى ذلك. يستخدم قطع الليزر بشكل عام الفوهات المحورية (تدفق الغاز متحد المحور مع المحور البصري). إذا لم يكن تدفق الغاز متحد المحور مع الحزمة، فيمكنه بسهولة توليد رذاذ كبير أثناء القطع. يجب أن يكون جدار فتحة الفوهة أملسًا لضمان تدفق غاز سلس وتجنب التأثير على جودة القطع بسبب الاضطراب. لضمان استقرار عملية القطع، يجب تقليل المسافة من وجه الفوهة إلى سطح قطعة العمل، وغالبًا ما يتم أخذها على أنها 0.5 ~ 2.0 مم. يجب أن تسمح فتحة الفوهة لشعاع الليزر بالمرور دون عائق، وتجنب ملامسة الحزمة للجدار الداخلي للفوهة. كلما كانت الفتحة أصغر، أصبحت عملية محاذاة الحزمة أكثر صعوبة. عند ضغط غاز مساعد معين، توجد نطاق أمثل لأقطار فتحة الفوهة. إذا كانت الفتحة صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، فسوف تؤثر على إزالة المنتجات المنصهرة من الشق وتؤثر أيضًا على سرعة القطع.

يوضح تأثير فتحة الفوهة على سرعة القطع في ظل طاقة ليزر معينة وضغط غاز مساعد في الشكلين 4.12 و 4.13. يمكن ملاحظة وجود فتحة فوهة مثالية تنتج أقصى سرعة قطع. سواء تم استخدام الأكسجين أو الأرجون كغاز مساعد، فإن هذه القيمة المثالية تبلغ حوالي 1.5 مم.

تُظهر اختبارات قطع الليزر على المواد التي يصعب قطعها مثل كربيد الأسمنت أن فتحة الفوهة المثالية قريبة جدًا من النتيجة المذكورة أعلاه، كما هو موضح في الشكل 4.14. تؤثر فتحة الفوهة أيضًا على عرض الشق وعرض المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ). كما هو موضح في الشكل 4.15، مع زيادة فتحة الفوهة، يتسع الشق بينما تضيق HAZ. السبب الرئيسي لضيق HAZ هو تأثير التبريد المعزز لتدفق الغاز المساعد على المادة الأساسية في منطقة القطع.

**2.3 معلمات معدات قطع الليزر**

**2.3.1 معدات القطع التي تعمل بالشعلة**

في معدات القطع التي تعمل بالشعلة، يتم تثبيت شعلة القطع على رافعة متحركة وتتحرك بشكل عرضي (اتجاه Y) على طول شعاع الرافعة. تقود الرافعة الشعلة على طول الاتجاه X، ويتم تثبيت قطعة العمل على طاولة القطع. نظرًا لأن مصدر الليزر منفصل عن الشعلة، أثناء القطع، يمكن أن تتأثر خصائص نقل الليزر والتوازي على طول اتجاه مسح الحزمة واستقرار المرايا العاكسة.

يمكن لمعدات القطع التي تعمل بالشعلة معالجة أجزاء أكبر، وتتطلب مساحة أرضية أقل نسبيًا لمنطقة إنتاج القطع، ويمكن دمجها بسهولة في خطوط الإنتاج مع معدات أخرى. ومع ذلك، فإن دقة تحديد المواقع تبلغ عادةً حوالي ±0.04 مم.

يوضح الشكل 4.19 الهيكل النموذجي لمعدات القطع التي تعمل بالشعلة. يستخدم هذا المثال قاطع ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) مستمر الموجة، بمسافة نقل حزمة تبلغ 18 مترًا من مصدر الليزر إلى الشعلة. لضمان أن التغييرات في شكل الحزمة على هذه المسافة لا تعيق القطع، يجب تصميم مجموعة مرايا المذبذب بعناية.

المعلمات الفنية الرئيسية للمعدات التي تعمل بالشعلة:

* طاقة خرج الليزر: 1.5 كيلو واط (وضع واحد)، 3 كيلو واط (أوضاع متعددة).

* حركة الشعلة: المحور X 6.2 م، المحور Y 2.6 م.

* سرعة القيادة: 0 ~ 10 م / دقيقة (قابلة للتعديل).

* ارتفاع الشعلة (المحور Z) حركة عائمة: 150 مم.

* سرعة تعديل ارتفاع الشعلة: 300 مم / دقيقة.

* الحد الأقصى لحجم لوح الفولاذ القابل للمعالجة: سمك 12 مم * 2400 مم * 6000 مم.

