Lazer keramik nozullar sənaye tətbiqlərində iki əsas məqsəd üçün istifadə olunur. Birincisi, bu nozullar şüanın lazım olan yerə dəqiq şəkildə yönəldilməsinə kömək edir. İkincisi, bu nozullar kəsmə prosesində oksigen və ya azot kimi köməkçi qazların axınını idarə edir. Keramik nozulların eynəmərkəzli forması şüanın iş parçası üzərində sıx şəkildə fokuslaşmasını təmin edərkən, eyni zamanda kəsdiyi sahədən ərimiş materialı xaric edir. Lazer kəsmə prosesində tez-tez rast gəlinən yüksək temperaturlara məruz qaldıqda, keramik materiallar ənənəvi metal alternativlərə nisbətən istilik zədələnməsinə və oksidləşməyə daha yaxşı müqavimət göstərir. Bu isə lazerin zamanla yönünü itirməməsi, doğru istiqamətdə qalması deməkdir. Keramik nozullar həmçinin kəsmə yerlərində yığılan cürbəcürün miqdarını azaldır və maşının yuxarı axınında yerləşən həssas optik komponentləri qoruyur. Bir neçə istehsal şirkətinin keçirdiyi son sahə testlərinə görə, təkmilləşdirilmiş nozul dizaynlarına investisiya edən şirkətlər müxtəlif material növləri üzrə kəsmə dəqiqliyində və istehsal sürətində qeyd ediləcək yaxşılaşmalar müşahidə etmişlər.
Lülələrin forması və ölçüsü materialların kəsilmə sürətinə və proses zamanı istifadə olunan enerji miqdarına böyük təsir göstərir. 0,8-dən 1,2 millimetrə qədər kiçik açılışlara baxdığımızda, bunlar daha nazik lövhələri tez və təmiz kəsmək üçün yaxşı işləyən daha sürətli qaz hərəkəti yaradır. Digər tərəfdən, 2-dən 3 mm-ə qədər böyük deliklər qalın metal plitalarla işləyərkən təzyiq səviyyələrini və hava həcmini daha yaxşı idarə edir. Bəzi tədqiqatlar düzgün lülə dizaynının qazın türbülentliyini təxminən otuz faiz azalda biləcəyini, bu isə 0,1 mm dəqiqliyi saxlanarkən elektrik enerjisinin daha az sərf edilməsi demək olduğunu göstərir. Keramik lülələr daxili səthlərinin daha hamar olması səbəbiylə keçən qazlara qarşı müqavimətin azalması ilə daha yaxşı performans göstərir. Bu, lazer gücünün 6 kilovattın yuxarısına çatdığı hallarda belə sabit işləməni təmin edir və eyni zamanda bu komponentlərin əvəz edilməsindən əvvəl daha uzun ömürlü olmasını təmin edir.
Keramik dümlüklər üçün əsas xüsusiyyətlərlə köməkçi qazın təsirinini artırır:
Hesablama hidrodinamikası (CFD) simulyasiyaları keramik dümlüklərin polad analoqlarından 15% daha yüksək qaz sıxlığı verdiyini göstərir ki, bu da kənarların daha təmiz olmasını və yüksək sürətli tətbiqlərdə yaxşı performansı təmin edir.
Yüksək güclü lazer nozullarında dörd inkişaf etmiş keramika üstünlük təşkil edir:
| Material | Termal Keçirdimdiliyi (W/mK) | Maksimum İş Tempı (°C) | Əsas üstünlük |
|---|---|---|---|
| Zirkoniya | 2-3 | 2,300 | Aşağı istilik genişlənməsi |
| Alumina | 30 | 1,750 | ## Elektrik izolyasiyası |
| Silisium nitrid | 15-30 | 1,400 | حرارتي شوكا قارشي دورما |
| Silicon Karbid | 120 | 1,650 | Ekstremal istiliyin yayılması |
Silisium karbid, alümina nisbətən üç dəfə yaxşı istilik keçiriciliyinə malik olduğundan və davamlı iş zamanı istiliyin səmərəli şəkildə yayılmasına imkan verdiyindən 15 kV-dan çox olan sistemlərdə üstün tutulur.
