การตัดด้วยเลเซอร์สำหรับโลหะ: คู่มือมืออาชีพ

หลักการทำงานของการตัดด้วยเลเซอร์: หลักการและองค์ประกอบหลัก

กระบวนการตัดด้วยเลเซอร์: การสร้างลำแสง, การโฟกัส, การหลอมละลาย, และการขจัดวัสดุ

การตัดโลหะด้วยเลเซอร์โดยทั่วไปมีกระบวนการ 4 ขั้นตอน ซึ่งน่าสนใจมากเมื่อเราได้ศึกษารายละเอียดลงไป ขั้นตอนแรกเริ่มต้นด้วยการสร้างลำแสงที่มีกำลังสูงจากเลเซอร์เรโซเนเตอร์ (laser resonator) ซึ่งจะถูกเพิ่มพลังงานต่อโดยใช้ก๊าซผสม CO2 หรือสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกพิเศษ สิ่งที่เกิดขึ้นในขั้นตอนต่อไปนั้นน่าทึ่งมาก เลนส์ที่มีความแม่นยำสูงจะทำหน้าที่รวมลำแสงให้เป็นจุดที่เล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ ประมาณ 0.1 มิลลิเมตร เมื่ออยู่ในระดับความเข้มข้นนี้ ความหนาแน่นของพลังงานจะสูงกว่า 10 ล้านวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนละลายภายในเวลาเพียงครึ่งมิลลิวินาทีเท่านั้น ตามข้อมูลจากการวิจัยล่าสุดจากวารสาร Journal of Manufacturing Processes เพื่อให้การตัดสมบูรณ์ ระบบจะใช้ก๊าซเสริม เช่น ออกซิเจนหรือไนโตรเจน เป่าเอาโลหะที่ละลายออก ทำให้สามารถตัดชิ้นงานได้ในร่องที่แคบมาก แม้แต่ในแผ่นสแตนเลสที่หนา 3 มิลลิเมตร ก็สามารถตัดให้ได้ความกว้างของรอยตัด (Kerf width) เล็กเพียง 0.15 มิลลิเมตรเท่านั้น

องค์ประกอบหลักของเครื่องตัดเลเซอร์สำหรับโลหะ (แหล่งกำเนิดเลเซอร์, อุปกรณ์ทางแสง, หัวตัด, ก๊าซเสริม, ระบบ CNC)

ระบบหลักทั้งห้าทำงานร่วมกันเพื่อให้เกิดความแม่นยำและมีประสิทธิภาพสูงสุด ได้แก่

• แหล่งเลเซอร์ (ไฟเบอร์หรือ CO2) แปลงพลังงานไฟฟ้า 25−45% ให้เป็นแสงที่ใช้งานได้
• ระบบส่งลำแสงใช้กระจกสะท้อนที่มีอัตราการสะท้อน 99.9% เพื่อรักษาคุณภาพของลำแสง
• หัวตัดที่มีเลนส์ปรับโฟกัสอัตโนมัติ ปรับตัวตามความหนาของวัสดุทีละ ±0.005 มม.
• ระบบก๊าซหลายขั้นตอนควบคุมแรงดันก๊าซช่วยในการตัดสูงสุดถึง 25 บาร์
• ระบบ CNC (Computer Numerical Control) ควบคุมเส้นทางการตัดด้วยความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งระดับ 5 ไมครอน

การผนวกรวมกันนี้ช่วยให้สามารถตัดเหล็กกล้าที่มีความหนา 1 มม. ได้ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 60 เมตรต่อนาที พร้อมรักษาความคลาดเคลื่อนไว้ที่ ±0.05 มม.—ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์และอากาศยานที่ต้องการความแม่นยำสูง

