دور غازات المساعدة في جودة القطع في آلة قطع الليزر.

عند مراقبة جهاز قص الليزر، يمكنك بسهولة رؤية شعاع الليزر، وحركة القطاعة السريعة، والحافات الناعمة التي تتركها القطاعة خلفها. وهناك الكثير مما يحدث أكثر من مجرد شعاع الليزر الذي يؤدي كل العمل. فعند نقطة اتصال الشعاع بالمادة، يتدفق تيار من الغاز. ويُسمى هذا الغاز «غاز المساعدة»، وهو أكثر أهميةً لجودة القطع مما يدركه معظم الناس.

عند تشغيل جهاز قص بالليزر، يُعد غاز المساعدة جزءًا لا يتجزأ من العملية ويؤثر على سرعة القص، ووضوح الحواف، وما إذا كانت هناك رواسب (دروز) متدلية من القطعة المراد قصها. وبغض النظر عن نوع المادة، فإن أنواع الغازات المختلفة وضغوطها ومعدلات تدفقها تختلف حسب سمك المادة. وإن تحقيق التوازن الصحيح في هذه العوامل هو ما يحدد ما إذا كانت القطعة الناتجة ذات جودة عالية أم تتطلب عملاً إضافيًا.

ما وظيفة غازات المساعدة؟ ولماذا هي مهمة؟

تلعب غازات المساعدة دورًا متعدد الجوانب. أولاً، تساعد في إزالة المادة المنصهرة من شق القطع. فعند قطع الليزر، يجب إزالة المعدن المنصهر الناتج من الشق لمنع تصلّده وتدمير حافة الشق. وتساعد الغازات في إزالة المعدن المنصهر من قاع الشق. ثانيًا، تحمي العدسات البصرية؛ إذ تحافظ تدفُّقات غاز المساعدة على نظافة العدسة والفوهة من الحطام والشرارات وقطرات المعدن. وأخيرًا، وفي حالة بعض المواد، تساهم غازات المساعدة في عملية القطع نفسها. فعلى سبيل المثال، يُسرِّع التفاعل الطارд للحرارة الناتج عن غاز الأكسجين عملية القطع، بينما يساعد النيتروجين الخامل على إزالة المعدن من الشق أيضًا.

ولاختيار الغاز المناسب لتطبيق معين، من المهم فهم الدور الذي تؤديه غازات المساعدة. كما أنَّ كل غازٍ يتمتَّع بمواصفات مختلفة تشمل معدل التدفق والضغط والنقاء.

الأكسجين: غازٌ يولِّد الحرارة

الأكسجين هو أحد الغازات الأكثر استخدامًا لقطع الفولاذ اللين. وفي تطبيقات القطع الصناعي، يكون نقاوته لا تقل عن ٩٩,٥٪. وعند استخدام أكسجين عالي النقاء، يبدأ المعدن المسخّن عند حافة القطع في الاحتراق. ويؤدي هذا الاحتراق إلى انطلاق طاقة من المعدن، ما يساعد الليزر على قطع المواد الأسمك بمعدل أسرع. كما أن تفاعل سكب الأكسجين مع رواسب المعدن يمكن أن يزيد سرعة القطع بنسبة تتراوح بين ٤٠ و٥٠٪ مقارنةً باستخدام غازات غير تفاعلية.

يتم قطع المعدن باستخدام الأكسجين عند ضغط منخفض، وعادةً ما يتراوح هذا الضغط بين ٠,٥ و٥ بار (أي ما يعادل ٧–٧٠ رطل/بوصة مربعة). أما بالنسبة للفولاذ الكربوني السميك الذي يتراوح سمكه بين ٨ و٢٢ ملم، فيُستخدم ضغط يبلغ نحو ١٠ بار واستهلاك غازي يبلغ نحو ٢٠–٢٢ مترًا مكعبًا في الساعة. أما في حالة الصفائح شديدة السماكة، فقد يظل الضغط ضمن النطاق ٠,٠٥–٠,٠٧ ميجا باسكال عند استخدام فوهات مزدوجة الطبقات المصممة خصيصًا.

الجانب السلبي لاستخدام الأكسجين النقي هو نتيجة تفاعل يُعرف باسم «الحافة المؤكسدة». وتترك الحافة المؤكسدة طبقة أكسيد داكنة قد يتطلب تنظيفها قبل إمكانية طلائها أو لحامها. وقد تكون الحافة خشنةً قليلًا مقارنةً باستخدام الغازات الأخرى. أما قدرة قص الفولاذ اللين بالغاز الأكسجين من حيث السرعة والسمك فهي عادةً الخيار الأفضل في معظم ورش التصنيع.

