การตัดด้วยเลเซอร์และระบบการประมวลผล

การตัดด้วยเลเซอร์แอปพลิเคชัน

เลเซอร์ CO2 แบบไหลตามแนวแกนความเร็วสูงส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตัดโลหะด้วยเลเซอร์ เนื่องจากคุณภาพลำแสงที่ดี แม้ว่าค่าการสะท้อนแสงของโลหะส่วนใหญ่ต่อลำแสงเลเซอร์ CO2 จะค่อนข้างสูง แต่ค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิวโลหะที่อุณหภูมิห้องจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและระดับการเกิดออกซิเดชัน เมื่อพื้นผิวโลหะเสียหาย ค่าการสะท้อนแสงของโลหะจะใกล้เคียงกับ 1 สำหรับการตัดโลหะด้วยเลเซอร์ จำเป็นต้องใช้กำลังเฉลี่ยที่สูงกว่า และมีเพียงเลเซอร์ CO2 กำลังสูงเท่านั้นที่มีคุณสมบัตินี้

1. การตัดวัสดุเหล็กด้วยเลเซอร์

1.1 การตัดด้วยเลเซอร์ CO2 แบบต่อเนื่อง พารามิเตอร์หลักของกระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 แบบต่อเนื่อง ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ชนิดและความดันของก๊าซช่วย ความเร็วในการตัด ตำแหน่งโฟกัส ความลึกของโฟกัส และความสูงของหัวฉีด

(1) กำลังเลเซอร์ กำลังเลเซอร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อความหนาในการตัด ความเร็วในการตัด และความกว้างของรอยตัด เมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ ความเร็วในการตัดจะลดลงเมื่อความหนาของแผ่นตัดเพิ่มขึ้น และจะเพิ่มขึ้นเมื่อกำลังเลเซอร์เพิ่มขึ้น กล่าวคือ ยิ่งกำลังเลเซอร์มากเท่าไร แผ่นที่สามารถตัดได้ก็จะยิ่งหนาขึ้น ความเร็วในการตัดก็จะเร็วขึ้น และความกว้างของรอยตัดก็จะกว้างขึ้นเล็กน้อย

(2) ชนิดและความดันของก๊าซช่วย เมื่อตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ จะใช้ CO2 เป็นก๊าซช่วยเพื่อใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ของเหล็กกับออกซิเจนเพื่อส่งเสริมกระบวนการตัด ความเร็วในการตัดสูงและคุณภาพการตัดดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะได้รอยตัดที่ไม่มีตะกรันติด เมื่อตัดเหล็กกล้าไร้สนิมจะใช้ CO2 แต่ตะกรันมักจะติดอยู่บริเวณด้านล่างของรอยตัด จึงมักใช้ก๊าซผสม CO2 + N2 หรือการไหลของก๊าซสองชั้น ความดันของก๊าซช่วยมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการตัด การเพิ่มความดันก๊าซอย่างเหมาะสมสามารถเพิ่มความเร็วในการตัดโดยไม่มีตะกรันติดได้ เนื่องจากโมเมนตัมการไหลของก๊าซเพิ่มขึ้นและความสามารถในการกำจัดตะกรันดีขึ้น อย่างไรก็ตาม หากความดันสูงเกินไป ผิวตัดจะหยาบ ผลของความดันออกซิเจนต่อความหยาบเฉลี่ยของผิวตัดแสดงในรูปด้านล่าง

แรงดันภายในชิ้นงานขึ้นอยู่กับความหนาของแผ่นโลหะด้วยเช่นกัน เมื่อตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำด้วยเลเซอร์ CO2 ขนาด 1 กิโลวัตต์ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันออกซิเจนและความหนาของแผ่นโลหะแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

(3) ความเร็วในการตัด ความเร็วในการตัดมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพการตัด ภายใต้เงื่อนไขกำลังเลเซอร์บางอย่าง จะมีค่าวิกฤตบนและล่างที่สอดคล้องกันสำหรับความเร็วในการตัดที่ดีเมื่อตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ หากความเร็วในการตัดสูงหรือต่ำกว่าค่าวิกฤต จะเกิดการติดของตะกรัน เมื่อความเร็วในการตัดช้า เวลาในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันบนคมตัดจะยาวนานขึ้น ความกว้างของการตัดจะเพิ่มขึ้น และพื้นผิวการตัดจะหยาบ เมื่อความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้น รอยตัดจะค่อยๆ แคบลงจนกระทั่งความกว้างของรอยตัดด้านบนเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของจุด ในขณะนี้ รอยตัดจะมีลักษณะเป็นรูปทรงลิ่มเล็กน้อย กว้างที่ด้านบนและแคบที่ด้านล่าง เมื่อความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความกว้างของรอยตัดด้านบนจะแคบลงเรื่อยๆ แต่ส่วนล่างของรอยตัดจะกว้างขึ้นและมีลักษณะเป็นรูปทรงลิ่มคว่ำ

(5) ความลึกโฟกัส

ระยะชัดลึกมีผลต่อคุณภาพของพื้นผิวที่ตัดและความเร็วในการตัด เมื่อตัดแผ่นเหล็กขนาดใหญ่ ควรใช้ลำแสงที่มีระยะโฟกัสมาก เมื่อตัดแผ่นเหล็กบาง ควรใช้ลำแสงที่มีระยะโฟกัสน้อย

(6)ความสูงของหัวฉีด

ความสูงของหัวฉีดหมายถึงระยะห่างจากปลายหัวฉีดแก๊สช่วยถึงพื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน หากความสูงของหัวฉีดมากเกินไป โมเมนตัมของกระแสลมช่วยที่พ่นออกมาจะผันผวนได้ง่าย ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพและความเร็วในการตัด ดังนั้น ในการตัดด้วยเลเซอร์ ความสูงของหัวฉีดจึงมักถูกลดให้เหลือน้อยที่สุด โดยปกติจะอยู่ที่ 0.5~2.0 มม.

