, טכנולוגיה

חיתוך מתכת בחוט הוא תהליך שבו חוט נחושת נטען במתח גבוה ומשמש לחיתוך צורות מדויקות בחלקים שונים שהינם מוליכים. החוט מועבר מגלגל אחד לגלגל שני תחתון במהלך החיתוך. ישנם כמה יתרונות לחיתוך בחוט ככלי לעיבוד מתכת מאחר ומאפשר לחתוך בצורה מדוייקת, חיתוך פינות חדות עד כמה שאפשר וחיתוך אזורים חדים שלא ניתן לחתוך בטכנולוגיה אחרת.

השימוש לחיתוך בלייזר התחיל עוד בשנות ה-70. באותה תקופה ללייזר CO2 היתה עוצמה בין 200 ל-500 וואט. פריצת הדרך נעשתה כאשר פיתחו ויצרו את מנגנוני כיוון והנחיית קרן הלייזר. המנגנונים כיוונו לנקודה מאוד מדויקת על החומר הנחתך וכל זאת מבלי לשנות את המרחק בין הרזונטור (השפופרת בה נוצרת קרן הלייזר) לבין הנקודה הנחתכת.
כיום עוצמת הלייזר יכולה להגיע בחיתוך חומרים עד ל- 20,000 Watt .
צפיפות עצמת הלייזר בחיתוך רגיל של מתכות נאה בין 6^10 (^=חזקה) ל- 8^10 ²cm\W .
בכל שימוש בלייזר לצרכי חיתוך, נבלע חלק מקרן הלייזר. החלק הנחתך הינו החלק החשוב הגורם לחיתוך. חלק מקרן הלייזר מוחזר וחלק שלישי מהקרן חודר את החלק ועובר לצד שני ללא כל השפעה על החלק.
הפרופורציה בין הבליעה, החזרה, והמעבר תלוי בסוג החומר. לדוגמא בחלקים ממתכת אין מעבר של הקרן לצד שני בכלל ברגע הפגיעה.
אחוז הבליעה של קרן הלייזר ע"י החומר תלויה בהרבה מאד גורמים, להלן כמה מהם:
תדירות ( אורך גל )
פולריזציה ( צורת הגל )
זווית הפגיעה ( הזווית בא פוגעת קרן הלייזר בחומר )
סוג חומר
טמפרטורת החומר
הגיאומטריה של החומר
טיב פני שטח החומר
צבע החומר
ועוד...
כפי שכבר ציינו, החלק הנבלע הוא החלק האחראי לחיתוך. לכן חשוב מאד למצוא את הזווית של הקרן בעלת הבליעה הגדולה ביותר.
אוניברסיטאות וחברות שעסקות בלייזר ערכו מחקרים רבים בנושא ולאחר ניתוח התוצאות כמעט כל החברות שעוסקות בלייזר לחיתוך הגיעו למסקנה כי לייזר ה-CO2 הוא הלייזר הנוח והטוב ביותר לחיתוך חומרים.
מצאו כי בזווית פגיעה של 87º הבליעה של הקרן היא מקסימאלית, כ 42% .
כלומר גם זווית החיתוך היא טובה (כמה שיותר קרוב ל-90º בכדי לקבל חיתוך ניצב בקירוב טוב) וגם הבליעה מתקרבת ל 50% .לכן בחרו לייזר זה לחיתוך. בכדי לערוך השוואה קטנה בלייזר YAG זווית הפגיעה היא º82 ואז מקבלים 43% בליעה. הבליעה באחוז אחד יותר טובה אולם זווית החיתוך מאד גרועה.

תרשים א'
LB    קרן לייזר
RB    הקרן המוחזרת לאחר הפגיעה
AB     הקרן הנבלעת לאחר הפגיעה
а       זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה

עקרונות החיתוך בלייזר
כאשר קרן לייזר בעלת עוצמה גדולה פוגעת בחומר בנקודת הפגיעה מתפתח חום רב. בקרן לחיתוך מתכות מתפתחת טמפרטורה של אלפי מעלות, אשר ממסה את החומר ואפילו מאדה אותו. במקום הפגיעה נוצר אחרי זמן מסוים חור אשר הקרן עוברת דרכו, תהליך זה של היוצרות החור נקראת חדירה, "PIERCING". כאשר תהליך החדירה הושלם מתחילה מלאכת החיתוך. מניעים את קרן הלייזר לאורך הגבול של החלק הנחתך. כאשר הקרן נעה היא ממיסה באופן עקבי את החומר לאורך גבול החלק.
בצורה זו נוצר חתך צר מאד בין החלק לבין שארית החומר ולאחר שקרן הלייזר עברה לכל אורך גבול החלק, הוא מופרד מתוך החומר בצורה בה תכננו את החלק.
חתך זה נקרא "KERF" .
בכל שלב החדירה והחיתוך מוזרם גז דרך הפיה ממנה גם יוצאת קרן הלייזר. גז זה תפקידו בראש ובראשונה "להעיף" מתוך חור החדירה או מתוך החתך את החומר המותך ולהשאיר את החתך נקי מכל שאריות חומר מותך.

תרשים ב' ראש חיתוך

1)      עדשה מרכזת
2)      קרן הלייזר
3)      סילון הגז ( גז חיתוך )
4)      סימני חיתוך קרן הלייזר
5)      שאריות חומר מותך " גרד "
6)      חומר לחיתוך
7)      קו החיתוך ( נקודת הנגיעה של קרן הלייזר )
8)      פייה ( קרן הלייזר וגז החיתוך יוצאים מאותה פיה )
9)      כיוון החיתוך

חדירה
קרן הלייזר לפני שהיא מתחילה בתהליך החיתוך צריכה קודם לחדור את החומר תהליך זה נקרא חדירה , "PIERCING" .
תהליך החדירה יכול להיעשות במהירות רבה ובשימוש בכל עוצמת קרן הלייזר או באטיות, כאשר עוצמת הקרן גודלת בהתמדה עד לחדירה בכדי לקבל חור חדירה נקי ויפה.
גם בתהליך החדירה משתמשים בגז החיתוך בכדי "להעיף" את החומר המותך מתוך חור החדירה. הגזים שבשימוש יום יומי הם חמצן, חנקן, ארגון ואוויר יבש.
את סוג הגז לחדירה אפשר לבחור לפי סוג החומר ולפי רמת האיכות הנדרשת בחור החדירה.

פרוצדורת החיתוך
פרוצדורת החיתוך נקבעת ע"י סוג החומר בו משתמשים. אנו דנים כאן בחיתוך רוב המתכות, לא כל המתכות יכולות להיחתך ע"י קרן לייזר.