تطبيقات الليزر عالي الطاقة في الصناعات عالية التقنية والثقيلة

خلال السنوات الثلاث الماضية، وبسبب الجائحة، تباطأ معدل نمو الطلب على الليزر الصناعي. ومع ذلك، لم يتوقف تطور تكنولوجيا الليزر. ففي مجال ليزر الألياف، تم إطلاق ليزرات ألياف فائقة القدرة تبلغ 60 كيلوواط وما فوق تباعاً، مما رفع قدرة الليزر الصناعي إلى مستوى جديد.

ما هو حجم الطلب على الليزر عالي الطاقة الذي تزيد قدرته عن 30000 واط؟

بالنسبة لأشعة الليزر الليفية المستمرة متعددة الأنماط، يبدو أن زيادة الطاقة عبر إضافة وحدات هي الطريقة المُتفق عليها. ففي السنوات القليلة الماضية، زادت الطاقة بمقدار 10,000 واط سنويًا. مع ذلك، يُعدّ تطبيق الليزر فائق الطاقة في عمليات القطع واللحام الصناعية أكثر صعوبة ويتطلب استقرارًا أعلى. في عام 2022، سيُستخدم ليزر بقدرة 30,000 واط على نطاق واسع في عمليات القطع بالليزر، بينما لا تزال معدات بقدرة 40,000 واط قيد الدراسة حاليًا لتطبيقات صغيرة النطاق.

في عصر ليزرات الألياف ذات القدرة العالية (كيلوواط)، يمكن استخدام قدرات أقل من 6 كيلوواط لقطع ولحام معظم المنتجات المعدنية الشائعة، مثل المصاعد والسيارات والحمامات وأدوات المطبخ والأثاث والهياكل، بسماكة لا تتجاوز 10 مم لكل من الصفائح والأنابيب. تبلغ سرعة القطع لليزر ذي قدرة 10000 واط ضعف سرعة ليزر ذي قدرة 6000 واط، بينما تزيد سرعة القطع لليزر ذي قدرة 20000 واط عن سرعة ليزر ذي قدرة 10000 واط بأكثر من 60%. كما أنه يتجاوز حد السماكة ويمكنه قطع الفولاذ الكربوني الذي يزيد سمكه عن 50 مم، وهو أمر نادر في المنتجات الصناعية العامة. فماذا عن الليزرات عالية القدرة التي تتجاوز 30000 واط؟

استخدام الليزر عالي الطاقة لتحسين جودة بناء السفن

في أبريل من هذا العام، زار الرئيس الفرنسي ماكرون الصين، برفقة شركات مثل إيرباص، وشركة دافي للشحن، وشركة الكهرباء الفرنسية إلكتريسيتي دو فرانس.

أعلنت شركة إيرباص، الشركة الفرنسية المصنعة للطائرات، عن اتفاقية شراء جماعي مع الصين لـ 160 طائرة، بقيمة إجمالية تقارب 20 مليار دولار. كما ستنشئ خط إنتاج ثانياً في تيانجين. ووقعت شركة مجموعة بناء السفن الصينية اتفاقية تعاون مع شركة دافي للشحن الفرنسية، تشمل بناء 16 سفينة حاويات عملاقة من النوع الثاني، بقيمة تتجاوز 21 مليار يوان. وتتمتع مجموعة الطاقة النووية العامة الصينية وشركة كهرباء فرنسا بتعاون وثيق، وتُعد محطة تايشان للطاقة النووية مثالاً بارزاً على ذلك.

تتمتع معدات الليزر عالية الطاقة، التي تتراوح قدرتها بين 30,000 و50,000 واط، بقدرة قطع ألواح فولاذية يزيد سمكها عن 100 مم. وتُعد صناعة بناء السفن من الصناعات التي تستخدم ألواحًا معدنية سميكة على نطاق واسع، حيث يبلغ سمك ألواح هياكل السفن التجارية النموذجية أكثر من 25 مم، بينما يتجاوز سمك ألواح سفن الشحن الكبيرة 60 مم. وقد تستخدم السفن الحربية الكبيرة وسفن الحاويات العملاقة أنواعًا خاصة من الفولاذ بسمك يصل إلى 100 مم. يتميز اللحام بالليزر بسرعات أعلى، وتشوه حراري أقل، وحاجة أقل لإعادة العمل، وجودة لحام أعلى، واستهلاك أقل لمواد الحشو، وجودة منتج محسّنة بشكل ملحوظ. ومع ظهور الليزر بقدرة تصل إلى عشرات الآلاف من الواط، لم تعد هناك قيود على استخدام الليزر في عمليات القطع واللحام في بناء السفن، مما يفتح آفاقًا واسعة للاستبدال في المستقبل.

تُعتبر سفن الرحلات البحرية الفاخرة ذروة صناعة بناء السفن، التي احتكرتها تقليديًا عدد قليل من أحواض بناء السفن مثل شركة فينكانتيري الإيطالية وشركة ماير ويرفت الألمانية. وقد استُخدمت تقنية الليزر على نطاق واسع في معالجة المواد في المراحل الأولى من بناء السفن. ومن المقرر إطلاق أول سفينة رحلات بحرية صينية الصنع بحلول نهاية عام 2023. كما شرعت مجموعة تشاينا ميرشانتس في إنشاء مركز لمعالجة الليزر في نانتونغ هايتونغ لمشروعها لتصنيع سفن الرحلات البحرية، والذي يتضمن خط إنتاج عالي الطاقة لقطع ولحام الصفائح الرقيقة باستخدام الليزر. ومن المتوقع أن ينتشر هذا التوجه التطبيقي تدريجيًا في السفن التجارية المدنية. تمتلك الصين أكبر عدد من طلبات بناء السفن في العالم، وسيستمر دور الليزر في قطع ولحام الصفائح المعدنية السميكة في النمو.

