Laser Beam Focusing

مقدمة

تختلف أولويات الشركات المصنّعة في رؤوس القطع بالليزر. بعضها يولي أهمية قصوى لأصغر حجم ممكن للبقعة البؤرية؛ وبعضها الآخر يركّز على توجيه العدسات وتعامد محورها مع شعاع الليزر. في الواقع، لا يمكن تحديد معامل أهم من آخر على إطلاقه — تتزايد أهمية كل منهما تبعًا لظروف القطع. الحفاظ على موضع البؤرة داخل المادة أمر حاسم لكي تعمل معاملات القطع بالليزر بشكل صحيح وللحصول على جودة حافة عالية ومستقرة.

تركيز شعاع الليزر لقطع المعدن السميك

عند العمل على ألواح أكثر من 20 مم، لا بد من إنشاء منطقة انصهار أكبر للحصول على حوض انصهار حجمي يجب طرحه أثناء القطع. لإنشاء هذه البقعة الموسّعة لاختراق المادة، يُركَّز الشعاع إما فوق سطح المادة أو تحته بحسب الغاز المساعد. لذا فإن تركيز بقعة صغيرة على السطح يكون عادةً أقل نجاحًا في المواد السميكة.

تركيز شعاع الليزر لقطع المعدن الرقيق

في الألواح الرقيقة بسماكة 1–3 مم، يلزم نقطة مركزة على سطح المعدن. وهذا أكثر فعالية بكثير من بقعة أكبر، لأنه لا حاجة إلى قناة عريضة لطرح المادة.

الغاز المساعد في القطع بالليزر

عامل بالغ الأهمية في القطع بالليزر هو الغاز المساعد: الأكسجين أو النيتروجين أو الهواء المضغوط. ولكل غاز خواص محدّدة مرتبطة بتسريع الاحتراق وطرد المعدن المنصهر أو كليهما.

تدعم غازات المساعدة في القطع بالليزر أحد تفاعلين: طارد للحرارة (exothermic) أو ماص للحرارة (endothermic). وتعتمد قواعد التركيز على نوع التفاعل والغاز المستخدم.

التركيز في القطع الطارد للحرارة

في التفاعل الطارد للحرارة، يكسب الغاز عملية القطع خواص مسرّعة — مثل الأكسجين. في هذا التفاعل يغلي المعدن حرفيًا: تُبخّره طاقة الشعاع المكثّفة، ويتفاعل الأكسجين بكفاءة مع المعدن في حالته المنصهرة. تجري العملية تحت ضغط عالٍ؛ ومع الأكسجين، تصل المادة الأساس إلى أعلى درجات الحرارة خلال القطع، ما يولّد بخار معدن ويزيد التبخّر.

قطع الألواح السميكة يعني نمط اختراق أوسع — يُستخدم في الإنتاج لخلق فجوة قطع عريضة تطرح المعدن المنصهر أثناء القطع.

قواعد التركيز للتفاعلات الطاردة للحرارة: يجب أن تكون البؤرة فوق السطح للمواد السميكة، أو على السطح العلوي للمواد الأرق.

• عندما تكون البؤرة فوق المادة، يُستخدم عادة ضغط منخفض وتدفّق صغير لتعزيز الإسالة ثم طرد المنصهر. في الواقع يتبخّر القليل جدًا من المادة، لأن تدفقًا صغيرًا من الأكسجين لا يستطيع إدامة تبخّر كامل.
• عندما تكون البؤرة على سطح المادة بالضبط، يُستخدم عادة ضغط مرتفع وتدفّق كبير. وهذا يكفي لإدامة تبخّر مكثّف للمادة.

ولهذا، على طاولات القطع التي تقطع بصورة رئيسة موادًا رقيقة تجد كمية ضئيلة من الخبث (الشلاكا) فوق المساند. أما طاولات المواد السميكة فتراكم كميات أكبر بكثير من المادة على مساندها.

