Ласерско сечење, са својим предностима високе прецизности и ефикасности, има широку примену у обради металних и не{0}}материјала. Међутим, када се ради са високо рефлектујућим материјалима (као што су легуре алуминијума, бакар, сребро, легуре титанијума и неки обложени метали), суочава се са вишеструким техничким препрекама због јединствених оптичких и физичких својстава ових материјала. Ове препреке не само да утичу на квалитет и ефикасност обраде, већ могу изазвати и неповратну штету на опреми, постајући кључно уско грло које ограничава популаризацију ласерске обраде материјала са високом рефлексијом.
И. Основна препрека: „Рефлективни застој“ ласерске енергије и губитак контроле квалитета обраде
Основна карактеристика високо рефлективних материјала је њихова изузетно висока рефлексивност за ласер (нпр. рефлексивност чистог бакра за ласер таласне дужине 1064нм прелази 90%, а од легуре алуминијума је око 80%-85%). Ова карактеристика директно спречава ласерску енергију да ефикасно делује на материјал, што изазива низ проблема у процесу обраде.
1. Екстремно ниска стопа искоришћења енергије и оштар пад ефикасности сечења
Принцип ласерског сечења се заснива на фокусирању ласерског зрака високе{0}}енергије-густине на површину материјала да би се материјал тренутно отопио, испарио или разбио. Међутим, високорефлективни материјали рефлектују већину ласерске енергије, са само малом количином апсорбоване. На пример, када се обрађује плоча од чистог бакра од 5 мм-, брзина апсорпције енергије конвенционалне машине за ласерско сечење са влакнима (таласне дужине 1064 нм) је мања од 10%, а потребно је поновљено зрачење да би се продрло у материјал. Ово резултира ефикасношћу сечења 3-5 пута мањом него код челика са ниским садржајем угљеника (са стопом апсорпције од приближно 50%), па чак може да се јави и проблем „непотпуног сечења“. Нарочито када је дебљина материјала већа од 8 мм, недовољна акумулација енергије може довести до тога да на ивици реза остану нерастопљени метални шиљаци чак и ако се време обраде продужи.
2. Рефлексија енергије која узрокује погоршање квалитета резних ивица
Неапсорбовани рефлектовани ласер није сасвим „бескорисан“; уместо тога формира "секундарно зрачење" у области обраде. Део рефлектоване светлости фокусира се на ивицу реза, изазивајући прекомерно топљење и оксидацију ивице и формирајући неправилан „слој шљаке“. Други део рефлектоване светлости се распршује на површини материјала, што резултира неуједначеном локалном температуром и „таласастим“ деформацијама реза (нпр. одступање равности ивице реза након сечења алуминијумске легуре прелази 0,1 мм/м). Поред тога, рефлектована енергија може оштетити равност површине материјала. На пример, када се обрађују посребрени{7}}метални делови, рефлектовани ласер може да изазове локално љуштење слоја оплате, формирајући дефекте „беле тачке“. Потребни су накнадни додатни процеси брушења и полирања, што повећава трошкове обраде.
ИИ. Безбедносна препрека опреме: „Неповратна штета“ ласерских система узрокована рефлектованим ласером
Рефлектовани ласер од високо рефлективних материјала не само да утиче на резултате обраде, већ и узрокује озбиљна оштећења основних компоненти машина за ласерско сечење, па чак може довести до кварова опреме. Ово је озбиљнија препрека од проблема са квалитетом обраде.
1. Ризик од сагоревања фокусних сочива и заштитних сочива
Фокусно сочиво (одговорно за фокусирање ласерског зрака) и заштитно сочиво (спречавање прскања шљаке од контаминације фокусног сочива) машине за ласерско сечење су основне компоненте директно изложене рефлектованом ласеру. Иако енергија ласера рефлектованог од високорефлективних материјала није тако концентрисана као енергија оригиналног ласерског зрака, ипак је довољна да премаши праг толеранције сочива.
На пример, када се ласерска енергија рефлектована од чистог бакра фокусира на површину заштитног сочива, локална температура сочива може нагло да порасте на преко 1000 степени, изазивајући сагоревање премаза сочива (што резултира црним тачкама) или чак пуцање сочива. Када се заштитно сочиво оштети, шљака ће директно контаминирати фокусно сочиво. Цена замене сета фокусног сочива и заштитног сочива може да достигне неколико хиљада јуана, а честе замене ће повећати време застоја опреме и утицати на напредак производње.
2. Оштећење ласерских генератора „енергетске повратне информације“.
Део рефлектованог ласера се шири уназад дуж путање ласерског преноса и на крају улази у ласерски генератор (нпр. у резонантну шупљину ласера са влакнима). Основне компоненте ласерских генератора (као што су извори пумпе и влакна појачања) имају изузетно високе захтеве за енергетску стабилност. Рефлектовани ласер-који се шири уназад нарушава енергетски баланс резонантне шупљине, што доводи до флуктуација излазне снаге ласера (са одступањем до ±10%). Дугорочна-употреба ће скратити радни век извора пумпе (век трајања извора пумпе који је првобитно пројектован за 50.000 сати може се смањити на мање од 30.000 сати када се обрађују материјали са високом рефлексијом). У тешким случајевима, може чак и да сагори појачано влакно, што резултира распадањем ласерског генератора, са трошковима одржавања до неколико стотина хиљада јуана.
ИИИ. Препреке у процесу и трошковима: лоша прилагодљивост и економска неравнотежа
Чак и ако се предузму техничке мере да би се ублажио проблем рефлексије енергије, ласерско сечење високо рефлектујућих материјала и даље се суочава са препрекама недовољне прилагодљивости процеса и високих трошкова, што отежава-примену великих размера.