① ลักษณะเฉพาะของเลเซอร์

ก. เพิ่มกำลังเลเซอร์ การพัฒนาเลเซอร์ที่มีกำลังสูงขึ้นเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมาและมีประสิทธิภาพในการเพิ่มความหนาในการตัด

ข. การประมวลผลแบบพัลส์ เลเซอร์แบบพัลส์มีกำลังสูงสุดสูงมากและสามารถทะลุแผ่นเหล็กหนาได้ การใช้เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ความถี่สูงและความกว้างพัลส์แคบสามารถตัดแผ่นเหล็กหนาได้โดยไม่ต้องเพิ่มกำลังเลเซอร์ และขนาดรอยตัดจะเล็กกว่าการตัดด้วยเลเซอร์แบบต่อเนื่อง

ค. ใช้เลเซอร์รุ่นใหม่

②ระบบออปติก

ก. ระบบออปติคอลแบบปรับได้ ความแตกต่างจากการตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมคือ ไม่จำเป็นต้องวางจุดโฟกัสไว้ต่ำกว่าพื้นผิวการตัด เมื่อตำแหน่งโฟกัสแกว่งขึ้นลงไม่กี่มิลลิเมตรตามทิศทางความหนาของแผ่นเหล็ก ระยะโฟกัสในระบบออปติคอลแบบปรับได้จะเปลี่ยนแปลงไปตามการเลื่อนของตำแหน่งโฟกัส การเปลี่ยนแปลงขึ้นลงของระยะโฟกัสจะสอดคล้องกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเลเซอร์กับชิ้นงาน ทำให้ตำแหน่งโฟกัสเปลี่ยนแปลงขึ้นลงตามความลึกของชิ้นงาน กระบวนการตัดนี้ซึ่งตำแหน่งโฟกัสเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะภายนอกสามารถสร้างงานตัดที่มีคุณภาพสูงได้ ข้อเสียของวิธีนี้คือ ความลึกในการตัดมีจำกัด โดยทั่วไปไม่เกิน 30 มิลลิเมตร

b. เทคโนโลยีการตัดแบบสองโฟกัส ใช้เลนส์พิเศษในการโฟกัสลำแสงสองครั้งที่ส่วนต่าง ๆ กัน ดังแสดงในรูปที่ 4.58 โดย D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนกลางของเลนส์ และ คือเส้นผ่านศูนย์กลางของส่วนขอบของเลนส์ รัศมีของความโค้งที่ส่วนกลางของเลนส์มีขนาดใหญ่กว่าบริเวณรอบข้าง ทำให้เกิดการโฟกัสสองครั้ง ในระหว่างกระบวนการตัด โฟกัสบนจะอยู่บนพื้นผิวด้านบนของชิ้นงาน และโฟกัสล่างจะอยู่ใกล้กับพื้นผิวด้านล่างของชิ้นงาน เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์แบบสองโฟกัสพิเศษนี้มีข้อดีหลายประการ สำหรับการตัดเหล็กอ่อน ไม่เพียงแต่จะสามารถรักษาลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงบนพื้นผิวด้านบนของโลหะเพื่อให้ตรงตามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการจุดติดไฟของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสามารถรักษาลำแสงเลเซอร์ความเข้มสูงใกล้กับพื้นผิวด้านล่างของโลหะเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดสำหรับการจุดติดไฟได้อีกด้วย เทคโนโลยีนี้ช่วยขยายช่วงของพารามิเตอร์สำหรับการได้งานตัดที่มีคุณภาพสูง ตัวอย่างเช่น การใช้ CO2 ขนาด 3 กิโลวัตต์ การตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมนั้น ความหนาในการตัดจะอยู่ที่ 15-20 มม. เท่านั้น ในขณะที่การตัดด้วยเทคโนโลยีโฟกัสคู่ ความหนาในการตัดจะสูงถึง 30-40 มม.

③หัวฉีดและการไหลของอากาศเสริม

ออกแบบหัวฉีดอย่างเหมาะสมเพื่อปรับปรุงคุณลักษณะของสนามการไหลของอากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางของผนังด้านในของหัวฉีดความเร็วเหนือเสียงจะหดตัวก่อนแล้วจึงขยายตัว ซึ่งสามารถสร้างการไหลของอากาศความเร็วเหนือเสียงที่ทางออกได้ แรงดันอากาศที่จ่ายสามารถสูงมากโดยไม่ก่อให้เกิดคลื่นกระแทก เมื่อใช้หัวฉีดความเร็วเหนือเสียงสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ คุณภาพการตัดก็ดีเยี่ยมเช่นกัน เนื่องจากแรงดันการตัดของหัวฉีดความเร็วเหนือเสียงบนพื้นผิวชิ้นงานค่อนข้างคงที่ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตัดแผ่นเหล็กหนาด้วยเลเซอร์