النيتروجين: الغاز الذي يُنتج حوافًا نظيفة

وبالمقارنة مع الأكسجين، فإن النيتروجين غاز خامل ويقتضي درجة نقاء تبلغ ٩٩,٩٥٪ أو أكثر لعمليات القطع بالليزر. ويفضّل معظم الممارسين استخدامه بنقاء ٩٩,٩٩٪، ويكتفي به في معظم التطبيقات، كما أنه اقتصاديًّا أكثر جدوى. فهو ببساطة يدفع المادة المنصهرة خارج منطقة القطع ليُنتج سطحًا نظيفًا.

وبما أن النيتروجين يعتمد على القوة الميكانيكية ويستخدمها، فإنه يتطلب ضغطًا أعلى بكثير. وتتراوح نطاقات التشغيل النموذجية بين ١٠ و٢٠ بار، أو ما يعادل ١٥٠ إلى ٣٠٠ رطل لكل بوصة مربعة (PSI). وعند قص مواد أرق من ٨ مم، يكون الضغط الشائع المُطبَّق حوالي ١٥ بار مع تدفق يبلغ ٥٠ مترًا مكعبًا في الساعة. أما بالنسبة للسماكات التي تتراوح بين ١٢ و١٥ مم، فيجب أن يتراوح الضغط بين ١٥ و٢٢ بار، مع معدل تدفق يبلغ ١٢٠ مترًا مكعبًا في الساعة. وفي أسمك الأقسام التي تبلغ سماكتها ٢٢ مم، فإن الضغط المعتاد يتراوح بين ٢٢ و٣٠ بار (أي ما يعادل ٣١٩ إلى ٤٣٥ رطل لكل بوصة مربعة)، ومعدل التدفق المعتاد هو ١٥٠ مترًا مكعبًا في الساعة.

عند قطع الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم باستخدام النيتروجين، تكون الحواف لامعة وخالية من الأكسدة والتغير في اللون والقشور. كما أن الأجزاء المقطوعة جاهزة للحام والدهان مباشرةً بعد الخروج من الجهاز. أما العيب فيتمثل في أن سرعات القطع تكون أبطأ عند استخدام النيتروجين واستهلاك الغاز يكون أعلى بكثير. فعلى سبيل المثال، تكفي خزان سعة ٤٠ لترًا من النيتروجين عند ضغط ١٥ ميجا باسكال ونقاء ٩٩,٩٩٪ فقط لمدة ٣٥ دقيقة عند القطع باستخدام فوهة قطرها ٢,٠ مم وعند ضغط ١,٢ ميجا باسكال. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية في الإنتاج عالي الحجم.

الهواء المضغوط: الخيار المتوازن

الهواء المضغوط هو البديل الأرخص، وهو في الواقع تنازلٌ صريح. وتتكوّن نسب مكونات الهواء المضغوط من حوالي ٧٨٪ نيتروجين و٢١٪ أكسجين، مع نسبة صغيرة من غازات أخرى. وهذا ما يفسّر وجود بعض التأكسد الناتج عن مكوّن الأكسجين، لكنه أقل مما يحدث عند استخدام الأكسجين النقي. كما أن حواف القطع ستكون أنظف مقارنةً بالقطع باستخدام الأكسجين، لكنها ليست أنظف بالقدر نفسه عند استخدام النيتروجين. أما سرعات القطع باستخدام الهواء المضغوط فهي أفضل، لكنها ليست بمستوى السرعات الم logue باستخدام الغازين الآخرين.

إذا كنت بحاجة إلى قطع مواد رقيقة يبلغ سمكها من ٣ إلى ٤ مم، ولم تكن الجودة عاملًا رئيسيًا، فإن استخدام الهواء المضغوط يُعد طريقة جيدة لتوفير المال. والتكاليف التشغيلية الوحيدة المستمرة هي الطاقة اللازمة لتشغيل ضاغط الهواء وتكاليف صيانة نظام ترشيح ضاغط الهواء.

لكن استخدام الهواء المضغوط في عمليات القطع يشكل خطرًا كبيرًا. فالهواء يحتوي على العديد من الملوثات مثل الغبار والماء والزيت، والتي تُتلف العدسات البصرية وتُضعف جودة القطع. ولتفادي هذا النوع من المشكلات، ستحتاج إلى إضافة معدات إضافية تحمي عدساتك البصرية وجودة القطع. أما بالنسبة لمرشحات الهواء، فإن المعايير الصناعية توصي بأن لا يتجاوز محتوى الزيت في الهواء المضغوط ٠٫٠١ جزء في المليون (ppm)، وأن تكون نقطة الندى عند ١٠ درجات مئوية أو أقل. ونتيجةً لذلك، سيتعين عليك استخدام نظام ترشيح عالي الجودة متعدد المراحل، وهو نظام باهظ التكلفة للغاية.