ประเภทของเลเซอร์สำหรับการตัดโลหะ: เปรียบเทียบ CO2 กับ Fiber

อุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนโลหะในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์หลักสามประเภท ได้แก่ ระบบเลเซอร์ CO2, เลเซอร์ไฟเบอร์ และระบบเลเซอร์ที่ใช้ผลึกเป็นหลัก เลเซอร์ CO2 มักใช้สำหรับตัดโลหะไม่เป็นสนิมที่มีความหนาได้ค่อนข้างดี เนื่องจากใช้ก๊าซในการกระตุ้น ส่วนเลเซอร์ไฟเบอร์ได้เข้ามามีบทบาทแทนที่ระบบอื่นในตลาดสำหรับงานแผ่นโลหะบางถึงปานกลาง เนื่องจากสามารถเพิ่มกำลังแสงไดโอดผ่านเส้นใยแก้วนำแสง ตามข้อมูลล่าสุดจากรายงานอุตสาหกรรมเลเซอร์ปี 2024 เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถตัดสแตนเลสที่หน้า 3 มม. ได้เร็วขึ้นประมาณสองถึงสามเท่าเมื่อเทียบกับระบบ CO2 แบบดั้งเดิม ส่วนเลเซอร์ผลึกที่รวมถึงแบบ Nd:YAG มักถูกใช้งานเฉพาะทางมาก เช่น การตัดไทเทเนียม แม้ว่าเทคโนโลยีเหล่านี้จะไม่ค่อยเติบโตในปัจจุบัน เนื่องจากต้องการการบำรุงรักษาและดูแลรักษาอย่างต่อเนื่อง

เลเซอร์ไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน:

• ความแม่นยำ : ให้ความกว้างรอยตัด 0.1 มม. เมื่อเทียบกับ 0.3–0.5 มม. ของระบบ CO2
• ประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน : ใช้พลังงานน้อยลง 30% เมื่อเทียบกับระบบ CO2
• การบำรุงรักษา : ไม่จำเป็นต้องปรับจูนกระจกใหม่หรือเติมก๊าซ

*คำนวณจากระบบ 500kW การทำงาน 24/5 วัน

สำหรับผู้ผลิตที่ตัดโลหะหนาน้อยกว่า 20 มม. เลเซอร์ไฟเบอร์มีระยะเวลาคืนทุนภายใน 18–24 เดือน จากการลดการใช้สิ้นเปลือง และสามารถใช้งานได้ 94% ของเวลาทั้งหมด (ผลการศึกษาเศรษฐศาสตร์อุตสาหกรรมโลหะ 2024) แม้ว่าระบบเลเซอร์ CO2 จะยังเหมาะสำหรับโรงงานที่ใช้วัสดุหลากหลายประเภท เช่น อะคริลิก หรือไม้ แต่ระบบเหล่านี้จะใช้พลังงานมากกว่า 50–70% ต่อการตัดโลหะแต่ละครั้ง

โลหะที่สามารถตัดด้วยเครื่องเลเซอร์ได้: จากเหล็กกล้าจนถึงทองแดง

โลหะที่ใช้บ่อยที่สุดในการตัดด้วยเลเซอร์: สแตนเลส, อลูมิเนียม, เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ, ทองเหลือง และทองแดง

การตัดด้วยเลเซอร์เหมาะกับโลหะที่นำความร้อนได้สม่ำเสมอและสามารถดูดซับพลังงานเลเซอร์ในอัตราที่คาดการณ์ได้ วัสดุเช่น สแตนเลสเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (mild steel) อลูมิเนียม ทองเหลือง และทองแดง อยู่ในกลุ่มนี้ สแตนเลสโดดเด่นเพราะไม่เป็นสนิมง่าย จึงนิยมใช้มากในอุปกรณ์ทางการแพทย์และเครื่องจักรสำหรับแปรรูปอาหาร ซึ่งความสะอาดมีความสำคัญอย่างมาก อลูมิเนียมมีน้ำหนักเบา จึงเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องบินและรถยนต์ เพราะการลดน้ำหนักเพียงแค่บางส่วนก็สามารถเพิ่มสมรรถนะได้อย่างชัดเจน ทองเหลืองและทองแดงไม่ค่อยถูกนำมาตัดด้วยเลเซอร์บ่อยนัก แต่ยังมีบทบาทสำคัญในระบบไฟฟ้า แม้จะสร้างความยุ่งยากให้กับผู้ใช้งาน โลหะเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะสะท้อนลำแสงเลเซอร์ ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานจึงต้องใช้อุปกรณ์และเทคนิคพิเศษเพื่อให้ได้รอยตัดที่สะอาด โดยไม่ทำให้บริเวณรอบๆ เสียหาย

ความท้าทายในการตัดโลหะสะท้อนแสง: เหตุใดทองแดงและทองเหลืองจึงต้องการพารามิเตอร์พิเศษในระบบเลเซอร์ไฟเบอร์