1. Потешкоће у усклађивању параметара процеса и високи трошкови отклањања грешака
Високо рефлектујући материјали углавном имају јаку топлотну проводљивост (нпр. топлотна проводљивост бакра је више од 5 пута већа од ниско{3}}угљеничног челика). Током обраде, топлота се брзо дифундује, што захтева прецизну контролу параметара процеса као што су снага ласера, брзина резања и притисак гаса. На пример, када се обрађује алуминијумска легура, снага ласера треба да се повећа на 1,5 пута од оне која се користи за ниско-угљенични челик, док се брзина резања смањује (да би се спречила прекомерна дифузија топлоте), а користи се азот високе{8} чистоће (да би се спречила оксидација).
Међутим, постоје значајне разлике у физичким својствима између различитих разреда високорефлективних материјала (нпр. легура алуминијума 6061 и легура алуминијума 7075). Сваки пут када се материјал промени, параметри морају да се поново{5}}отклоне, што може да потраје неколико сати или чак дана и захтева искусне техничаре за рад, што повећава сложеност процеса и трошкове рада.
2. Високи помоћни трошкови и недовољна економичност
Да би се смањио утицај рефлектованог ласера, потребно је додатно улагање у помоћну опрему и потрошни материјал за обраду високо рефлектујућих материјала. На пример, потребни су „анти-премази против рефлексије“ (као што је прскање црних упијајућих премаза на бакарне површине), али цена премаза је приближно 10-20 јуана по квадратном метру, а премаз се мора уклонити након сечења, додајући додатне процесе.
Други пример је потреба за опремањем „обрнутих ласерских изолатора“ (како би се спречио рефлектовани ласер да уђе у генератор), са трошковима уградње једног сета по уређају у распону од 10.000 до 30.000 јуана. Поред тога, потрошња гаса (као што је азот) током обраде материјала са високом рефлексијом је 2-3 пута већа од обраде ниско-угљичног челика, а учесталост одржавања опреме је већа (нпр. сочива се морају чистити сваких 500 сати обраде, што је 2 пута чешће од конвенционалне обраде). Свеобухватни трошак је 40%-60% већи од трошкова обраде обичних метала, што га чини економски неизводљивим за мала и средња производна предузећа.
ИВ. Препреке заштите животне средине и безбедности: потенцијални ризици по здравље и безбедност
Приликом ласерског сечења високорефлективних материјала, поред ризика од оштећења опреме, стварају се и посебне безбедносне опасности, које намећу веће захтеве за радну средину и заштиту особља.
1. Ризик од „индиректне штете“ од рефлектованог ласера
Део рефлектованог ласера се распршује у ваздух радионице за обраду, формирајући „расути ласер“. Иако је густина енергије смањена, она и даље може изазвати оштећење очију оператера (као што су опекотине мрежњаче). Нарочито када у радионици постоје металне рефлектујуће површине (као што су радни столови од нерђајућег челика), расути ласер ће се даље рефлектовати, проширујући опсег опасности. Поред тога, рефлектовани ласер може да запали запаљиве материјале у радионици (као што су пластична амбалажа и уље за подмазивање), што представља опасност од пожара.
2. Стварање опасних загађивача
Када се високорефлективни материјали (као што су легуре титанијума и поцинковане челичне плоче) секу ласером, стварају се посебни опасни загађивачи услед високих температура. На пример, сечење легура титанијума производи прашину титанијум диоксида (дуготрајно удисање-може да изазове плућну фиброзу), а сечење поцинкованих челичних плоча ослобађа паре цинк оксида (које иритирају респираторни тракт и изазивају „грозницу металних пара“). Ове загађиваче је теже третирати од испарења које ствара уобичајено сечење метала, што захтева примену професионалне високоефикасне опреме за филтрирање и уклањање прашине (као што су ХЕПА филтери). Инвестициони трошак такве опреме је 2-3 пута већи него код конвенционалне опреме за уклањање прашине, а филтерске елементе је потребно редовно мењати, што повећава трошкове рада и одржавања.
Закључак: Природа препрека и правци пробоја
Укратко, препреке у обради високо рефлектујућих материјала машинама за ласерско сечење у суштини потичу из контрадикторности између високе рефлективности материјала и логике коришћења енергије ласерске обраде-ласерско сечење се ослања на „апсорпцију енергије“, док је основна карактеристика високо рефлективних материјала „рефлексија енергије“. Ова контрадикција доводи до вишеструких питања у квалитету обраде, безбедности опреме, контроли трошкова и заштити безбедности.
Тренутно, индустрија је ублажила неке од ових препрека кроз технологије као што су побољшање таласне дужине ласера (нпр. коришћење зеленог ласера од 532 нм за побољшање стопе апсорпције материјала са високом рефлексијом), оптимизација премаза сочива (нпр. коришћење високо антирефлексних премаза) и развој специјализованих глава за сечење (нпр. главе за резање (нпр. главе за сечење са аутоматским фокусом), али још увек није постигнуто комплетно решење за контролу енергије.
У будућности, са развојем технологија као што су ласери ултра-кратких импулса (нпр. фемтосекундни ласери) и интелигентни системи за контролу енергије, очекује се да ће препреке у ласерској обради високорефлективних материјала бити постепено превазиђене, промовишући њихову широку примену у врхунским-областима као што су ваздухопловство, компоненте електронских инструмената и прецизност.
--Раитхер Ласер Јацк Сун--