وتُستخدم غازات متخصصة مثل الأرجون لقطع التيتانيوم وكذلك سبائك التيتانيوم. ويجب أن توفر بيئة آمنة، ولذلك يوفّر الأرجون هذه البيئة لأنه غاز خامل. والغاز الخامل هو الغاز الذي لا يتفاعل مع معظم المواد أثناء العملية. وفي عمليات قطع التيتانيوم، يجب أن تكون نقاوة الأرجون ٩٩٫٩٩٪. كما يجب أن يتجاوز ضغط الغاز ١٫٢ ميجا باسكال للقطع السميكة من التيتانيوم.

توجد خلطات غازية مخصصة مصممة لاستخدامات معينة، ولكن بالنسبة لمعظم الورش، فإن الأكسجين والنيتروجين والهواء هي المكونات الغازية التي تغطي غالبية المهام.

معايير نقاء وجودة الغازات

نقاء الغاز ليس مجرد مواصفة فنية، بل هو عنصرٌ جوهريٌّ يؤثر مباشرةً في جودة القطع. وبالنسبة للنيتروجين، فإن وجود أي أثرٍ من الأكسجين يؤدي إلى تغير لون حواف الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يُهمِل تمامًا الغرض المنشود من استخدام النيتروجين. أما بالنسبة للأكسجين، فإن الشوائب تقلل كفاءة التفاعل الطارد للحرارة، ما يؤدي إلى إبطاء عملية القطع وانخفاض جودة الحواف.

فيما يلي المتطلبات الشائعة لأنواع الغازات المختلفة المستخدمة في القطاع:

مستوى الترشيح وتباين جودة الهواء كلاهما أمران حاسمان.

جداول المعاملات العملية للمواد الشائعة

وبينما يلعب نوع الغاز المضغوط دورًا مهمًّا في تحديد جودة القطع، فإن الضغط ومعدل التدفق يلعبان أيضًا دورًا مهمًّا. فإذا كان الضغط منخفضًا جدًّا، فلن يتم إزالة المادة المنصهرة، وسيبقى الرواسب (الدرس) عند الحافة السفلية للقطع. أما إذا كان الضغط مرتفعًا جدًّا، فقد يضطرب القطع، وقد تنشأ اضطرابات هوائية، وقد يحدث تبريد مفرط للمادة.

معدل التدفق داخل قطع النيتروجين، وبخاصة، هو عاملٌ بالغ الأهمية. ويُسجَّل استهلاك الغاز بوحدة اللتر لكل دقيقة أو المتر المكعب لكل ساعة، وهو يتأثر تأثراً كبيراً بحجم الفوهة والضغط المستخدم. فعلى سبيل المثال، يستغرق اسطوانة نيتروجين سعتها ٤٠ لتراً عند ضغط ١٥ ميغاباسكال حوالي ١٣ دقيقة فقط عند استخدام فوهة قطرها ٤٫٠ ملليمتر وعند ضغط ٠٫٦ ميغاباسكال، بينما يمتد زمن الاستخدام إلى ٣٥ دقيقة عند استخدام فوهة قطرها ٢٫٠ ملليمتر وعند ضغط ١٫٢ ميغاباسكال. وهذا أيضاً السبب في كون اختيار الفوهة عاملاً بالغ الأهمية في تحديد تكاليف التشغيل الخاصة بك.

هناك عدة عوامل يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد كيفية ضبط تركيز الشعاع أو أعماق القطع المثلى للآلة. ويعتمد قاع القطع على سماكة المادة التي يتم قطعها. ففي حالة قطع أعمق، سيتطلب ذلك طرد المعدن المنصهر بمعدل أعلى، ما يستلزم رفع الضغط المُطبَّق. وكلما زاد الضغط المُطبَّق على النظام، زاد استهلاك النظام، وبالتالي فإن تحديد أقل ضغط فعّال لهذه المهمة يُعَدُّ أكثر الطرق فعاليةً للتحكم في التكاليف.

استكشاف الأخطاء المتعلقة بالغاز وإصلاحها

إذا كان القطع الذي تقوم به غير دقيق، فإن أول عامل يجب أن تتحقق منه هو الغاز. فوجود الرواسب (الدرس) في القاع يدل عادةً على عدم كفاية الضغط أو استخدام غاز غير مناسب للمادة المستخدمة. ويجب تعديل الضغط على فترات متدرجة قدرها ٠٫٥ بار لمراقبة ما إذا كانت هناك تحسينات.

