القطع بالليزر مقابل القطع بالبلازما: دليل مفصل

على الرغم من أن كل من البلازما والليزر يتطلبان الحرارة لقطع (أو تشكيل) المعدن، فإن اتخاذ القرار بشأن القطع بالليزر مقابل القطع بالبلازما في مشاريع التصنيع، تعد عملية القطع الحراري مهمة تحليلية. تتميز طرق القطع الحراري هذه بقدرات وتفضيلات تشغيل مميزة. يعتمد الاختيار الصحيح على الطريقة التي يمكنها تلبية متطلبات القطع الخاصة بك، بما في ذلك توافق المواد والدقة المطلوبة والسرعة وقيود الميزانية.

ستقدم هذه المقالة نظرة عامة مقارنة لطرق القطع بالبلازما والليزر، بما في ذلك مزاياها وعيوبها والمقارنة المباشرة لتسهيل عملية اتخاذ القرار.

ما هو القطع بالليزر؟

القطع بالليزر هو عملية قطع بدون تلامس تقطع صفائح مواد مختلفة. يقوم شعاع الليزر المركّز بإذابة وتبخير المادة بدقة لعمل قطع محيطية معقدة. يمكن تتبع تاريخ آلات القطع بالليزر إلى 1964 عندما استخدمته إحدى الشركات الصناعية لحفر الأدوات القالبية لأول مرة. 

مع مرور الوقت، تطورت آلات القطع بالليزر باستمرار، وأصبحت ماكينات القطع بالليزر CNC المتقدمة هي ما لدينا اليوم. يسمح التكامل مع CNC بتحريك رأس الليزر بدقة من خلال رموز G وM، مع تحمّلات منخفضة تصل إلى ±0.003 مم.

كيف يعمل القطع بالليزر؟ 

يتم تنفيذ عملية القطع بالليزر من خلال نظام ليزر معقد يحتوي على مكونات متعددة، والتي تتضمن كل شيء بدءًا من إنشاء الليزر وحتى التحكم في الشعاع في مسار قطع محدد مسبقًا. 

تبدأ العملية بتوليد الليزر، حيث يعمل مصدر كهربائي (شرارة) على تسريع الذرات على وسط ليزري مثل ثاني أكسيد الكربون والألياف الضوئية. تولد هذه الظاهرة شعاعًا شديد التركيز يتم تضخيمه وتوجيهه نحو منطقة القطع باستخدام المرايا. بعد ذلك، تقوم سلسلة العدسات البؤرية بتقريب الضوء إلى نقطة مكثفة، مما يزيد من كثافة الطاقة أثناء مروره عبر الفوهة.  

علاوة على ذلك، يسمح شعل القطع بالليزر أو رأس التركيز بتحريك رأس الفوهة، الذي يتم التحكم فيه بواسطة برامج التحكم الرقمي بالحاسوب، إلى مسار محدد مسبقًا. يتسبب الليزر المركّز في التسخين الموضعي وإذابة المادة، بينما ينفخ تيار الغاز المادة المتآكلة بعيدًا.

أنواع قواطع الليزر 

في التصنيع، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من القواطع التي تعتمد على الليزر، كل منها يتم تحديده من خلال الوسيط المستخدم لإنتاج شعاع الليزر؛ ثاني أكسيد الكربون والألياف الضوئية وبلورات Nd:YAG. تتمتع وسائط الليزر هذه بأطوال موجية مميزة تبلغ 10.6 ميكرومتر و1.06 ميكرومتر و1.06 ميكرومتر على التوالي. يؤثر اختلاف الطول الموجي على مدى تفاعل الليزر مع المواد المختلفة. على سبيل المثال، تمتص بعض المواد أطوال موجية معينة بشكل أفضل من غيرها.