التركيز في القطع الماص للحرارة

تحدث التفاعلات الماصة للحرارة عند استخدام غاز خامل. النيتروجين والأرغون يندرجان في هذه الفئة.

خلال هذا التفاعل، يقتصر دور الغاز على نفخ المادة المنصهرة عبر الفجوة. ويعتمد التفاعل الماص للحرارة اعتمادًا قويًا على الطاقة الأصلية للشعاع المركّز ليبلّغ المعدن الأساس سريعًا إلى الحالة المنصهرة ويُكوّن فجوة قطع نظيفة. وهذا يتيح للغاز الخامل أن يدفع المادة المُسالة عبر قناة القطع، تاركًا سطحًا نظيفًا بدون التصاق الخبث.

قواعد التركيز للتفاعلات الماصة للحرارة: يجب أن يكون موضع البؤرة عند قاعدة المادة أو أسفلها بقليل. الحفاظ على البؤرة تحت المادة يُكوّن شكلًا بسيطًا على هيئة حرف V في مقطع الفجوة، فيتيح للغاز عالي الضغط أن يضغط المنصهر ويطرده بسرعة عالية من قاعدة القناة.

تتطلب التفاعلات الماصة للحرارة حجمًا كبيرًا وضغطًا مرتفعًا لدعم الإزالة السريعة للمنصهر.

الهواء المضغوط

استخدام الهواء المضغوط كغاز مساعد يُنتج عمليًا تفاعلًا ماصًّا وآخر طاردًا للحرارة في الوقت نفسه. ولأن الهواء يتكوّن في معظمه من النيتروجين (≈78 %)، فهو في الأساس تفاعل ماص؛ بينما تُحدث النسبة الصغيرة من الأكسجين (≈20 %) تفاعلًا طاردًا متزامنًا أصغر. ويؤدي ذلك إلى انصهار أسرع للمادة الأساس بسبب نشاط الأكسجين. أما باقي الهواء فيكون خاملًا في الجوهر ويشارك فقط في التفاعل الماص الذي يقوده النيتروجين.

يعطي القطع بالهواء المضغوط أفضل النتائج عندما يُحفَظ موضع البؤرة في منتصف سماكة المادة.

التحكّم في نقطة التركيز

يجب التحكّم في كل جانب يتعلّق بالحفاظ على إسقاط نقطة التركيز بصورة صحيحة. ينبغي أن يكون الشعاع الخام داخل المجاوب البصري بحالة جيدة، وأن يُوصَل بشكل صحيح إلى العدسة.

استخدام عدسة بالطول البؤري الصحيح يغيّر سرعة انصهار المادة والسماكة القصوى القابلة للمعالجة.

اختيار الغاز المساعد يُحدِّد إلى حد كبير كيف يُضبط موضع البؤرة في المادة:

• القطع بالأكسجين (طارد للحرارة) — بؤرة مباشرة على سطح المادة أو فوقه. لا يلزم سوى تغييرات صغيرة جدًا في البؤرة، إلا إذا انتقلت بين القطع بالضغط العالي والمنخفض، لأن البؤرة دائمًا على السطح أو قربه، ولذلك لا تعتمد على تغيّر السماكة.
• القطع بالنيتروجين (ماص للحرارة) — البؤرة تعتمد اعتمادًا قويًا على السماكة، لأنها تقع عند قاع المادة أو بالقرب منه.

في أي حال، يمكن تلبية جميع مواضع البؤرة الأساسية عبر CNC وجهاز توليف بؤري ذاتي، مثل المرآة التكيّفية.

المرآة التكيّفية

تعمل المرآة التكيّفية بتغيير شكل سطحها عبر تطبيق ضغط على جهتها الخلفية. في الحالة العادية، دون ضغط، يكون سطح المرآة مقعّرًا. وعند تطبيق الضغط ينتقل السطح من مقعّر إلى مستوٍ ثم إلى محدّب. تغيير شكل المرآة يغيّر جبهة موجة الشعاع، وبالتالي حجم الشعاع على العدسة وموضع إسقاط البؤرة في المادة.

