ليزر CO2 مقابل ليزر الألياف الضوئية في القطع: تحليل العملية والتكلفة

1. نظرة عامة
حاليًا، أنواع الليزر الرئيسية المستخدمة في قطع التطبيقات هي ليزر CO2 وليزر الألياف البصرية. يتم إنشاء ليزر CO2 عن طريق تحفيز غاز CO2 تحت تردد عالٍ وضغط عالٍ، مما ينتج ليزرًا بطول موجي 10.6μm. يتم توجيه الشعاع وتجميعه عبر مرآة المضخم النحاسية والمرآت الاهتزازية لأداء عملية القطع.
تستخدم ليزر الألياف عدة دiods مضخمة متعددة متصلة بالتوازي ك مصدر الليزر , توليد ليزر أيضًا عند 10.6μm. يتم بعد ذلك Kopling الشعاع إلى ألياف واحدة من خلال ضبط المتردد، مما يؤدي إلى ليزر قوي الطاقة.

2. مقارنة بين قص الليزر CO2 و قطع الليزر بالألياف العمليات

(1) مقارنة بنية الليزر
مولدات الليزر CO2 كبيرة الحجم وتستخدم الهواء كوسيلة للنقل. يسافر الليزر في خط مستقيم عبر المنعكسات، مما يتسبب في انخفاض سريع في الشعاع وخسارة طاقة كبيرة. كفاءة التحويل الضوئي-الكهربائي منخفضة، حوالي 10٪ فقط كما هو موضح في الشكل 1.

ليزر الألياف استخدام عدة مجموعات من الديودات المضخمة متعددة الأوضاع بالتوازي. يتم نقل الليزر عبر الألياف البصرية، محصور داخل الألياف، ويتحرك في مسار "منحنٍ". هذه الطريقة غير متأثرة بالبيئة الخارجية وتقدم كفاءة تحويل ضوئي-كهربائي عالية - أكثر من 25٪ كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 1 ليزر CO2
1. مولد الليزر 2. وحدة القيادة المنعكس 3. المسار البصري 4، 5، 6. المنعكس الزاوي 7. العدسة البؤرية

الشكل 2 ليزر الألياف
1. مصدر الليزر 2. الكهف الصوتي 3. نظام التبريد 4. المسار البصري

(2) مقارنة مواد القطع
يمكن للليزر CO2 قطع الفولاذ الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك الألمنيوم والمواد غير المعدنية، لكن لا يمكنه قطع النحاس . النحاس عاكس للغاية للطول الموجي 10.6μm ويعكس معظم الشعاع دون امتصاصه، مما قد يتسبب في تلف مصدر الليزر بسبب الانعكاس الخلفي.

يمكن للليزر الضوئي قطع الفولاذ الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك الألمنيوم و النحاس ، ولكن لا يمكنه قطع المواد غير المعدنية , مثل الخشب، البلاستيك، والجلد. كما لا يمكنه قطع المواد ذات الطلاء السطحي مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المغلف أو ألواح الفولاذ المتخصص المقاوم للصدأ.

(3) مقارنة أداء القطع
يشمل كفاءة القطع سرعة القطع، أداء الثقبة وجودة الحافة، وهي مؤشرات رئيسية في تقييم آلات القطع بالليزر.

تتفوق ليزر الألياف في قص الألواح الرقيقة، خاصة تلك التي سماكتها أقل من 3 مم، حيث يمكن أن تكون أسرع بمقدار 4 مرات من ليزر ثاني أكسيد الكربون. عند سمك 6 مم، يؤدي كلا النوعين من الليزر بنفس الأداء تقريبًا، مما يشير إلى النقطة الفاصلة حيث تتغير ميزاتهما. أما بالنسبة للمواد ذات السمك أكثر من 6 مم، تبدأ ليزرات CO2 في إظهار ميزة، رغم أن الفرق ليس كبيرًا جدًا. (انظر الشكل 3 لمعرفة سرعات القطع على مواد مختلفة.)