• قاطع ليزر ثاني أكسيد الكربون:تستخدم خليط غاز ثاني أكسيد الكربون لإنتاج شعاع مركّز من الليزر، ويُستخدم بشكل خاص للصفائح غير المعدنية مثل البلاستيك الحراري والخشب. 
• قطع الألياف بالليزر: يعمل كابل الألياف الضوئية على تضخيم الضوء وإنتاج الليزر. وهو يقطع بشكل أفضل باستخدام أوراق العمل المعدنية. 
• ن د: ياج: تُستخدم بلورات العقيق الألومنيوم الإيتريوم المضاف إليه النيوديميوم كوسيط ليزري لهذه الأنواع من الليزر.

ما هو القطع البلازمي؟

قطع البلازما هي عملية تقسيم الصفائح المعدنية بتيار ساخن من الغازات المؤينة، حيث تعمل الشرارة الكهربائية على توفير حرارة شديدة للغازات المضغوطة (الهواء أو الهيدروجين أو الأرجون) التي تثير الذرات للحركة، ثم يؤدي التصادم المستمر للجزيئات إلى انفصالها عن الغازات، وهو ما يسمى بالبلازما والتي تزيد حرارتها عن 20000 درجة مئوية.

في التركيب الصناعي، تقوم آلة القطع بالبلازما ذات التحكم الرقمي بتوجيه تيار البلازما لإجراء قطع معقدة، مما يؤدي إلى تسخين المادة وإذابتها وتآكلها بدقة. يمكنك قطع المعادن بسمك يصل إلى 1.5 بوصة، وهو أعلى في سياق البلازما مقابل آلة القطع بالليزر.

كيف تعمل عملية القطع بالبلازما؟

تعتبر مشاعل البلازما الجهاز الرئيسي لهذه العملية. وهي تتكون من عدة مكونات، بما في ذلك القطب الكهربائي، وإمداد الغاز، والفوهة، وغاز الدرع. يشعل القطب الكهربائي قوسًا كهربائيًا في غاز مضغوط (هواء أو غازات خاملة)، ثم توجه الفوهة نفاثة البلازما المتكونة نحو قطعة العمل. 

عندما يتفاعل نفاثة البلازما مع سطح العمل، فإنها تسبب تسخينًا موضعيًا وتذيب المادة. وفي الوقت نفسه، تعمل النفاثة عالية السرعة أيضًا على إزالة المادة المنصهرة من القطع. 

أنواع قواطع البلازما

يمكن أن تحتوي أنظمة القطع بالبلازما على أنواع مختلفة من القواطع للعمل على الطاولة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك قواطع البلازما الهوائية والأكسجينية والهيدروجينية وآلات CNC. 

• قاطع البلازما الهوائي: يتضمن الهواء كوسيلة ليزر، وهو الأفضل للأجزاء صغيرة الحجم أو التشغيلات ذات الحجم المنخفض.
• قاطع البلازما الأكسجين: توفر البلازما الناتجة عن تأين جزيئات الأكسجين دقة وقدرات قطع أكثر تعقيدًا من الهواء.
• قطع البلازما باستخدام الحاسب الآلي: يتيح التحكم الرقمي بالكمبيوتر في مسار القطع إجراء قطع دقيقة ومتسقة. تستخدم معظم الصناعات هذا النوع من قاطع البلازما الأوتوماتيكي للحصول على نتائج عالية الجودة.

الاختلافات الرئيسية بين القطع بالليزر والقطع بالبلازما

تتمثل الجوانب الرئيسية لمناقشة الاختلافات بين القطع بالليزر مقابل القطع بالبلازما في مصدر الطاقة وتوافق المواد والسرعة والسمك والنفقات. 

دقة القطع والضبط 

الدقة هي أحد أهم الفروق بين القطع بالليزر والقطع بالبلازما. فالليزر أكثر تركيزًا من تيار البلازما، مما يسمح بتحديد المواقع بدقة في المناطق الضيقة. ويمكنه قطع خطوط متناسقة بتفاوتات ضيقة وحواف نظيفة بدون نتوءات. ومن ناحية أخرى، تكون البلازما أقل دقة وتنتج أيضًا المزيد من الشقوق. ويمكنك تحقيق تفاوتات تصل إلى ±0.030 مم باستخدام القطع بالليزر، بينما تكون ±0.1 مم لقطع البلازما. 