الطول البؤري للعدسة

تُستخدم للقطع عادة منظومات بصرية بأطوال بؤرية 125 مم و150 مم.

• بصريات 125 مم تناسب فقط السماكات الصغيرة 1–3 مم. تعطي فتحة قطع أضيق من بصريات 150 مم، أي كثافة طاقة أعلى عند نفس قدرة الليزر. لذا فإن سرعات القطع الممكنة معها أعلى قليلًا عند نفس السماكة والقدرة. إذا كانت المواد المقطوعة رقيقة بالأساس، فلأسباب اقتصادية يُوصى ببصريات 125 مم.
• بصريات 150 مم تتمتع بميزة عمق قطع أكبر. يمكن استخدامها بشكل عام لمدى واسع من السماكات، لكنها تُستخدم بالأساس للمواد الأسمك.

موضع البؤرة

التموضع الدقيق للبؤرة شرط أساسي لنتائج قطع جيدة.

في القطع بالليزر للفولاذ الكربوني:

• للألواح حتى ~ 6 مم، الموضع الأمثل للبؤرة هو سطح اللوح (ماص للحرارة).
• للألواح من 8 مم فأكثر، يجب أن تكون نقطة البؤرة فوق سطح اللوح (طارد للحرارة).
• القطع عالي الضغط لـ الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألمنيوم: البؤرة على اللوح.

من الناحية العملية، يمكن ضبط موضع البؤرة بنحو 2/3 سماكة اللوح داخل اللوح.

ومن ثَمَّ، فإن كل تغيير في سماكة اللوح يستلزم عادة تغييرًا في موضع البؤرة.

مَركَزة الفوهة (الـnozzle)

يجب تركيب عدسة التركيز بحيث يكون شعاع الليزر المركّز في مركز فتحة الفوهة. لا يجوز أن يبتعد الشعاع المركّز عن مركز الفوهة بأكثر من ±0.05 مم.

حتى مع جودة قطع جيدة، فإن شعاعًا غير مركزي قد يجعل الجودة معتمدة على الاتجاه. في الحالة القصوى، يكون القطع مرضيًا في اتجاه واحد، وفي اتجاهات أخرى لا تُقطع المادة بنظافة، أو لا تنفصل أصلًا.

عند قطع الفولاذ الكربوني بالغاز قد تظهر شرارات على سطح اللوح في الاتجاه المعاكس لاتجاه اللامركزية.

تلوّث العدسات

مهم: التلوّث الشديد قد يُتلف العدسات ورأس القطع بأكمله.

الآثار:

• مع زيادة طول القطع تبدأ ظهور النتوءات (الـburrs)؛ وتزداد فجوة القطع وخشونة السطح.
• في الفولاذ الكربوني هناك ميل لتشكّل حُفر (craters).
• في الحالة القصوى لا تنفصل القطعة عن اللوح بعد المعالجة.

صيانة عدسة التركيز واستبدالها

فك وتركيب عدسة التركيز:

1. انزع رأس القطع وانقله إلى مكان نظيف. نظّف كل الغبار من على سطح الرأس.
2. ضع الرأس أفقيًا. أزل براغي التثبيت من الأسفل إلى الأعلى (راجع الشكل 6.5 — فك زجاج الحماية ومجموعة الفوهة).
3. أزل حلقة شدّ النابض وعدسة التركيز باستخدام مفتاح خلع العدسة.
4. استبدل العدسة أو نظّفها.
5. أدخل العدسة وحلقة الشدّ النابضية بحذر في حامل العدسة بالاتجاه الموضّح في الشكل 6.7، ثم اربط حلقة الشدّ بالشكل الصحيح.