استخدام الليزر بقدرة 10 كيلوواط فأكثر في مجال الطيران والفضاء

تشمل أنظمة النقل الجوي والفضاء بشكل أساسي الصواريخ والطائرات التجارية، حيث يُعدّ تقليل الوزن أحد الاعتبارات الرئيسية. ويفرض هذا متطلبات جديدة على قطع ولحام سبائك الألومنيوم والتيتانيوم. وتُعدّ تقنية الليزر ضرورية لتحقيق عمليات تجميع عالية الدقة في اللحام والقطع. وقد أدى ظهور الليزر عالي الطاقة (أكثر من 10 كيلوواط) إلى تحسينات شاملة في مجال الطيران والفضاء من حيث جودة القطع وكفاءته وتكامله الذكي.

في عملية تصنيع صناعة الطيران، توجد العديد من المكونات التي تتطلب القطع واللحام، بما في ذلك غرف احتراق المحركات، وهياكل المحركات، وهياكل الطائرات، وألواح الجناح الخلفي، والهياكل الخلوية، والمراوح الرئيسية للمروحيات. وتخضع هذه المكونات لمتطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بوصلات القطع واللحام.

تستخدم شركة إيرباص تقنية الليزر عالي الطاقة منذ فترة طويلة. ففي تصنيع طائرة A340، تُلحم جميع الحواجز الداخلية المصنوعة من سبائك الألومنيوم باستخدام الليزر. وقد تحقق تقدم كبير في لحام هياكل الطائرات وأعمدتها باستخدام الليزر، وهو ما تم تطبيقه في طائرة إيرباص A380. وقد أجرت الصين بنجاح رحلات تجريبية للطائرة الكبيرة C919 المصنعة محلياً، ومن المقرر تسليمها هذا العام. وهناك أيضاً مشاريع مستقبلية، مثل تطوير طائرة C929. ومن المتوقع أن يكون لليزر دورٌ بارز في تصنيع الطائرات التجارية مستقبلاً.

يمكن لتكنولوجيا الليزر أن تساعد في بناء منشآت الطاقة النووية بشكل آمن

الطاقة النووية شكل جديد من أشكال الطاقة النظيفة، وتمتلك الولايات المتحدة وفرنسا أحدث التقنيات في بناء محطات الطاقة النووية. تُساهم الطاقة النووية بنحو 70% من إمدادات الكهرباء في فرنسا، وقد تعاونت الصين مع فرنسا في المراحل الأولى من إنشاء محطات الطاقة النووية. تُعدّ السلامة أهم جانب في محطات الطاقة النووية، وتتضمن العديد من المكونات المعدنية ذات الوظائف الوقائية التي تتطلب القطع أو اللحام.

تم تطبيق تقنية اللحام بالقوس الكهربائي المغناطيسي (MAG) الذكية والمتطورة محلياً في الصين على نطاق واسع في بطانة القبة الفولاذية وبطانة الأنبوب في الوحدتين 7 و8 بمحطة تيانوان للطاقة النووية. ويجري حالياً تجهيز أول روبوت لحام اختراقي من الدرجة النووية.

تماشياً مع توجهات تطوير الليزر، أطلقت شركة Teyu جهاز CWFL-60000 فائق الطاقة مبرد ليزر الألياف .

واكبت شركة Teyu تطورات تقنية الليزر، وقامت بتطوير وإنتاج جهاز تبريد ليزر الألياف فائق الطاقة CWFL-60000، والذي يوفر تبريد مستقر لمعدات الليزر بقدرة 60 كيلو واط بفضل نظام التحكم المزدوج المستقل في درجة الحرارة، فإنه قادر على تبريد كل من رأس الليزر ذي درجة الحرارة العالية ومصدر الليزر ذي درجة الحرارة المنخفضة، مما يوفر خرجًا مستقرًا لمعدات الليزر ويضمن بشكل فعال التشغيل السريع والفعال لآلات قطع الليزر عالية الطاقة.

أدى التطور الهائل في تكنولوجيا الليزر إلى ظهور سوق واسعة لمعدات معالجة الليزر. ولا سبيل للبقاء في الصدارة في ظل المنافسة الشديدة في هذا السوق إلا باستخدام الأدوات المناسبة. ومع تزايد الحاجة إلى التحول والتطوير في التطبيقات المتطورة، كصناعات الطيران والفضاء، وبناء السفن، والطاقة النووية، يتزايد الطلب على معالجة صفائح الفولاذ السميكة، وستساهم أشعة الليزر عالية الطاقة في تسريع نمو هذه الصناعة. وفي المستقبل، ستُستخدم أشعة الليزر فائقة الطاقة، التي تتجاوز قدرتها 30,000 واط، بشكل رئيسي في قطاعات الصناعات الثقيلة، مثل طاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، والطاقة النووية، وبناء السفن، وآلات التعدين، وصناعة الطيران والفضاء.