เมื่อทำงานกับวัสดุทองแดงและทองเหลือง จะมีปัญหาใหญ่เนื่องจากวัสดุเหล่านี้สะท้อนพลังงานเลเซอร์อินฟราเรดกลับมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ การสะท้อนนี้อาจส่งผลให้เกิดความเสียหายกับตัวเลเซอร์เอง หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม นี่จึงเป็นจุดที่เลเซอร์ไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญ เนื่องจากเลเซอร์ไฟเบอร์ทำงานที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าประมาณ 1,060 นาโนเมตร และมีคุณสมบัติที่เรียกว่าการปรับโมดูเลตพลังงานแบบปรับตัว (adaptive power modulation) ซึ่งช่วยควบคุมการทำงานได้ ยกตัวอย่างเช่น การตัดแผ่นทองแดงที่มีความหนา 2 มิลลิเมตร กระบวนการนี้ต้องการอัตราการพัลส์สูงกว่า 500 เฮิรตซ์ รวมทั้งต้องใช้ก๊าซไนโตรเจนช่วยในการตัดเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันระหว่างการตัด แม้ว่าขั้นตอนเพิ่มเติมเหล่านี้จะทำให้ใช้พลังงานมากขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการตัดเหล็ก แต่ผู้ผลิตส่วนใหญ่ยังคงเห็นว่าการลงทุนนี้คุ้มค่า เพื่อรักษาความแม่นยำและปกป้องอุปกรณ์ที่มีมูลค่าสูง

ข้อพิจารณาเกี่ยวกับความหนาและคุณภาพของวัสดุในการประยุกต์ใช้การตัดด้วยเลเซอร์

ความหนาของวัสดุที่นำมาใช้งานมีผลอย่างมากต่อความเร็วในการตัดและปริมาณพลังงานที่ใช้ในกระบวนการ ตัวอย่างเช่น เมื่อต้องทำงานกับเหล็กอ่อนที่หนา 5 มม. ความเร็วประมาณ 8 เมตรต่อนาทีจะให้ผลลัพธ์ที่ดี แต่เมื่อต้องเผชิญกับเหล็กที่หนามากขึ้น เช่น 20 มม. ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องลดความเร็วลงอย่างมากเหลือประมาณ 1.2 เมตรต่อนาที เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดรอยบิดที่ขอบชิ้นงานที่รบกวนจิตใจ สิ่งที่หลายคนมักมองข้ามคือการเตรียมพื้นผิว จุดสนิมหรือการเคลือบผิวที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้ลำแสงเลเซอร์เบี่ยงเบนไปได้ถึง 0.5 มิลลิเมตร ซึ่งนำไปสู่ปัญหาเกี่ยวกับมิติในขั้นตอนต่อไป การทำความสะอาดพื้นผิวเคลือบก่อนเริ่มต้นทำงานนั้นมีความแตกต่างอย่างมาก ข้อมูลจากอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า ขั้นตอนง่ายๆ นี้สามารถเพิ่มความสม่ำเสมอในการตัดได้ประมาณร้อยละ 30 และยังช่วยลดเศษตกค้างที่รบกวนการแปรรูปในขั้นตอนถัดไปอีกด้วย

เลเซอร์ไฟเบอร์ตัดโลหะ: เหตุใดจึงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในการแปรรูปโลหะ

ประสิทธิภาพอันยอดเยี่ยมของเลเซอร์ไฟเบอร์ในการตัดเหล็กและอลูมิเนียมด้วยความแม่นยำและความเร็วสูง

เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถตัดวัสดุได้เร็วประมาณสามเท่าของระบบ CO2 แบบดั้งเดิม โดยยังสามารถควบคุมความคลาดเคลื่อนให้อยู่ในระดับประมาณ 0.1 มม. บนวัสดุที่ยากต่อการตัด เช่น แผ่นเหล็กสแตนเลสและอลูมิเนียม โครงสร้างแบบ solid state ของเลเซอร์ชนิดนี้ทำให้ใช้พลังงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่น ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้การตัดมีความสะอาด โดยวัสดุจะละลายไปแทนที่จะไหม้เกรียม และยังมีความร้อนที่ส่งผลต่อพื้นที่รอบข้างน้อยมาก หากพิจารณาจากตัวเลขจริงจากโรงงานผลิตทั่วประเทศ บริษัทต่างๆ รายงานว่าประหยัดได้ระหว่าง 18 ถึง 22 เซนต์ต่อชิ้นงานสำหรับโลหะที่มีความหนาน้อยกว่า 25 มม. ไม่น่าแปลกใจเลยที่ร้านตัดโลหะแผ่นจำนวนมากในปัจจุบันกำลังเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ไฟเบอร์สำหรับการผลิตจำนวนมาก