الجزء التطبيقي: ضبط البؤرة على ليزر الألياف (Fiber Laser)

قبل بدء العمل على ماكنة ليزر ألياف، يجب ضبط المسافة البؤرية الصحيحة بين رأس القطع والمادة المقطوعة. على دقّة هذا الضبط يتوقّف عرض القطع وجودته، وتشكّل النتوءات، وسرعة القطع.

تركيز شعاع الليزر جانب جوهري في التعامل مع المنظومة. للقطع النوعي للمعدن يجب تركيز الطاقة في نقطة محددة — وهذا يزيد كثافة الشعاع.

قطر البقعة وعمق البؤرة (Depth of Focus) يعتمدان على الطول البؤري.

تتم البؤرة: فوق المعدن، على المعدن، أو تحت المعدن.

• البؤرة الموجبة — يكون فيض الفوتونات فوق مستوى الشغلة. تُستخدم في قطع الفولاذ الكربوني. تمنع تشكّل الخبث، ويُسهم الأكسجين في أكسدة المعدن من حافة القطع إلى السطح السفلي للوح. وعند زيادة قيمة البؤرة الموجبة يزداد قطر البقعة على سطح الشغلة، فيرتفع المدخل الحراري وتنعم حافة الفولاذ على طول القطع.
• البؤرة السالبة — يقع ذروة التركيز داخل الشغلة، فترتفع كثافة الطاقة المُشعّة ويتّسع القطع. تناسب هذه الحالة الفولاذ المقاوم للصدأ. القطع أعرض في الأعلى وأضيق في الأسفل؛ السعة الأكبر في الأعلى تحسّن سيولة المنصهر. أما الجزء السفلي الأضيق فيتطلب تدفقًا أكبر من الغاز. عادةً تُستخدم البؤرة السالبة (negative defocus) في القطع بالهواء أو النيتروجين.
• البؤرة الصفرية — البؤرة على سطح اللوح تعطي أصغر بقعة ممكنة. وينتج عنها نطاق انصهار ضيّق نسبيًا وفجوة قطع أصغر، ما يجعلها مناسبة للقطع عالي الدقة للمواد الرقيقة.

فهم موضع البؤرة والتحكم به أمر حاسم لتحسين عمليات القطع بالليزر، لأنه يؤثر مباشرة على كثافة الشعاع في منطقة القطع، وعرض الفجوة، والجودة الكلية.

في رسم بياني لموضع البؤرة (Z) مقابل عرض الجزء العلوي من فجوة القطع (W): حين تكون البؤرة على سطح اللوح يكون عرض الفجوة أضيق ما يمكن. وعند إزاحة البؤرة (defocus موجب أو سالب) يزداد عرض الفجوة.

تعتمد درجة الاتساع على الطول البؤري لعدسة رأس القطع وعمق البؤرة. وكقاعدة عامة، كلما كان الطول البؤري أقصر وعمق البؤرة أصغر، زاد تغيّر عرض الفجوة بتغيّر موضع البؤرة.

كلما كان المعدن أسمك، وجب ضبط البؤرة أعلى.

العدسة المُكامِلة (Collimator) وعدسة التركيز

تتكفّل بصياغة نقطة البؤرة العدسة المكاملة وعدسة التركيز. تستقبل العدسة المكاملة الشعاع المتسرّع في التباعد عند خروجه من الألياف وتقوّمه، ثم تركّز عدسة التركيز هذا الإشعاع على سطح الشغل.