* معدات التحكم: طريقة التحكم المتكاملة CNC.

**2.3.2 معدات القيادة بطاولة القطع ذات الإحداثيات XY**

في معدات القيادة بطاولة القطع ذات الإحداثيات XY، يتم تثبيت الشعلة على إطار الآلة، ويتم وضع قطعة العمل على طاولة القطع. تتحرك طاولة القطع وفقًا لتعليمات NC على طول الاتجاهين X و Y. سرعة القيادة هي عمومًا 0 ~ 1 م / دقيقة (قابلة للتعديل) أو 0 ~ 5 م / دقيقة (قابلة للتعديل). نظرًا لأن الشعلة ثابتة بالنسبة لقطعة العمل، فإن محاذاة شعاع الليزر تتأثر بشكل أقل أثناء القطع، مما يسمح بعمليات قطع موحدة ومستقرة. عندما يكون حجم طاولة القطع صغيرًا والدقة الميكانيكية عالية، يمكن أن تكون دقة تحديد المواقع ±0.01 مم، مما يؤدي إلى دقة قطع ممتازة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للقطع الدقيق للأجزاء الصغيرة. توجد أيضًا طاولات قطع بحركة المحور X تبلغ 2300 ~ 2400 مم وحركة المحور Y تبلغ 1200 ~ 1300 مم لمعالجة الأجزاء الأكبر.

المعلمات الفنية الرئيسية للمعدات التي تعمل بالطاولة XY:

* الليزر: ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) (نوع الأنبوب المستقيم شبه المغلق).

* مزود طاقة الليزر: جهد الإدخال 200 فولت تيار متردد، جهد الخرج 0 ~ 30 كيلو فولت، أقصى تيار خرج 100 مللي أمبير.

* طاقة خرج الليزر: 550 واط.

* حركة طاولة القطع: المحور X 2300 مم، المحور Y 1300 مم.

* سرعة قيادة طاولة القطع (قابلة للتعديل خطوة بخطوة): 0.4 ~ 5.0 م / دقيقة، 0.2 ~ 2.5 م / دقيقة، 0.1 ~ 1.3 م / دقيقة، 0.05 ~ 0.6 م / دقيقة.

* ارتفاع الشعلة (المحور Z) حركة عائمة: 180 مم.

* الحد الأقصى لحجم الورقة القابلة للمعالجة: سمك 6 مم * 1300 مم * 2300 مم.

* معدات التحكم: طريقة NC.

**2.3.3 معدات القطع ذات القيادة المزدوجة بالشعلة والطاولة**

معدات القطع ذات القيادة المزدوجة بالشعلة والطاولة هي مزيج بين أنواع القيادة بالشعلة والقيادة بطاولة XY. يتم تثبيت الشعلة على رافعة وتتحرك بشكل عرضي (اتجاه Y) على طول شعاع الرافعة، بينما تقود طاولة القطع طوليًا (اتجاه X). إنها تجمع بين مزايا دقة القطع العالية وتوفير المساحة. تبلغ دقة تحديد المواقع ±0.01 مم، ونطاق تعديل سرعة القطع هو 0 ~ 20 م / دقيقة، مما يجعلها نوعًا مستخدمًا على نطاق واسع من معدات القطع. يمكن أن تحتوي النماذج الأكبر من هذا النوع على حركة المحور Y تبلغ 2000 مم وحركة المحور X تبلغ 6000 مم، قادرة على قطع الأجزاء الكبيرة.

في بعض التصميمات، يتم أيضًا تركيب مذبذب الليزر على الرافعة مع الشعلة. الدقة لقطع الثقوب الدائرية باستخدام المعدات ذات القيادة المزدوجة جيدة جدًا. كفاءة الإنتاج عالية أيضًا؛ على سبيل المثال، يمكنها قطع 46 ثقبًا بقطر 10 مم في الدقيقة في لوح فولاذي بسمك 1 مم.

**2.3.4 معدات القطع المتكاملة**

في معدات القطع المتكاملة، يتم تثبيت مصدر الليزر على إطار الآلة ويتحرك طوليًا معه، بينما تشكل الشعلة وآلية القيادة الخاصة بها وحدة تتحرك بشكل عرضي على شعاع الإطار. باستخدام CNC، يمكن قطع أجزاء ذات أشكال مختلفة. لتعويض التغيير في طول المسار البصري الناتج عن الحركة العرضية للشعلة، يتم عادةً تجهيز مكون تعديل طول المسار البصري، مما يضمن شعاعًا متجانسًا عبر منطقة القطع والحفاظ على جودة سطح القطع المتسقة.