السرعة والكفاءة

تعتمد مقارنة سرعة القطع بين قاطع البلازما وقاطع الليزر على السُمك. فالليزر أسرع من البلازما مرتين تقريبًا في حالة الألواح الرقيقة (< 1.25 مم)، بينما تتفوق البلازما في قطع الألواح الأكثر سمكًا. وبالتالي، تختلف السرعة أيضًا حسب طاقة المصدر ونوع المادة التي يتم قطعها. على سبيل المثال، يمكن لقاطع الليزر بقوة 200 وات قطع الفولاذ الصلب بسمك 3 مم بسرعة تصل إلى 10 أمتار/دقيقة.  

علاوة على ذلك، تتميز أجهزة الليزر بكفاءة استخدام الطاقة، وتستهلك طاقة أقل من إنتاج البلازما. 

المواد

تتوافق أنظمة القطع بالليزر مع أنواع مختلفة من المواد، بما في ذلك الفولاذ والألمنيوم والنحاس والأكريليك والمواد الصلبة بالحرارة والمطاط والخشب. وعلى النقيض من ذلك، تعمل البلازما فقط مع المعادن الموصلة. يحتاج قوس البلازما إلى دائرة للتدفق من خلالها، والتي تكتمل عندما تعمل المادة الموصلة كـ "أرضية" في الدائرة الكهربائية. 

على الرغم من أن الليزر يتمتع بخيارات واسعة من المواد، إلا أن بعضها يحمل مخاطر تشغيلية وبيئية. على سبيل المثال، ينتج البولي فينيل كلوريد أبخرة سامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن نوع الليزر الذي تستخدمه يؤثر أيضًا على توافق المادة.

الانتهاء من السطح 

تتميز الأسطح المعدنية المقطوعة بالليزر بأنها ناعمة وخالية من النتوءات، حتى في حالة القطع الضيقة والتصميمات المعقدة. كما تتميز الحواف بأنها حادة ونظيفة. لذا، لا توجد متطلبات معالجة لاحقة للقطع أو متطلبات معالجة لاحقة ضئيلة. من ناحية أخرى، تترك البلازما خبثًا وحوافًا أكثر خشونة مع نتوءات، والتي تتطلب الطحن والتفجير بالخرز وإجراءات معالجة لاحقة أخرى.

علاوة على ذلك، يؤثر نوع المادة وسمكها ونوع الليزر على قيمة الخشونة الدقيقة (Ra)، والتي تتراوح عادةً من 0.8 إلى 6 ميكرومتر. قد تنتج البلازما قطعًا ذات سطح نهائي أفضل من الليزر الليفي في بعض الحالات. 

التكلفة والنفقات التشغيلية

تعتبر قواطع البلازما ذات التحكم الرقمي بالكمبيوتر فعالة من حيث التكلفة عند التركيب، حيث تتراوح تكلفتها بين 10,000 آلاف إلى 100,000 ألف دولار. وعلى النقيض من ذلك، فإن الإعداد المعقد والمعدات المتقدمة لأجهزة الليزر تجعلها باهظة الثمن، حيث تتراوح بين 50,000 ألف إلى 500,000 ألف دولار. وبالتالي، تكون تكاليف التشغيل أعلى قليلاً بالنسبة لأنظمة الليزر مقارنة بأجهزة البلازما. 