مشاكل العدسات

• في حالة الليزر الألياف، نادرًا ما تكون العدسة المكاملة وعدسة التركيز ذاتهما مصدرًا لمشاكل البؤرة. مواد ما يسمّى بصريات الليزر "الناقلة" معروفة منذ زمن وتقنيات تصنيعها متطوّرة جيدًا. مع ذلك، يجدر ذكر عيب يصادفك أحيانًا في عدسات التركيز — وهو التأثير الحراري للعدسة (انزياح البؤرة) جراء تسخين البصريات، المرتبط باعتماد معامل امتصاص مادة العدسة على درجة الحرارة. يمكن رصد هذا التأثير عند تلوّث العدسات أو تلفها. كذلك ينبغي شراء العدسات من مُصنّعين موثوقين. لكن قبل أن نخلُص باستنتاج بشأن البصريات، يجب إجراء مَركَزة الفوهة. وكما ذكر، فإن زجاج الحماية هو أوّل ما يعاني في مرحلة الاختراق.
• لا يقل أهمية عن ذلك تعامد سقوط شعاع الليزر القاطع على العدسة. ما يحدث عند انحراف الشعاع ولو يسيرًا عن التعامد موضّح في الشكل 2: يؤدي إلى تدمير الفوهة وعيوب على الحافة.
• تذكّر: تعريفًا، المستوى البؤري هو المستوى الذي تكون فيه بقعة الإشعاع المركّز بأصغر حجم.
• ماذا يحدث إذا اخترتَ موضعًا غير أمثل للمستوى البؤري على اللوح؟ في الحالة الأسوأ — نتوءات وتوقف القطع. وإذا كان الخطأ صغيرًا، فإن موضع البؤرة يؤثر في انحراف جدران الفجوة عن العمودية. الفحص بسيط — يكفي قياس أبعاد القطعة عند الحافة السفلية والحافة العلوية. بالطبع يجب أن يكون ذلك على الموقع نفسه من القطعة.
• ماذا يفعل مشغلو ماكنات الليزر عادة عند مواجهة تدنّي جودة الحافة؟ يخفّضون سرعة القطع حتى الحصول على جودة مقبولة. والنتيجة ليست دائمًا مرغوبة. في غالب الحالات تتحسّن الجودة لكنها تبقى دون المستوى الأمثل، بينما تنخفض إنتاجية الماكنة بسبب انخفاض السرعة.
• موضع البؤرة هو في الغالب السبب الأولوي لتدهور الجودة — وهو بالضبط ما ينساه المشغلون. وإن أجروا تحقّقًا، فكثيرًا ما يفعلون ذلك بخطوة كبيرة جدًا لإعادة التركيز فيتخطّون الموضع الأمثل، أو بشكل غير منهجي — برفع العدسة أعلى مما ينبغي ثم خفضها أقل مما ينبغي، فيفقدون التتبّع لمكان وجود اللوح المقطوع داخل الشعاع المركّز في كل لحظة.

خوارزمية البحث عن الموضع الصحيح للبؤرة

لا ينبغي أن تستغرق إجراءات البحث عن الموضع الصحيح للبؤرة وقتًا طويلًا. اتّبع خوارزمية بسيطة:

1. اختر خطوة لإعادة التركيز. لا تكون كبيرة جدًا حتى لا تتخطى الأمثلي، ولا صغيرة جدًا حتى لا تضيع الوقت.
2. اقطع 12 قطعة اختبار. الشكل الأمثل مربع صغير. ويمكن أيضًا الاكتفاء بقطع خطوط مستقيمة على اللوح.
3. رقّم القطع أو الخطوط واكتب بجوار كل واحد موضع البؤرة المستخدم.
4. افحص القطع من جانب سقوط الشعاع ومن الأسفل واختر الإعداد ذا أفضل مظهر للخط أو الحافة — أصغر منطقة تأثير حراري، بدون قطرات أو نتوءات.
5. إذا تحسّنت جودة القطع ولكنها لم تبلغ الأمثل بعد، ثبّت موضع البؤرة الذي وجدته وأجرِ إجراءات مماثلة لكل من المعاملات على حدة: المسافة من الفوهة إلى اللوح، وضغط الغاز، وسرعة القطع، وقدرة الليزر. وفي كل تغيير لمعامل تشغيل، اتبع المبدأ ذاته: تحرّك دائمًا من قيمة طرفية لأخرى بخطوة بمقدار وحدة واحدة. هكذا لا تضيع في العدد الكبير من المعاملات التي تحسّنها لعمليتك الإنتاجية الخاصة.