قبل البدء في القطع، يجب على الليزر اختراق المادة أولاً. عادة ما يكون وقت الاختراق باستخدام ليزر الألياف أطول مقارنة بليزر CO2. على سبيل المثال، عند قص فولاذ الكربون بسمك 8 مم باستخدام ليزر قدرته 3 kW، فإن ليزر CO2 يكون أسرع بنحو ثانية واحدة لكل فتحة، وأسرع بثانيتين عند سمك 10 مم. مع أكثر من 2000 عملية اختراق يوميًا، يؤدي هذا إلى فرق زمني يصل إلى 6000 ثانية، أو حوالي 1.7 ساعة يوميًا.

يتم عادة تقييم جودة الحافة بناءً على الخشونة والعمودية. بالنسبة للألواح الفولاذية التي يقل سماكتها عن 3 مم، تكون جودة الحافة الناتجة عن القطع بالليزر الألياف أسوأ قليلاً من القطع بالليزر CO2. مع زيادة السماكة، تصبح الفروقات أكثر وضوحًا. بالنسبة للألواح الفولاذية المقاومة للصدأ بسماكة 3 مم أو أكثر، تبدو حافات الليزر الألياف خافتة بينما تكون حافات الليزر CO2 لامعة. أما بالنسبة للفولاذ الكربوني بسمك 16 مم، فإن العمودية للحافة الناتجة عن الليزر الألياف تتراوح بين 0.4-0.5 مم، بينما تحقق الليزر CO2 دقة 0.1 مم.
بالإضافة إلى ذلك، بسبب التردد المنخفض وكثافة الطاقة العالية للليزر الألياف، قد يتسبب قطع الثقوب الصغيرة في الفولاذ الكربوني في حدوث ارتفاع في درجة الحرارة.

تُقدَّم مقارنة ملخصة بين عمليتي قطع الليزر CO2 والليزر الألياف في الجدول 1.

الشكل 3: سرعة القطع لأنواع مختلفة من المواد

الجدول 1: مقارنة بين المعلمات الأساسية للعملية لقطع الليزر CO2 وليزر الألياف

جدول 2: تحليل تكلفة ليزر CO₂ مقابل قطع ليزر الألياف

ملاحظة: لم يتم أخذ تكلفة العمالة، تكلفة الإدارة، والعوامل المتعلقة بالربح في الاعتبار في التحليل التكاليف أعلاه.

3. تحليل تكلفة CO2 مقابل. قطع الليزر بالألياف

بأخذ قص لوحة فولاذية بسماكة 5 مم كمثال، يتم عرض مقارنة التكاليف في الجدول 2.

بناءً على الجدول وافتراض 3860 ساعة عمل سنويًا:

• قص باستخدام ليزر CO2 : تكلفة التشغيل = ¥268.8/ساعة

• قطع الليزر بالألياف : تكلفة التشغيل = ¥242.7/ساعة

مع سرعات قص تبلغ 2.5 م/دقيقة (CO2) و8.2 م/دقيقة (الياف):

• تكلفة المتر الواحد باستخدام CO2 = ¥1.79

• تكلفة المتر الواحد باستخدام ليزر الياف = ¥0.48

4. الملخص والتوصيات

كل من ليزر CO2 و قطع الليزر بالألياف لكل تقنية تطبيقاتها المناسبة.
يمكن للليزر CO2 قص الصلب الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ، والسبائك الألمنيوم، وكذلك المواد شبه الموصلة، غير المعادن، والمواد المركبة ، مما يمنحها نطاق تطبيق أوسع.
يمكن للليزر الضوئي قطع الفولاذ الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ، سبائك الألمنيوم و النحاس —والتي لا يمكن للليزر CO2 القيام بها—but they لا يمكنها قص المواد غير المعدنية .

فيما يتعلق بتكلفة القص، الليزر ذو الليف البصري أكثر اقتصادية بشكل ملحوظ أكثر من ليزر CO2.

التوصيات لاختيار الليزر:

1. للمواد ذات السماكة ≤ 4 مم : اختر ليزرات الألياف لمزيد من السرعة والكفاءة—قيمة أفضل بشكل عام.

2. للمواد ذات السماكة ≥ 8 مم : اختر ليزر CO2 لأداء ثقب أفضل وجودة حافة—وخاصة عندما لا تقدم ليزرات الألياف ميزة سرعة واضحة.

3. للنحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ ذو الوجه المرآوي : اختر ليزرات الألياف.
   للمiconductorات، المواد غير المعدنية أو المواد المركبة : اختر ليزر CO2.