"تعتمد التكلفة الإجمالية لقطع الليزر أو البلازما لمشروعك على تعقيد التصميم والدقة المطلوبة والقدرة التنافسية في السوق. في الصين، تتراوح التكلفة بين 15 و20 دولارًا في الساعة، وهي أقل بكثير من مثيلتها في الولايات المتحدة وأوروبا" 

قطع سمك 

إذا قارنا بين قدرات القطع بالليزر والقطع بالبلازما، فإن نفاثة البلازما فعالة للغاية للمواد الأكثر سمكًا، حتى 50 مم. من ناحية أخرى، يقتصر الليزر على 25 مم. علاوة على ذلك، يعتمد السُمك أيضًا على المادة التي تقطعها.

الاستخدامات 

تعد عملية القطع بالبلازما شائعة في الصناعات الثقيلة مثل بناء السفن والبناء من حيث السرعة والسمك. على سبيل المثال، عوارض الهياكل، وأجزاء القوارب، والآلات الزراعية، ومكونات النفط والغاز، وما إلى ذلك. 

 يتم استخدام القطع بالليزر على نطاق واسع في المجالات التي تتطلب الدقة مثل الإلكترونيات، والفضاء، والسيارات، والمجوهرات. على سبيل المثال، المكونات الدقيقة في الرقائق، وألواح هيكل السيارة، وهياكل الطائرات، وما إلى ذلك.

إيجابيات وسلبيات القطع بالليزر 

وفيما يلي أهم مميزات وعيوب القطع بالليزر: 

مزايا القطع بالليزر 

• الأتمتة والدقة: تُنتج ماكينات CNC Laser تصميمات معقدة بتفاصيل بسيطة، مع الحفاظ على تحمّلات دقيقة. ويمكن تحقيق ذلك بفضل التحكم الرقمي في الضرب باستخدام أكواد G & M في المسار الصحيح. 
• قطع نظيفة وخالية من النتوءات: الزوايا والحواف المقطوعة بالليزر نظيفة وحادة. 
• براعة المواد: يمكنها قطع المعادن والبلاستيك والأقمشة والمركبات والعديد من المواد الأخرى.
• السرعة والكفاءة: لا حاجة لإعادة التصنيع أو التعديل من أجل إجراء تغييرات في التصميم. كما أن الليزر ينتج هدرًا أقل للمواد، ويستهلك قدرًا أقل من الكهرباء، ويوفر سرعة جيدة.
• لا يوجد تقوية العمل: يؤدي القطع بدون قص إلى إزالة خطر التصلب الناتج عن العمل بالقرب من قطع ara. 

عيوب القطع بالليزر 

• حدود السمك: إن عمليات القطع بالليزر غير قادرة على قطع صفائح يزيد سمكها عن 25 أو 30 مم، حتى بالنسبة للآلات عالية الطاقة.
• تحدي المعادن العاكسة: من الصعب قطع المواد ذات الأسطح العاكسة مثل النحاس والبرونز والفضة لأن سطحها يعكس الشعاع جزئيًا.
• التكلفة العالية: تعتبر تكاليف الإعداد والتشغيل أعلى من تكاليف طرق القطع الأخرى، وقد تكون غير مجدية للمشاريع التي لا تتطلب دقة عالية وسطح أملس للأداء.

إيجابيات وسلبيات القطع بالبلازما

وفيما يلي أهم مميزات وعيوب القطع بالبلازما: 

مزايا قطع البلازما 

• قطع المواد الأكثر سمكًا:يوفر الشعلة البلازمية الموجهة بنظام CNC قطعًا أسرع وأكثر كفاءة للأعمال المصنوعة من مواد سميكة، حتى 150 مم لبعض المواد. 
• التكاليف والفوائد:  تعتبر عملية القطع بالبلازما فعالة من حيث التكلفة للأعمال البسيطة والشاقة. 
• السلامة التشغيلية: إنها ليست آلية قطع تعتمد على الأكسجين، بل تستخدم غازًا خاملًا لتحقيق نفاثة البلازما داخل الشعلة، مما يوفر أقصى درجات الأمان. 
• قطع المعادن العاكسة: وعلى عكس الليزر، فإنه يعمل بشكل جيد للغاية مع المعادن ذات الأسطح العاكسة مثل الفضة. 

