การตัดด้วยเลเซอร์และระบบการประมวลผล

การตัดด้วยเลเซอร์แอปพลิเคชัน

เลเซอร์ CO2 แบบไหลตามแนวแกนเร็วส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ของวัสดุโลหะ เนื่องจากมีคุณภาพลำแสงที่ดีเป็นหลัก แม้ว่าค่าการสะท้อนแสงของโลหะส่วนใหญ่กับลำแสงเลเซอร์ CO2 จะค่อนข้างสูง แต่ค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิวโลหะที่อุณหภูมิห้องจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและระดับออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น เมื่อพื้นผิวโลหะเสียหาย ค่าสะท้อนแสงของโลหะจะใกล้เคียงกับ 1 สำหรับการตัดด้วยเลเซอร์โลหะ จำเป็นต้องใช้กำลังเฉลี่ยที่สูงกว่า และมีเพียงเลเซอร์ CO2 กำลังสูงเท่านั้นที่จะเกิดสภาวะนี้

1. การตัดด้วยเลเซอร์ของวัสดุเหล็ก

1.1 การตัดด้วยเลเซอร์ CO2 อย่างต่อเนื่อง พารามิเตอร์กระบวนการหลักของการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 อย่างต่อเนื่อง ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ประเภทและความดันของก๊าซเสริม ความเร็วตัด ตำแหน่งโฟกัส ความลึกโฟกัส และความสูงของหัวฉีด

(1) กำลังเลเซอร์ กำลังเลเซอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อความหนาของการตัด ความเร็วในการตัด และความกว้างของรอยบาก เมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ ความเร็วตัดจะลดลงตามความหนาของแผ่นตัดที่เพิ่มขึ้น และเพิ่มขึ้นตามกำลังเลเซอร์ที่เพิ่มขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ยิ่งพลังเลเซอร์มากขึ้น แผ่นที่สามารถตัดได้หนาขึ้น ความเร็วในการตัดก็จะเร็วขึ้น และความกว้างของรอยบากก็จะใหญ่ขึ้นเล็กน้อย

(2) ประเภทและความดันของก๊าซเสริม ในการตัดเหล็กคาร์บอนต่ำ CO2 จะถูกใช้เป็นก๊าซเสริมเพื่อใช้ความร้อนของปฏิกิริยาการเผาไหม้ของเหล็กและออกซิเจนเพื่อส่งเสริมกระบวนการตัด ความเร็วในการตัดสูงและคุณภาพของรอยบากดี โดยเฉพาะการกรีดที่ไม่มีตะกรันเหนียว เมื่อตัดเหล็กสแตนเลส จะใช้ CO2 ตะกรันติดง่ายที่ด้านล่างของแผล มักใช้ก๊าซผสม CO2 + N2 หรือก๊าซสองชั้น ความดันของก๊าซเสริมมีผลกระทบอย่างมากต่อเอฟเฟกต์การตัด การเพิ่มแรงดันแก๊สอย่างเหมาะสมจะช่วยเพิ่มความเร็วในการตัดโดยไม่มีตะกรันเหนียว เนื่องจากโมเมนตัมการไหลของแก๊สเพิ่มขึ้นและความสามารถในการกำจัดตะกรันดีขึ้น อย่างไรก็ตาม หากแรงดันสูงเกินไป พื้นผิวที่ตัดจะหยาบ ผลกระทบของแรงดันออกซิเจนต่อความหยาบเฉลี่ยของพื้นผิวรอยบากแสดงไว้ในภาพด้านล่าง

ความดันของร่างกายยังขึ้นอยู่กับความหนาของแผ่นด้วย เมื่อตัดเหล็กคาร์บอนต่ำด้วยเลเซอร์ CO2 ขนาด 1kW ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันออกซิเจนและความหนาของแผ่นจะแสดงดังรูปด้านล่าง

(3) ความเร็วในการตัด ความเร็วตัดมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพการตัด ภายใต้เงื่อนไขบางประการของกำลังเลเซอร์ จะมีค่าวิกฤติด้านบนและด้านล่างที่สอดคล้องกันสำหรับความเร็วตัดที่ดีเมื่อตัดเหล็กคาร์บอนต่ำ หากความเร็วในการตัดสูงหรือต่ำกว่าค่าวิกฤต จะเกิดการเกาะติดของตะกรัน เมื่อความเร็วตัดต่ำ เวลาการทำงานของปฏิกิริยาออกซิเดชั่นความร้อนที่คมตัดจะเพิ่มขึ้น ความกว้างของการตัดจะเพิ่มขึ้น และพื้นผิวการตัดจะหยาบ เมื่อความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้น รอยบากจะค่อยๆแคบลงจนกระทั่งความกว้างของรอยบากด้านบนเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของจุด ขณะนี้แผลมีลักษณะเป็นรูปลิ่มเล็กน้อย ด้านบนกว้าง และด้านล่างแคบ เนื่องจากความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความกว้างของรอยบากด้านบนยังคงเล็กลง แต่ส่วนล่างของรอยบากจะกว้างขึ้นและกลายเป็นรูปร่างลิ่มแบบกลับด้าน