กรณีศึกษา: การตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ (การใช้งานกับเหล็กกล้าคาร์บอน)

ผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์รายใหญ่รายหนึ่งสามารถลดเวลาการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างตัวถังได้เกือบครึ่งหลังจากเปลี่ยนมาใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 6 กิโลวัตต์สำหรับการตัดแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีความหนา 2 ถึง 8 มิลลิเมตร สิ่งที่น่าประทับใจเป็นพิเศษคือระบบที่ว่านี้แทบจะขจัดขั้นตอนการกำจัดเศษคมที่จำเป็นต้องทำเพิ่มเติมออกไปได้เลย เนื่องจากให้รอยตัดที่สะอาดปราศจากเศษเหล็กหลอมเย็นติดเหลือไว้ ค่าความหยาบผิว (Ra) ที่ได้จะอยู่ที่ประมาณ 3.2 ไมครอน ซึ่งถือว่าเรียบเนียนมาก สำหรับผู้ผลิตที่ต้องแข่งกับเวลาและกำหนดการที่แน่นอนแล้ว ความแม่นยำระดับนี้มีความสำคัญอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผู้ผลิตรถยนต์ต้องเผชิญกับข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งทุกๆ กรัมมีความสำคัญ และค่าความคลาดเคลื่อนยอมรับได้เพียงเล็กน้อย

การวิเคราะห์แนวโน้ม: การใช้งานเลเซอร์ไฟเบอร์เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างอลูมิเนียม

บริษัทด้านอากาศศาสตร์มากขึ้นและมากขึ้นเริ่มเปลี่ยนไปใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ เมื่อทํางานกับส่วนโครงสร้างอลูมิเนียม เช่นส่วนที่ใช้สําหรับปีกและส่วนของร่างเครื่องบินที่ทําจากสับสนธิ 7075-T6 เหตุผล? เลเซอร์เหล่านี้ทํางานที่ความยาวคลื่นประมาณ 1,070 nm ซึ่งช่วยลดปัญหาเกี่ยวกับการสะท้อนของวัสดุ นั่นหมายความว่าพวกมันสามารถตัดแผ่นหนา 10 มิลลิเมตรได้อย่างต่อเนื่อง ในความเร็วประมาณ 15 เมตรต่อนาที โดยรักษาความแตกต่างของความหนาต่ํากว่า 0.5% ถ้าเราดูแนวโน้มล่าสุด เกือบ 9 ใน 10 แบบการออกแบบเครื่องบินใหม่ ในปัจจุบัน ผลลัพธ์ก็คือ การมีระบบเลเซอร์ไฟเบอร์ที่ดี เป็นสิ่งจําเป็นมาก หากผู้ผลิตต้องการตอบสนองความต้องการคุณภาพอย่างเข้มงวดของ AS9100 ที่เป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรมอากาศ

การปรับแต่งพารามิเตอร์การตัดเลเซอร์ตามประเภทของโลหะ

เหล็กกล้าไร้สนิม: การได้รับรอยตัดที่สะอาดปราศจากออกไซด์โดยใช้ไนโตรเจนเป็นก๊าซช่วยในการตัด

ไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นก๊าซช่วยที่เฉื่อยต่อวัสดุภายใต้ความดันระหว่าง 12 ถึง 20 บาร์ เพื่อรักษาคุณสมบัติของวัสดุให้ต้านทานการกัดกร่อน เมื่อกระบวนการนี้เกิดขึ้น จะช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชัน และทำให้ได้รอยตัดที่สะอาด ซึ่งชิ้นส่วนเหล่านี้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือชิ้นส่วนที่ใช้ในอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร ตัวอย่างเช่น แผ่นสแตนเลสเกรด 304 ที่มีความหนา 6 มม. เมื่อใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 2 กิโลวัตต์ ตัดที่ความเร็วประมาณ 10 ถึง 12 เมตรต่อนาที โดยปกติเราจะได้พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (Heat Affected Zone) ไม่เกิน 0.1 มม. ตามรายงานที่เผยแพร่ล่าสุดในรายงาน Metal Fabrication Report ปี 2024 การเปลี่ยนจากการใช้กระบวนการที่ใช้ออกซิเจนมาเป็นการใช้ไนโตรเจนช่วย สามารถลดต้นทุนการตกแต่งเพิ่มเติมได้ประมาณหนึ่งในสาม ค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ควรทราบ ได้แก่