عيوب قطع البلازما 

• المعادن الموصلة فقط: متوافق فقط مع المواد الموصلة للكهرباء والمعادن والسبائك.  
• خطر الضرر الحراري: في المقارنة بين القطع بالليزر والقطع بالبلازما، تنتج البلازما منطقة كبيرة متأثرة بالحرارة، مما قد يؤدي إلى إتلاف الخصائص الحرارية الأصلية لمادة العمل. 
• سوء تشطيب السطح: يترك تيار البلازما نتوءات وشقوقًا، مما يتسبب في حدوث قطع معدنية أكثر خشونة. 

اختيار طريقة القطع المناسبة لمشروعك

يتطلب اتخاذ قرار بشأن استخدام آلة القطع بالبلازما أو الليزر لمشروعك مراعاة عوامل مختلفة، بدءًا من تعقيد التصميم وحتى قيود الميزانية. علاوة على ذلك، فإن المواد التي تستخدمها في العمل والمتطلبات النهائية هي التي تحدد الاختيار.

وفيما يلي أربعة اعتبارات رئيسية لاختيار الطريقة الصحيحة بينهما؛

مواد العمل

ما نوع الورقة أو قطعة العمل التي تنوي قطعها؟ هل هي موصلة أم غير موصلة؟ إذا كانت البلازما غير موصلة، فهي غير متوافقة، فاختر الليزر مباشرة. حتى إذا كنت متأكدًا من الليزر، فتحقق من توافق المادة مع نوع الليزر المتاح (ثاني أكسيد الكربون والألياف والبلورات).

السماكة والحجم

إذا كان تصميمك يحتوي على أقسام أكثر سمكًا تزيد عن 30 مم، فاختر القطع بالبلازما. وإلا، فتحقق من سرعة التقنيتين لمعرفة السمك المحدد. الأجزاء الصغيرة الحجم مناسبة للقطع بالليزر والتي تشكل مناطق صغيرة متأثرة بالحرارة.

الدقة والميزانية المطلوبة

غالبًا ما تزيد التكاليف بشكل كبير مع التفاوتات الأكثر إحكامًا، لذا قم بتحسينها من حيث التكلفة. ثم تحقق من أي منها من المرجح أن يتناسب مع ميزانيتك دون التضحية بالدقة المطلوبة. 

تعقيد التصميم 

لا يمكن تحقيق القطع المعقدة والدقيقة إلا باستخدام ماكينات القطع بالليزر CNC. وهي الخيار الصحيح للتصاميم التي تحتوي على مقاطع صغيرة وزوايا حادة ونصف قطر صغير (<1 مم) ونقوش وما إلى ذلك. 

متى تستخدم القطع بالليزر مقابل القطع بالبلازما؟

يوضح الجدول أدناه السيناريوهات التي يكون فيها القطع بالليزر والبلازما هو الخيار الأفضل لمشروعك. 

خاتمة 

بالإضافة إلى الاختلاف بين القطع بالليزر والقطع بالبلازما في العديد من الجوانب، فإن كلاهما قيم في مشاريع تصنيع المعادن. علاوة على ذلك، يعتمد الاختيار على المتطلبات المحددة لمشروعك، بما في ذلك نوع المادة والدقة المطلوبة والميزانية. يمكنك تحليل النتائج المتوقعة من كل طريقة والتكلفة المقابلة. 

إذا كنت لا تزال غير متأكد من الخيار الذي يجب عليك اختياره، فاستشر خبراء الصناعة. رابيد دايريكنحن لا نقدم فقط خدمات احترافية ليزر CNC و خدمات القطع بالبلازماولكن مهندسينا يقدمون أيضًا استشارات حول تحسين التصميم وتحليل التكلفة والفوائد المقارنة لكل طريقة قبل الانتقال إلى مرحلة الإنتاج.

الأسئلة الشائعة