ومن المفيد أيضًا تذكّر أن مجموعة المعاملات التكنولوجية التي وجدتها لن تبقى ذاتها للأبد. إذا تغيّر أحدها لسبب ما، فعليك مراجعة الباقي.

تأثير الغاز والمادة على البؤرة

قد يتغيّر موضع البؤرة عند تغيير المادة وعند تغيير الغاز. تذكّر ذلك مثلًا عند الانتقال إلى أكسجين بنقاء مختلف. ولا تنسَ مطلقًا موضع البؤرة عند الانتقال من الأكسجين إلى النيتروجين والعكس.

• عند القطع بـالنيتروجين الخامل يجب تعميق البؤرة داخل المادة.
• عند القطع بـالأكسجين النشط كيميائيًا يجب أن تكون البؤرة على سطح اللوح أو فوقه.

التشخيص من الحافة

دراسة الحافة بانتباه تكشف الكثير عن موضع البؤرة:

• نتوءات حادة الأطراف — إما أن تدفّق النيتروجين غير كافٍ، أو أن البؤرة مرتفعة جدًا.
• نتوءات بقطرات — البؤرة منخفضة جدًا.

أحيانًا يكفي إزاحة البؤرة بمقدار 100–150 ميكرونًا لإصلاح الوضع.

أنواع عدسات التركيز

• عدسات طويلة البؤرة — تناسب معالجة الألواح السميكة والشغلات ذات الانحناءات السطحية المختلفة.
• عدسات متوسطة البؤرة — أفضل لقطع المواد المتوسطة والرقيقة.
• عدسات قصيرة البؤرة — الأفضل للنقش (engraving)، حيث نحصل على صور حادة ونظيفة.

خيارات البؤرة في رأس القطع

1. التركيز اليدوي: على رأس القطع جهاز تركيز، عادةً حلقة دوّارة يمكن إدارتها لرفع وخفض عدسة التركيز لتحقيق البؤرة. عند الضبط الأول أو بعد تغيير سماكة المعدن ونوعه ينبغي ضبط الموضع التقريبي للبؤرة يدويًا.

2. التركيز الذاتي (Autofocus): يمكن تجهيز معدات القطع بالليزر من الفئة الراقية بنظام تركيز ذاتي قادر على ضبط موضع البؤرة تلقائيًا اعتمادًا على قيم مسبقة. ويمكن لمثل هذا النظام أن يرفع كفاءة الإنتاج بشكل كبير ويقلل الأخطاء البشرية.

عنق الشعاع (Beam Waist)

من مخطط تركيز الإشعاع لعدسات بأطوال بؤرية مختلفة (المغالاة في الزوايا لأغراض الإيضاح) تتبيّن حقيقتان جوهريتان:

• كلما زاد الطول البؤري، زاد حجم البقعة التي يُركَّز فيها الإشعاع.
• كلما زاد الطول البؤري، زاد طول عنق الشعاع. عنق الشعاع هو مسافة معيّنة من المستوى البؤري على طول محور انتشار الإشعاع.

توصيات إضافية

• حافظ على نظافة العدسات والمرايا: نظّفها وافحص حالتها بانتظام، فالتلوث يؤثر على البؤرة.
• راقب تآكل المعدات وحالتها.
• استخدم جداول الأنماط (وسائط القطع) الخاصة بمصدرك (اطلبها من المورّد)، وتحقّق من معلومات الأطوال البؤرية للعدسات في رأس قطعك. وتأكّد كذلك من توافق صفرك الفعلي مع الصفر البرمجي عبر طريقة إيجاد عنق الشعاع.

---