Cắt kim loại bằng tia laser thường tuân theo một quy trình bốn bước khá thú vị khi chúng ta phân tích kỹ. Toàn bộ quá trình bắt đầu với một bộ cộng hưởng laser tạo ra một tia mạnh, sau đó được khuếch đại thông qua hỗn hợp khí CO2 hoặc cáp quang đặc biệt. Điều gì xảy ra tiếp theo là rất đáng kinh ngạc. Các thấu kính siêu chính xác tập trung tia này thành một điểm nhỏ hơn cả sợi tóc, khoảng 0,1mm đường kính. Ở mức cường độ này, mật độ công suất đạt hơn 10 triệu watt trên mỗi centimet vuông, đủ để làm nóng chảy thép carbon trong vòng chưa đầy nửa mili giây, theo nghiên cứu gần đây từ Tạp chí Quy trình Chế tạo. Để hoàn tất công việc, khí hỗ trợ như oxy hoặc nitơ sẽ thổi bay kim loại đã nóng chảy, cho phép tạo ra các đường cắt cực kỳ mảnh. Chúng ta đang nói về độ rộng đường cắt (kerf) nhỏ tới 0,15mm ngay cả trên tấm thép không gỉ dày 3mm.
Năm hệ thống cốt lõi hoạt động đồng bộ để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất:
Sự tích hợp này cho phép tốc độ cắt lên đến 60m/phút trên thép mềm 1mm trong khi vẫn duy trì dung sai ±0,05mm—yếu tố thiết yếu đối với các bộ phận ô tô và hàng không đòi hỏi độ chính xác cao.
Ngành công nghiệp gia công kim loại hiện nay chủ yếu sử dụng ba công nghệ laser chính: hệ thống dựa trên CO2, fiber và tinh thể. Các máy laser CO2 thường xử lý khá tốt các kim loại không chứa sắt có độ dày lớn hơn vì chúng sử dụng khí để kích thích. Laser fiber đã chiếm lĩnh phần lớn thị trường dành cho các công việc cắt kim loại tấm mỏng đến trung bình vì chúng khuếch đại ánh sáng diode thông qua các sợi quang học. Theo những con số mới nhất từ Báo cáo Laser Công nghiệp 2024, laser fiber có thể cắt qua thép không gỉ dày 3mm với tốc độ nhanh gấp khoảng hai đến ba lần so với các hệ thống CO2 truyền thống. Các laser tinh thể bao gồm các mô hình Nd:YAG thường chỉ bị giới hạn trong những phân khúc rất cụ thể như cắt titan, tuy nhiên các hệ thống này hầu như không còn tăng trưởng nhiều nữa, chủ yếu là do chúng đòi hỏi nhiều bảo trì và chăm sóc.
Laser fiber mang lại những ưu điểm rõ rệt:
| Chỉ số hiệu năng | Laser sợi quang | Laser CO2 |
|---|---|---|
| Tốc độ cắt (thép 1mm) | 25 m/phút | 8 m/phút |
| Chi Phí Năng Lượng/Tháng* | $1,200 | $3,500 |
| Hỗ Trợ Tiêu Hao Khí | thấp hơn 15% | Tiêu chuẩn |
*Dựa trên hệ thống 500kW, hoạt động 24/5
Đối với các nhà sản xuất gia công kim loại dưới 20mm, laser sợi mang lại thời gian hoàn vốn trong 18–24 tháng nhờ giảm chi phí vật tư tiêu hao và hoạt động liên tục 94% (Nghiên cứu Kinh tế Chế biến Kim loại 2024). Trong khi các hệ thống CO2 vẫn phù hợp với các xưởng đa vật liệu xử lý mica hoặc gỗ, chúng tiêu thụ 50–70% năng lượng nhiều hơn cho mỗi lần cắt kim loại.
Cắt bằng tia laser hoạt động tốt nhất với các kim loại dẫn nhiệt đều và hấp thụ năng lượng laser ở tốc độ dự đoán được. Các vật liệu như thép không gỉ, nhôm, thép cacbon thấp, đồng thau và đồng đỏ thuộc nhóm này. Thép không gỉ nổi bật vì không dễ bị ăn mòn, đó là lý do vì sao chúng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị y tế và máy móc chế biến thực phẩm nơi yêu cầu vệ sinh cao. Trọng lượng nhẹ của nhôm khiến nó trở thành vật liệu ưa dùng trong ngành hàng không và ô tô, nơi việc giảm vài ounce cũng mang lại lợi ích đáng kể về hiệu suất. Đồng thau và đồng đỏ không thường được cắt bằng laser như các vật liệu khác, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện mặc dù gây ra nhiều khó khăn hơn trong quá trình gia công. Các kim loại này có xu hướng phản chiếu tia laser, vì vậy người vận hành cần thiết bị và kỹ thuật đặc biệt để đạt được các đường cắt sạch mà không làm hư hại các vùng xung quanh.