Keramika materiallar, plastik deformasiyanı önleyən möhkəm kovalent rabitələr sayəsində 2000°C-dən yuxarı temperaturlarda ölçülərin sabitliyini saxlayır—mis nozullara nisbətən 300% yaxşıdır. 500 termal siklin (25°C – 1200°C) simulyasiyasını özündə birləşdirən gərginlik testlərində zirkoniya nozullar yalnız 0,02 mm qeyri-sabitləşib, polad nozullarda isə bu göstərici 1,7 mm təşkil etmişdir ki, bu da onların termal təzyiqə qarşı fövqəladə müqavimətini göstərir.
Keramik nozulların yüksək Vikers sərtliyi göstəricilərinə görə bərklik baxımından ciddi üstünlükləri var. Alumina təxminən 1600 HV, silisium karbid isə təxminən 2500 HV-ə çatır ki, bu da bu materialların aşınmaya qarşı nə qədər davamlı olduğunu izah edir. Həyati testlər keramik nozulların iş vaxtı üçün adətən 5000-dən 15000 saatadək dayandığını, standart metal nozulların isə yalnız 1000-dən 3000 saatadək işlədiyini göstərir. Bu o deməkdir ki, yalnız üç il ərzində şirkətlər əvəzetmə xərclərində təxminən 87% yanaşır, habelə istehsalatda dayanma müddəti də təxminən 62% azalır. Başqa böyük üstünlük isə keramikaların oksidləşməyə qarşı yüksək müqavimətidir. Bu, oksigen köməyi ilə kəsmə proseslərində əhəmiyyətli olur, burada əksər metal komponentlər yalnız qısa müddət təsirə məruz qaldıqdan sonra dağılmaya başlayır.
Keramik nozulların ilkin dəyəri 3–5 dəfə çox olsa da, onların iş vaxtı 400% qədər uzun olur ki, bu da hər kəsilmə saatına 28–35% yığılmış xərc qənaətinə səbəb olur. 47 istehsalat müəssisəsində aparılan 2025-ci ilin tədqiqatı göstərdi ki, investisiya qaytarılması adətən 8–14 ay ərzində baş verir. Dəqiq və istilik möhkəmliyi tələb edilən yüksək tələb olunan sektorlarda texniki keramika artıq əvəzsizdir.
4 kW-dan yuxarı işləyən sistemlərdə qalıq lazer enerjisi və ərimiş material nozula istilik ötürür ki, bu da temperaturu 1200°C-dən yuxarı qaldırır. Nəzarətsiz şəkildə bu, nozulda deformasiya, aşınma və qaz axınının sabitsizliyinə səbəb olur. Davamlı iş rejimində nozulun həddindən artıq qızması onun xidmət müddətini 70%-ə qədər azalda bilər ki, bu da effektiv istilik idarəetməsinin vacibliyini göstərir.
Keramik nozullar istilik keçiriciliyi qabiliyyətinə malik olduqları üçün təbii olaraq istiliyini itirirlər və bu, onların nədən hazırlandığına görə bir qədər dəyişir - hər metr Kelvin üçün təxminən 3 ilə 120 Vt arasında. Məsələn, zirkoniya istiliyi müxtəlif istiqamətlərə bərabərsiz paylayır və əsas işin baş verdiyi nozul ucundan isti ləkələri uzaqlaşdırır, bütün bunlar məcburi soyutma sistemi olmadan həyata keçirilir. Praktikada bu, uzun müddət işlədikdən sonra belə lazerin düzgün fokuslaşdırılmasını təmin edir və istehsalçılar istehsal xəttində yer tutan və xərcləri artıracaq həcmli xarici soyutma cihazlarına çox etimad etməklərdən yayınmağa imkan yaradır.