إذا ظهر تغير في اللون على حافة القطع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ عند استخدام غاز النيتروجين، فهذا يعني أن هناك مؤشرًا على دخول الغاز الملوث إلى منطقة القطع. وينبغي فحص نقاء الغاز والبحث عن أي تسريبات في تدفق الغاز. كما يجب التأكد من أن الفوهة ليست تالفة. أما ظهور لون أصفر أو أزرق فاتح فهو مؤشر على تلوث الغاز.

قد يدل خشونة حواف القطع على وجود اضطراب في تدفق الغاز ناتج عن تلف الفوهة أو عن ارتفاع ضغط الغاز في النظام أكثر من اللازم. وينبغي فحص فتحة الفوهة للتحقق من وجود أي تشوه أو تلف فيها. ويجب أن تكون حواف القطع متجانسة، ما يعني أن تدفق الغاز يجب أن يكون أيضًا متجانسًا. وإذا تم إجراء القطع بالقرب من نهاية لوحة المعدن، فيجب أيضًا فحص تدفق الغاز للتأكد من عدم وجود أي انسداد في الغاز المُزوَّد.

الجانب التكاليفي لغازات المساعدة

الغازات المساعدة تُعَدّ تكلفة تشغيلية أخرى، حيث يتم شراؤها وفقًا للحجم المستخدم أثناء الإنتاج. وتُعَدّ غازات النيتروجين الأغلى ثمنًا، إذ قد تؤدي معدلات استهلاك النيتروجين إلى زيادة في التكلفة التشغيلية بنسبة ٢٥٪ أو أكثر إذا كانت الضغط المُحدَّد أعلى بـ ٤ بار فقط من الضغط اللازم. وفي المقابل، فإن الأكسجين أرخص ثمنًا من النيتروجين، وبشرط توفر ضاغط الهواء ونظام الترشيح، يمكن استخدام الهواء مجانًا.

ومع ذلك، فإن تكلفة الغاز ليست سوى جزءٍ واحدٍ من التكلفة الإجمالية. وهناك أيضًا اعتبارٌ يتعلق بالوقت. فالقطع الأسرع باستخدام غاز مساعد أكسجيني قد يعني أن وفورات تكلفة العمالة يمكن أن تعوّض انخفاض الجودة الناتج عن القطع. ومن ناحية أخرى، قد يؤدي استخدام غاز نيتروجيني مساعد إلى قطعٍ أنظف، مما يقلل من كمية عمليات التشطيب اللاحقة مثل الطحن أو الصنفرة أو غيرها من العمليات التي قد تكون مطلوبة بعد القطع. ولذلك، يُوصى بتحليل التكلفة الإجمالية لكل قطعة يتم إنتاجها، بدلًا من التركيز فقط على استهلاك الغاز المساعد.

كيف تساعدك شركة DP Laser في تحقيق الدقة المطلوبة

في كل يوم، نساعد عملائنا في تحديد التكوينات المثلى لأنظمتهم لقطع الليزر. وبناءً على خبرتنا المكتسبة من تشغيل أكثر من ٢٠٬٠٠٠ نظامٍ في الميدان، اكتسبنا رؤى عميقة حول ما يُحقّق أفضل النتائج لمختلف المواد والتطبيقات. وعند شرائك جهازًا منّا، فإننا لا نكتفي فقط بإرساله واعتبار المهمة منتهية؛ بل نتبع نهجًا عمليًّا لتوجيهك في ضبط إعدادات الغاز، كما نقدّم دعمًا لا مثيل له لأجزاء أصلية مثل الفوهات والقطع الاستهلاكية، مما يسمح لك بالحفاظ على معدلات تدفّق مثلى عبر جهازك.

تُعد غازات المساعدة جزءًا حيويًّا من عملية القطع، وتؤثر في السرعة والجودة والتكلفة. وللاختيار الأمثل للغازات المستخدمة في عمليات القطع الخاصة بك، يجب أن تأخذ في الاعتبار تركيب الغاز ونقاوته وضغطه ومعدل تدفقه بالنسبة للمادة التي تقوم بقطعها. خذ وقتك لتحليل متطلبات جهازك، وجرّب بعض الخيارات المختلفة مع تسجيل الملاحظات. ولا تتردد في التواصل معنا إذا احتجت إلى مساعدة. فإعداد الغاز المناسب سيؤثّر تأثيرًا كبيرًا في جودة المواد الناتجة عن جهازك.