| Loại kim loại | Phạm vi độ dày điển hình | Các Khu vực Ứng dụng Chính |
|---|---|---|
| Thép không gỉ | 0,5–25 mm | Thiết bị y tế, máy móc chế biến thực phẩm |
| Nhôm | 0,5–20 mm | Tấm thân ô tô, bộ tản nhiệt |
| Đồng Đỏ | 0,5–8 mm | Bo mạch, bộ trao đổi nhiệt |
Khi làm việc với vật liệu đồng và đồng thau, sẽ gặp phải một vấn đề lớn là chúng phản chiếu hơn 90 phần trăm năng lượng tia laser hồng ngoại. Tia phản chiếu này thực sự có thể gây tổn hại cho chính thiết bị laser nếu không được xử lý đúng cách. Đây chính là lúc laser sợi phát huy tác dụng. Chúng hoạt động hiệu quả hơn trong trường hợp này vì có bước sóng ngắn hơn khoảng 1.060 nanomet và được trang bị chức năng điều chỉnh công suất thích ứng giúp kiểm soát quá trình cắt. Chẳng hạn, khi cắt tấm đồng dày 2mm. Quá trình này đòi hỏi tần suất xung cao hơn 500 Hz cộng với việc sử dụng khí nitơ hỗ trợ để ngăn chặn hiện tượng oxy hóa trong quá trình cắt. Mặc dù những bước bổ sung này khiến tiêu hao năng lượng tăng thêm khoảng 15 đến 20 phần trăm so với khi cắt thép, đa số các nhà sản xuất vẫn cho rằng điều này hoàn toàn xứng đáng để duy trì độ chính xác và bảo vệ khoản đầu tư thiết bị đắt tiền của họ.
Độ dày của vật liệu đang được xử lý ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ cắt và mức tiêu hao năng lượng trong quá trình cắt. Ví dụ, khi xử lý thép mềm 5mm, tốc độ khoảng 8 mét mỗi phút là khá phù hợp. Tuy nhiên, với thép dày hơn là 20mm, các kỹ thuật viên cần giảm đáng kể tốc độ xuống còn khoảng 1,2 mét/phút chỉ để tránh những biến dạng mép đáng ghét xảy ra. Điều mà nhiều người thường bỏ qua chính là chuẩn bị bề mặt. Những vết gỉ hoặc lớp phủ không đồng đều thực sự có thể làm lệch tia laser tới nửa milimét, dẫn đến nhiều vấn đề về kích thước sau đó. Việc làm sạch các bề mặt được phủ trước khi bắt đầu cũng tạo ra sự khác biệt rõ rệt. Dữ liệu từ ngành cho thấy bước đơn giản này làm tăng độ chính xác khi cắt khoảng 30%, đồng thời giảm đáng kể lượng xỉ hàn bám vào, vốn gây khó khăn cho các công đoạn xử lý sau.
Laser sợi có thể cắt vật liệu với tốc độ nhanh gấp khoảng ba lần so với các hệ thống CO2 truyền thống, đồng thời vẫn giữ được dung sai trong khoảng 0,1mm trên các vật liệu khó như thép không gỉ và tấm nhôm. Cấu tạo trạng thái rắn phía sau những tia laser này có nghĩa là chúng vận hành hiệu quả hơn khoảng 30 phần trăm về tiêu thụ năng lượng. Hiệu quả này chuyển hóa thành những đường cắt sạch hơn, nơi vật liệu gần như tan chảy thay vì bị cháy xém, đồng thời lượng nhiệt tác động lên các vùng xung quanh cũng giảm đáng kể. Nhìn vào các con số thực tế từ các nhà máy sản xuất trên khắp đất nước, các công ty báo cáo tiết kiệm từ 18 đến 22 xu cho mỗi bộ phận được sản xuất từ kim loại có độ dày dưới 25mm. Không có gì ngạc nhiên khi nhiều xưởng gia công kim loại tấm đang chuyển sang công nghệ laser sợi để đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt trong thời gian gần đây.
Một cái tên lớn trong ngành phụ tùng ô tô đã giảm gần một nửa thời gian sản xuất các bộ phận khung xe khi chuyển sang sử dụng laser sợi 6kW để gia công các tấm thép carbon có độ dày từ 2 đến 8mm. Điều thực sự ấn tượng là các hệ thống mới này gần như loại bỏ hoàn toàn nhu cầu làm sạch (deburring) bổ sung, bởi chúng tạo ra các đường cắt sạch sẽ mà không để lại cặn dross. Độ nhẵn bề mặt đạt mức khoảng Ra 3.2 micron, điều này khá lý tưởng. Đối với các nhà sản xuất đang cố gắng đáp ứng những lịch trình khắt khe, độ chính xác như vậy thực sự tạo ra sự khác biệt, đặc biệt là khi các hãng xe ngày càng phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt cho xe điện, nơi mỗi gram trọng lượng và dung sai đều được tính toán cực kỳ chặt chẽ.