• พลังงาน : 1.8–2.2 กิโลวัตต์
• ระยะห่างของหัวฉีด : 0.8–1.2 มม.
• ตำแหน่งจุดโฟกัส : -0.5 มม. (ใต้ผิวหน้า)

อลูมิเนียม: การจัดการการสะท้อนและความนำความร้อนเพื่อให้ได้รอยตัดที่สม่ำเสมอ

อลูมิเนียมมีค่าการสะท้อนแสงสูง (85–92% ที่ความยาวคลื่น 1µm) จึงจำเป็นต้องใช้โหมดเลเซอร์แบบพัลส์เพื่อป้องกันการเบี่ยงเบนของลำแสง เลเซอร์ไฟเบอร์ 4 กิโลวัตต์สามารถตัดอลูมิเนียม 6061-T6 หนา 8 มม. ได้ที่ความเร็ว 15 เมตร/นาที โดยใช้อากาศอัดที่ความดัน 6–8 บาร์ เพื่อจัดการกับการนำความร้อน:

1. เพิ่มเวลาเจาะ (500–700 มิลลิวินาที สำหรับแผ่นหนา 5 มม.)
2. ใช้เส้นทางการเจาะและตัดแบบเกลียวเพื่อกระจายความร้อน
3. ใช้สารเคลือบป้องกันการสะท้อนแสง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานลง 18%

วิธีการนี้ทำให้ได้ความแม่นยำ ±0.05 มม. เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น ถาดแบตเตอรี่รถยนต์

เหล็กกล้าคาร์บอน: การควบคุมสมดุลระหว่างความเร็วในการตัดและการเกิดออกซิเดชันเพื่อให้ได้คุณภาพขอบตัดที่ดีที่สุด

การตัดด้วยออกซิเจนเป็นมาตรฐานสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่หนามากกว่า 3 มม. โดยปฏิกิริยาเอกซอทอร์มิกช่วยเพิ่มความเร็วในการตัดได้ถึง 40% สำหรับเหล็ก S355JR หนา 10 มม. ที่ใช้กำลัง 3 กิโลวัตต์ ความเร็วสามารถอยู่ที่ 8–10 เมตร/นาที อย่างไรก็ตาม การเกิดออกซิเดชันมากเกินไปอาจทำให้เกิดสลาค (slag) ที่ด้านล่าง การจัดการที่มีประสิทธิภาพรวมถึง:

• การปรับปรุงความดันก๊าซ : ออกซิเจน 0.8–1.2 บาร์
• การควบคุมสลาค : รักษาระยะห่างไว้ที่ 0.8–1.2 มม.
• คุณภาพของรอยตัด : ให้ค่า Ra 12.5 µm ที่รอบการทำงาน 95%

สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้าง เช่น คานตัวไอ (I-beams) การใช้วิธีผสมผสานระหว่างการตัดด้วยออกซิเจนและการตัดด้วยไนโตรเจนในขั้นตอนสุดท้าย จะช่วยให้เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 9013 ในเรื่องความแม่นยำด้านมิติและคุณภาพของรอยตัด

ส่วน FAQ

อะไรคือการตัดด้วยเลเซอร์?

การตัดด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่แม่นยำ โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีกำลังสูงเพื่อละลาย จุดไฟ หรือทำให้วัสดุระเหยเพื่อทำการตัด

ข้อดีของการใช้เลเซอร์ไฟเบอร์เมื่อเทียบกับเลเซอร์ CO2 คืออะไร

เลเซอร์ไฟเบอร์มีความแม่นยำสูงกว่า มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีกว่า และมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเลเซอร์ CO2

โลหะชนิดใดบ้างที่เหมาะสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์

โลหะเช่น สแตนเลส อัลูมิเนียม เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ทองเหลือง และทองแดง เหมาะสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ เนื่องจากมีคุณสมบัติในการนำความร้อนและสามารถดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้ดี

ความหนาของวัสดุมีผลต่อการตัดด้วยเลเซอร์อย่างไร

ความหนาของวัสดุส่งผลต่อความเร็วในการตัดและการใช้พลังงาน วัสดุที่หนาบ่อยครั้งจำเป็นต้องใช้ความเร็วในการตัดที่ช้าลงเพื่อป้องกันการบิดเบือนของขอบ