2023-cü ildə keçirilən sınaq 6 kVt lif lazerlərində silisium nitrid (Si₃N₄) ilə mis nozulların müqayisəsini göstərdi və əhəmiyyətli təkmilləşmələr qeyd edildi:
Bu artım, gündəlik məhsuldar kəsmə saatlarında 19% artırıma imkan verdi və yüksək güc rejimlərində istiliyin idarə edilməsində silisium nitridin təsirini təsdiqlədi.
Keramik materialın seçimi, vatt ilə kvadrat millimetr nisbətində ölçülən, burada işlədiyimiz lazer gücünün sıxlığından asılıdır. 3 kilovattdan aşağı olan aşağı güc tətbiqləri üçün istilik keçiriciliyi təxminən 35 Vt/mK olan adi alyumina kifayət qədər yaxşı işləyir. Lakin güc 6 ilə 10 kVt aralığına çoxsa, sistemin istiliyini daha yaxşı yaymaq üçün daha yaxşı bir materiala ehtiyacımız olur. Bu, təxminən 120 Vt/mK keçiriciliyə malik silisium karbid və ya təxminən 85 Vt/mK keçiriciliyə malik silisium nitrid kimi variantlara keçmək deməkdir. Bu uyğunluğu düzgün etmək hər şeyi dəyişir. Bu, bütün sistemin sobalanmasının qarşısını alır və uzun müddət tam güc rejimində işlədikdə belə, mövqe təyin etmə səhvlərini idarə edilə bilən həddə saxlayır və kritik 0,01 mm tolerans zonası daxilində qalır.
Lülələrin forması qazların axmasına necə təsir etdiyini və kəsilmə keyfiyyətini əhəmiyyətli dərəcədə müəyyən edir. Konvergent lülə dizaynları standart silindrik tiplərlə müqayisədə daha hamar kənarlar yaratmağa meyllidir və bəzən nəticəni təxminən 40% yaxşılaşdıra bilir. 2024-cü ildə rentgen şəkilləşdirməsi ilə aparılan son araşdırma göbək bucaqları ilə bağlı maraqlı bir şey ortaya qoydu. Bu bucaqlar 60 ilə 75 dərəcə aralığında olduqda, saniyədə 15-dən 20 metrə qədər sürətlə hərəkət edən qaz axınlarında əhəmiyyətli dərəcədə az turbulans baş verir. Bu isə 5 mm qalınlıqda alüminium ərintiləri üçün adətən ±0,1 mm daxilində olan kəsik eni baxımından çox daha yaxşı ardıcıllığa səbəb olur. Oxsial uyğunlaşdırılmanı düzgün etmək də vacibdir. Komponentlər yalnız 0,05 mm həddində dəqiqliklə uyğunlaşdırılıbsa, əks halda 30 ilə 50 mikrometr ölçüsündə olan bezədici kənar defektlərini yaradan təzyiq balanssızlığını dayandırır.
Koaksial uyğunlaşmanı dəqiq tənzimləmək, köməkçi qazın zəif optik hissələrə zərər vurmaqla 12 metr/saniyədən artıq sürətlə ərimiş metali uzağa püskürməsinə təminat verir. Hətta kiçik də olsa, məsələn, 0,2 millimetrdən çox meyl etmə baş versə, 10 mm aşağıözlü polad lövhələrdə dross əmələ gəlməsi təxminən 70% artır. Ən yaxşı nəticə üçün, fəsadın ölçüsünə uyğun dayaq məsafəsini saxlamaq sıx bir püşkürtmə axını yaradır. Bu metod mis ərintiləri ilə işləyərkən istiliyin təsir etdiyi sahəni təxminən 25% azaldır və bu da material bütövlüyü ən vacib olan bir çox sənaye tətbiqləri üçün olduqca əhəmiyyətlidir.