(5) ความลึกของโฟกัส

ระยะชัดลึกมีผลกระทบต่อคุณภาพของพื้นผิวการตัดและความเร็วในการตัด เมื่อตัดแผ่นเหล็กที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ ควรใช้ลำแสงที่มีความลึกโฟกัสมาก เมื่อตัดแผ่นบาง ๆ ควรใช้ลำแสงที่มีความลึกโฟกัสเล็กน้อย

(6) ความสูงของหัวฉีด

ความสูงของหัวฉีดหมายถึงระยะห่างจากพื้นผิวปลายของหัวฉีดแก๊สเสริมถึงพื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน ความสูงของหัวฉีดมีขนาดใหญ่ และโมเมนตัมของกระแสลมเสริมที่ปล่อยออกมานั้นผันผวนได้ง่าย ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพและความเร็วของการตัด ดังนั้น เมื่อตัดด้วยเลเซอร์ ความสูงของหัวฉีดจะลดลง โดยทั่วไปคือ 0.5~2.0 มม.

1 ด้านเลเซอร์

ก. เพิ่มพลังเลเซอร์ การพัฒนาเลเซอร์ที่ทรงพลังยิ่งขึ้นเป็นวิธีการโดยตรงและมีประสิทธิภาพในการเพิ่มความหนาของการตัด

ข. การประมวลผลพัลส์ เลเซอร์พัลซิ่งมีกำลังสูงสุดที่สูงมากและสามารถเจาะแผ่นเหล็กหนาได้ การใช้เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์พัลส์ความถี่สูงที่มีความกว้างพัลส์แคบสามารถตัดแผ่นเหล็กหนาได้โดยไม่ต้องเพิ่มกำลังเลเซอร์ และขนาดรอยบากจะเล็กกว่าการตัดด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง

ค. ใช้เลเซอร์ใหม่

②ระบบออปติคัล

ก. ระบบออพติคอลแบบปรับได้ ความแตกต่างจากการตัดด้วยเลเซอร์แบบเดิมคือไม่จำเป็นต้องวางโฟกัสไว้ใต้พื้นผิวการตัด เมื่อตำแหน่งโฟกัสผันผวนขึ้นและลงไม่กี่มิลลิเมตรตามทิศทางความหนาของแผ่นเหล็ก ความยาวโฟกัสในระบบออพติคอลแบบปรับได้จะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนตำแหน่งโฟกัส การเปลี่ยนแปลงทางยาวโฟกัสขึ้นและลงเกิดขึ้นพร้อมกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์กับชิ้นงาน ทำให้ตำแหน่งโฟกัสเปลี่ยนขึ้นลงตามความลึกของชิ้นงาน กระบวนการตัดซึ่งตำแหน่งโฟกัสเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะภายนอก ทำให้เกิดการตัดคุณภาพสูงได้ ข้อเสียของวิธีนี้คือความลึกของการตัดมีจำกัด โดยทั่วไปแล้วจะไม่เกิน 30 มม.

ข. เทคโนโลยีการตัดแบบสองชั้น เลนส์พิเศษใช้เพื่อโฟกัสลำแสงสองครั้งที่ส่วนต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 4.58 D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนตรงกลางเลนส์และเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนขอบของเลนส์ รัศมีความโค้งที่ศูนย์กลางเลนส์มีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่โดยรอบ ทำให้เกิดโฟกัสสองเท่า ในระหว่างกระบวนการตัด โฟกัสด้านบนจะอยู่ที่พื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน และโฟกัสด้านล่างจะอยู่ใกล้กับพื้นผิวด้านล่างของชิ้นงาน เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์แบบโฟกัสคู่แบบพิเศษนี้มีข้อดีหลายประการ สำหรับการตัดเหล็กเหนียว ไม่เพียงแต่สามารถรักษาลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงบนพื้นผิวด้านบนของโลหะให้ตรงตามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการติดไฟของวัสดุ แต่ยังรักษาลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงไว้ใกล้กับพื้นผิวด้านล่างของโลหะด้วย เพื่อตอบสนองความต้องการในการจุดระเบิด ความจำเป็นในการตัดที่สะอาดตลอดช่วงความหนาของวัสดุ เทคโนโลยีนี้ขยายขอบเขตของพารามิเตอร์เพื่อให้ได้การตัดคุณภาพสูง เช่น การใช้ CO2 ขนาด 3kW เลเซอร์ ความหนาในการตัดแบบธรรมดาสามารถเข้าถึงได้เพียง 15~20 มม. ในขณะที่ความหนาของการตัดโดยใช้เทคโนโลยีการตัดแบบโฟกัสคู่สามารถเข้าถึงได้ 30~40 มม.

3. หัวฉีดและการไหลของอากาศเสริม

ออกแบบหัวฉีดอย่างเหมาะสมเพื่อปรับปรุงลักษณะสนามการไหลของอากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางของผนังด้านในของหัวฉีดความเร็วเหนือเสียงจะหดตัวลงก่อนแล้วจึงขยายออก ซึ่งสามารถสร้างกระแสลมเหนือเสียงที่ทางออกได้ แรงดันอากาศอาจสูงมากโดยไม่สร้างคลื่นกระแทก เมื่อใช้หัวฉีดความเร็วเหนือเสียงสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ คุณภาพการตัดก็เหมาะอย่างยิ่งเช่นกัน เนื่องจากแรงดันตัดของหัวฉีดความเร็วเหนือเสียงบนพื้นผิวชิ้นงานค่อนข้างคงที่ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ของแผ่นเหล็กหนา