การเข้าใจศักยภาพของเครื่องตัดด้วยเลเซอร์ในอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังการตัดด้วยเลเซอร์อุตสาหกรรม

เอ เครื่องตัดเลเซอร์ สร้างลำแสงที่มีความเข้มสูงซึ่งถูกโฟกัสไว้ — โดยทั่วไปจะมาจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์ในระบบอุตสาหกรรมรุ่นใหม่ — ซึ่งรวมพลังงานไว้ที่จุดโฟกัสที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50–100 ไมครอน ที่จุดโฟกัสนี้ ความหนาแน่นของพลังงานจะอยู่ที่ประมาณ 1–10 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเพียงพอที่จะละลายหรือระเหยโลหะภายในไม่กี่ไมโครวินาทีหลังจากลำแสงสัมผัสพื้นผิว กระบวนการตัดใช้ก๊าซช่วย — ใช้ออกซิเจนกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเอกโซเทอร์มิกที่ทำให้ความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า หรือใช้ไนโตรเจนกับเหล็กกล้าไร้สนิมและอลูมิเนียมเพื่อขับวัสดุที่ละลายออกโดยไม่เกิดการออกซิเดชัน

แหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์ได้แทนที่เลเซอร์ CO₂ ในการตัดอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ เนื่องจากสามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าขาเข้าประมาณร้อยละ 30–40 ให้เป็นพลังงานเลเซอร์ขาออก เมื่อเทียบกับร้อยละ 10–15 ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ CO₂ ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นนี้ช่วยลดการใช้ไฟฟ้า และทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนผสมก๊าซเลเซอร์ — ฮีเลียม ไนโตรเจน และ CO₂ — ซึ่งระบบ CO₂ ต้องใช้ในการสร้างลำแสง การบำรุงรักษาจึงเปลี่ยนจากการจัดการก๊าซและการปรับแนวกระจกไปเป็นการเปลี่ยนโมดูลไดโอดเป็นครั้งคราว โดยทั่วไปหลังจากรวมเวลาทำงาน 50,000–100,000 ชั่วโมง

ผู้ผลิตอุปกรณ์ก่อสร้างที่ผลิตชิ้นส่วนสำหรับเครื่องขุดดินได้อัปเกรดจากระบบเลเซอร์ CO₂ ไปเป็นเลเซอร์ไฟเบอร์ หลังจากคำนวณแล้วพบว่าความเร็วในการตัดที่สูงขึ้นของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์บนเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำความหนา 6–10 มม. — ซึ่งเร็วกว่าประมาณร้อยละ 40–60 — จะช่วยคืนทุนส่วนต่างของค่าใช้จ่ายลงทุนครั้งแรกภายใน 14 เดือนผ่านการเพิ่มปริมาณการผลิต ทั้งนี้ การยกเลิกการเติมก๊าซเลเซอร์ยังช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายวัสดุสิ้นเปลืองได้ปีละ 12,000 ดอลลาร์สหรัฐ

ช่วงความสามารถในการตัดวัสดุ

ประสิทธิภาพการตัดโลหะเฟอร์รัส

สายใย เครื่องตัดเลเซอร์ การทํางานที่ 1 3kW ตัดเหล็กอ่อนความหนาถึง 12 16 มม. ด้วยก๊าซช่วยออกซิเจน, ผลิตขอบที่สะอาดและสี่เหลี่ยม เหมาะสําหรับการปั๊มโดยไม่ต้องเตรียมการระดับรอง ไซเซ็นปฏิกิริยากับเหล็กหลอมในปฏิกิริยา exothermic ที่มีส่วนร่วมประมาณ 60% ของพลังงานการตัด, ประสิทธิภาพการปรับความเร็วการตัดเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับการตัดด้วยไนโตรเจนที่ช่วยในระดับพลังงานเดียวกัน

การตัดเหล็กไร้ขัดใช้แก๊สช่วยไนโตรเจนเพื่อป้องกันการออกซิเดชั่นที่ขอบตัด โดยรักษาชั้นเฉียบเฉยของโครมัมโอกไซด์ที่ให้ความทนทานต่อการกัดกร่อน การตัดไนโตรเจนของเหล็กไร้ขัดเหล็กที่ 3kW ปกติจะบรรลุการตัดที่สะอาดผ่านความหนา 8 10 มม.

ความสามารถในการตัดความหนาของเหล็กคาร์บอนปรับขนาดเกือบเส้นตรงกับพลังงานเลเซอร์ถึงประมาณ 6kW หลังจากนั้นความสัมพันธ์จะชื้นลงเพราะก๊าซช่วยไม่สามารถขับเคลื่อนวัสดุหลอมจากขอบที่หนามากขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความหนาสูงสุดในการใช้ในการตัดเลเซอร์ใยเหล็กคาร์บอนในสภาพการผลิตประมาณ 2530 มม.

ข้อพิจารณาสำหรับโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก

อลูมิเนียมมีสองปัญหา คือ การนําความร้อนสูงจะนําความร้อนออกไปจากบริเวณตัดอย่างรวดเร็ว และการสะท้อนแสงที่สูงในความยาวคลื่นของเลเซอร์ไฟเบอร์ (ประมาณ 1070nm) สามารถสะท้อนพลังงานรังสีเข้าไปในระบบออทติก ไฟเบอร์เลเซอร์สมัยใหม่มีระบบป้องกันการสะท้อนกลับ ที่ตรวจสอบพลังงานที่สะท้อนกลับ และลดพลังงานหรือตัดรังสีโดยอัตโนมัติ

การตัดทองแดงและทองเหลืองที่ความยาวคลื่นของเลเซอร์ไฟเบอร์เป็นไปได้ในระบบที่มีคุณภาพลำแสงปรับให้เหมาะสมกับวัสดุที่สะท้อนแสง ตัวแปรสำคัญคือผลคูณพารามิเตอร์ลำแสง (BPP) ซึ่งเป็นตัววัดความสามารถในการโฟกัส โดยค่า BPP ที่ต่ำกว่าจะสามารถสร้างความหนาแน่นพลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะการนำความร้อนของทองแดงได้ ทองแดงที่มีความหนาไม่เกิน 4–6 มม. สามารถตัดได้ด้วยเลเซอร์กำลัง 3 กิโลวัตต์ในระบบที่มีค่า BPP ต่ำกว่า 2 มม.·มิลลิเรเดียน

พารามิเตอร์คุณภาพของการตัด

ความกว้างของรอยตัด (Kerf Width) และความแม่นยำด้านมิติ (Dimensional Accuracy)

รอยตัด (kerf) หรือความกว้างของวัสดุที่ถูกขจัดออกโดยลำแสงเลเซอร์ โดยทั่วไปมีค่าอยู่ระหว่าง 0.15–0.5 มม. ขึ้นอยู่กับความหนาของวัสดุ กำลังเลเซอร์ และตำแหน่งโฟกัส ความกว้างของรอยตัดกำหนดขนาดคุณลักษณะภายในขั้นต่ำที่สามารถตัดได้: ช่องที่แคบกว่าประมาณ 1.5 เท่าของความกว้างรอยตัดจะไม่สามารถตัดได้ เนื่องจากลำแสงจะขจัดวัสดุจากทั้งสองด้านพร้อมกัน ทำให้เกิดเป็นรอยตัดเดียวแทนที่จะเป็นขอบขนานสองเส้น

ความแม่นยำด้านมิติของเครื่องตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นใหม่สามารถทำได้ที่ ±0.05–0.1 มม. สำหรับวัสดุบาง (หนา 1–3 มม.) และ ±0.1–0.3 มม. สำหรับวัสดุที่หนากว่า (หนา 6–12 มม.) การบิดงอจากความร้อน — ซึ่งเกิดจากการขยายตัวและหดตัวของแผ่นวัสดุระหว่างการตัด — จะกลายเป็นข้อจำกัดหลักด้านความแม่นยำเมื่อความหนาของวัสดุเกินประมาณ 10 มม. เนื่องจากโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจะแผ่ขยายออกไปไกลจากขอบรอยตัดมากขึ้น

คุณภาพของขอบรอยตัดและการดำเนินการขั้นที่สอง

ขอบรอยตัดด้วยเลเซอร์บนเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ใช้ก๊าซออกซิเจนช่วยในการตัด จะมีชั้นออกไซด์บางๆ ซึ่งจำเป็นต้องกำจัดออกก่อนการพ่นสีหรือเคลือบผง ในขณะที่ขอบรอยตัดบนสแตนเลสและอลูมิเนียมที่ตัดด้วยเลเซอร์โดยใช้ก๊าซไนโตรเจนนั้นสามารถพ่นสีได้ทันทีโดยไม่ต้องทำความสะอาด ความหยาบของขอบรอยตัด (Rz) โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 10–30 ไมครอน เมื่อใช้พารามิเตอร์ที่ปรับแต่งให้เหมาะสม ซึ่งเทียบเคียงได้กับพื้นผิวที่ผ่านการกลึงแล้ว และต้องการการเตรียมพื้นผิวก่อนการเชื่อมเพียงเล็กน้อย

โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) — คือบริเวณที่คุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการตัด — มีความกว้าง 0.1–0.3 มม. จากขอบที่ถูกตัดในวัสดุบาง และ 0.3–0.8 มม. ในส่วนที่หนากว่า โซน HAZ ที่แคบช่วยลดการให้ความร้อนหลังการตัดซึ่งอาจจำเป็นสำหรับส่วนที่หนาหลังการตัดด้วยพลาสมา ซึ่งโดยทั่วไปมีโซน HAZ กว้าง 2–4 มม.