Müasir CFD simulyasiyaları 0,01 mm həlletmədə qaz-zərrəcik qarşılıqlı təsirlərini modelləşdirməkdə 93% dəqiqliyə nail olur. Bu alətlər 6 kVt-lıq sistemlərdə 1–3 mm paslanmayan polad lövhələrin emalı zamanı azotdan istifadəni 18–22% azaldmaq üçün dümlük divergens bucaqlarını 8–12°-yə qədər təkmilləşdirmişdir.
Yeni prototiplər dinamik olaraq 1,5 mm-dən 4,0 mm-ə qədər dəyişən səs bobini ilə idarə edilən açılışlara malikdir ki, bu da bir nozzle-un 0,5 mm-dən 25 mm-ə qədər materialları emal etməsinə imkan verir. Sahə testləri göstərir ki, bu adaptiv nozzellər qalınlığı müxtəlif olan materialların emalında perforasiya vaxtını 45% azaldır və köməkçi qazın tullantısını 30% azaldır.
Tərs yansıma, şüanın mis və ya alüminium kimi yüksək dərəcədə əks etdirici metallardan geri dönərək şüanın enerjisinin 15%-ni həssas optikaya yönəldərkən baş verir. Bu, xüsusilə 6 kV-dan yuxarı sistemlərdə fokus lenslərinə, sensorlara və lazer mənbəyinə ciddi risk yaradır.
Keramik nozzellər aşağıdakı üç mexanizm vasitəsilə tərs yansımadan zərəri azaldır:
2023-cü ildə 12 avtomobil istehsalçısında aparılan tədqiqat göstərdi ki, mis nozullara nisbətən silisium karbid nozullar planlanmamış texniki xidmətin 40% azaldır. 8 kVt gücündə lazerlər istifadə edən bir müəssisə keramik nozullara keçdikdən sonra fokus lenslərinin dəyişdirilməsi 63% azalmış, bu da optika xərclərində illik 18 000 ABŞ dolları qənaət etmişdir.
İrəli gəlmiş nozzllar indi nanostrukturlu işıq əksini azaldan (AR) örtüklərlə birlikdə alümina nüvələri birləşdirir. Bu ikiqat təbəqəli yanaşma 99,2% şüa keçiriciliyinə nail olur və geri əks etməni 0,5%-dən az səviyyəyə endirir ki, bu da uzunmüddətli kəsmə sınaqlarında örtüksüz keramikadan 34% daha yaxşı performans göstərir. AR örtüyü həmçinin cürbəcürün yığılmasına qarşı davamlıdır və 300-dən çox iş saatı ərzində qoruyucu xüsusiyyətini saxlayır.
Keramik nozllar üstün istilik müqaviməti təmin edir, şüanın düzgün yönəlməsini saxlayır və cürbəcürün yığılmasını azaldır, nəticədə kəsmə dəqiqliyini və sürətini artırır. Onlar həmçinin metal nozllardan daha uzun xidmət müddətinə malikdir və daha az tezliyə ehtiyac duyulur.
Lazer nozlinin ölçüsü və forması daxil olmaqla dizaynı, enerjinin nə qədər lazım olduğunu və kəsim keyfiyyətini təsir edərək kəsmə sürətini və səmərəliliyini təsir edir. Optimallaşdırılmış dizaynlar qazın türbülentliyini əhəmiyyətli dərəcədə azalda və dəqiqliyi yaxşılaşdıra bilər.
Keramiklər daha yaxşı istilik müqaviməti göstərir, yüksək temperaturlarda ölçülü sabitliyi saxlayır və aşınmağa və oksidləşməyə qarşı davamlıdır ki, bu da onları yüksək gücündəki lazer əməliyyatlarında metal alternativlərə nisbətən daha möhkəm və effektiv edir.
Oksigen və azot kimi köməkçi qazlar, ərimiş materialı uzaqlaşdırmaq və şlakı azaltmaq üçün istifadə olunur, bu da kəsim keyfiyyətini artırır. Keramik nozullar səmərəli koaksial uyğunlaşmanı təmin edir, istilik sabitliyini saxlayır və tıxanmadan qoruyur, nəticədə köməkçi qazların təsirinə kömək edir.
EN