Ngày càng nhiều công ty hàng không vũ trụ bắt đầu sử dụng tia laser sợi khi làm việc với các bộ phận cấu trúc bằng nhôm như những bộ phận được sử dụng cho xương cánh và các đoạn thân máy bay được làm từ hợp kim 7075-T6. Lý do là bởi vì các tia laser này hoạt động ở bước sóng khoảng 1.070 nm, giúp giảm các vấn đề liên quan đến độ phản xạ của vật liệu. Điều này có nghĩa là chúng có thể cắt liên tục các tấm dày 10mm với tốc độ khoảng 15 mét mỗi phút trong khi giữ biến động độ dày dưới 0,5%. Nhìn vào các xu hướng gần đây, gần 9 trên 10 thiết kế máy bay mới ngày nay thực tế đều bao gồm một số dạng linh kiện nhôm được cắt bằng laser. Do đó, việc tiếp cận các hệ thống laser sợi chất lượng tốt đã trở thành điều kiện tiên quyết để các nhà sản xuất đáp ứng các yêu cầu chất lượng AS9100 nghiêm ngặt, vốn là tiêu chuẩn phổ biến trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.
Nitrogen đóng vai trò như một khí hỗ trợ trơ ở áp suất từ 12 đến 20 bar nhằm duy trì khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Khi điều này xảy ra, quá trình oxy hóa được ngăn chặn và các mép cắt trở nên sạch sẽ, khiến những bộ phận này phù hợp lý tưởng cho các thiết bị y tế hoặc các linh kiện dùng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Chẳng hạn, với thép không gỉ loại 304 dày 6mm, sử dụng tia laser sợi 2kW hoạt động ở tốc độ khoảng từ 10 đến 12 mét mỗi phút, chúng ta thường thấy vùng ảnh hưởng nhiệt không vượt quá 0.1mm. Theo nghiên cứu gần đây được công bố trong Báo cáo Gia công Kim loại 2024, việc chuyển từ phương pháp dùng oxy sang hỗ trợ bằng nitrogen có thể giảm chi phí hoàn thiện thêm khoảng một phần ba. Một số thông số quan trọng cần lưu ý gồm:
Độ phản xạ cao của nhôm (85–92% ở bước sóng 1µm) đòi hỏi phải sử dụng chế độ laser xung để tránh lệch tia. Một laser sợi 4kW có thể cắt nhôm 6061-T6 dày 8mm với tốc độ 15 m/phút bằng khí nén ở áp suất 6–8 bar. Để quản lý độ dẫn nhiệt:
Giải pháp này đảm bảo độ chính xác ±0,05mm, lý tưởng cho các bộ phận chính xác như khay pin ô tô.
Cắt hỗ trợ bằng oxy là tiêu chuẩn cho thép cacbon dày trên 3mm, trong đó phản ứng tỏa nhiệt làm tăng tốc độ cắt lên đến 40%. Với thép S355JR dày 10mm ở công suất 3kW, tốc độ đạt tới 8–10 m/phút. Tuy nhiên, oxy hóa quá mức có thể tạo ra xỉ ở mặt dưới. Các biện pháp khắc phục hiệu quả bao gồm:
Đối với các bộ phận cấu trúc như thép hình chữ I, các phương pháp lai kết hợp giữa cắt bằng oxy và hoàn thiện bằng nitơ giúp đáp ứng tiêu chuẩn ISO 9013 về độ chính xác kích thước và chất lượng mép cắt.
Cắt laser là một quy trình chính xác trong đó chùm tia laser mạnh được sử dụng để làm nóng chảy, đốt cháy hoặc hóa hơi vật liệu nhằm thực hiện cắt.
Laser sợi quang mang lại độ chính xác cao hơn, hiệu quả năng lượng tốt hơn và chi phí bảo trì thấp hơn so với laser CO2.
Các kim loại như thép không gỉ, nhôm, thép cacbon thấp, đồng thau và đồng đỏ phù hợp với cắt laser nhờ khả năng dẫn nhiệt và hấp thụ năng lượng laser tốt.
Độ dày vật liệu ảnh hưởng đến tốc độ cắt và mức tiêu thụ năng lượng. Vật liệu dày hơn thường đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn để tránh biến dạng mép.
Hot News
EN