คำถามที่พบบ่อย

เครื่องตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 3 กิโลวัตต์สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำได้หนาเท่าใด

เครื่องตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 3 กิโลวัตต์สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำได้สูงสุด 12–16 มม. โดยใช้ก๊าซออกซิเจนเป็นก๊าซช่วย และตัดได้สูงสุด 6–8 มม. โดยใช้ก๊าซไนโตรเจนเพื่อให้ได้ขอบที่ไม่มีออกไซด์ ความเร็วในการตัดลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามความหนาของวัสดุ — ตัวอย่างเช่น การตัดวัสดุหนา 16 มม. มีความเร็วประมาณ 0.6–0.8 เมตรต่อนาที เมื่อเทียบกับ 3–4 เมตรต่อนาที สำหรับวัสดุหนา 3 มม.

เลเซอร์ไฟเบอร์เปรียบเทียบกับเลเซอร์ CO₂ อย่างไรสำหรับการตัดในอุตสาหกรรม

เลเซอร์ไฟเบอร์มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานไฟฟ้าสูงกว่า 2–3 เท่า (30–40% เทียบกับ 10–15%) ตัดวัสดุบางถึงปานกลางได้เร็วกว่า ไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซเลเซอร์ และบำรุงรักษาน้อยกว่า เลเซอร์ CO₂ ยังคงมีข้อได้เปรียบด้านคุณภาพขอบตัดสำหรับวัสดุที่หนาเกิน 15 มม. เนื่องจากลักษณะการดูดกลืนลำแสงที่แตกต่างกัน

ก๊าซช่วยตัดแบบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการตัดสแตนเลสด้วยเลเซอร์

ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ 99.95% ขึ้นไปให้ขอบตัดที่เงาและปราศจากออกไซด์บนสแตนเลส โดยไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดหลังการตัด การตัดด้วยออกซิเจนเร็วกว่า แต่ทิ้งคราบออกไซด์ไว้ที่ขอบตัด ซึ่งต้องกำจัดออกก่อนการเชื่อมหรือเคลือบพื้นผิว เครื่องตัดด้วยเลเซอร์ CNC ของ Rayman รองรับการเลือกก๊าซอัตโนมัติและการควบคุมแรงดันก๊าซทั้งสองชนิด

เครื่องตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์สามารถประมวลผลวัสดุที่สะท้อนแสง เช่น อลูมิเนียมและทองแดงได้หรือไม่

ได้ ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นใหม่ที่มีระบบป้องกันการสะท้อนกลับสามารถตัดอลูมิเนียมได้สูงสุด 12–16 มม. (กำลัง 3 กิโลวัตต์) และทองแดงได้สูงสุด 4–6 มม. ระบบที่มีค่าผลคูณพารามิเตอร์ลำแสง (BPP) ต่ำกว่า 2 มม.·มิลลิเรเดียน จะให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นสำหรับวัสดุที่สะท้อนแสง

เลเซอร์ไฟเบอร์เครื่องตัดต้องการการบำรุงรักษาอะไรบ้าง

ทำความสะอาดหรือเปลี่ยนเลนส์ป้องกันทุก 200–500 ชั่วโมง หล่อลื่นรางคู่มือเชิงเส้นสัปดาห์ละหนึ่งครั้ง เปลี่ยนไส้กรองก๊าซช่วยเดือนละหนึ่งครั้ง และเปลี่ยนของเหลวหล่อเย็นในเครื่องทำความเย็นทุกปี แหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์โดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาเป็นเวลา 50,000 ชั่วโมงขึ้นไป ก่อนที่จะต้องซ่อมแซมโมดูลไดโอด

ชิ้นส่วนที่ตัดด้วยเลเซอร์มีความแม่นยำเพียงใดเมื่อเทียบกับชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการกลึง

การตัดด้วยเลเซอร์ให้ความแม่นยำเชิงมิติอยู่ที่ ±0.05–0.3 มม. (ขึ้นอยู่กับวัสดุ) ซึ่งเพียงพอสำหรับชิ้นส่วนที่พร้อมเชื่อมโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการกลึงเพิ่มเติม ขณะที่ความคลาดเคลื่อนที่แท้จริงของการกลึง (±0.01–0.02 มม.) ยังคงอยู่เหนือขีดความสามารถของเลเซอร์ — ดังนั้น ชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำระดับนี้จึงจำเป็นต้องผ่านกระบวนการกลึงหลังการตัด ไม่ว่าจะใช้วิธีการตัดแบบใดก็ตาม