การตัดด้วยเลเซอร์คืออะไร?

การตัดด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการตัดด้วยความร้อนที่ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและโฟกัสอย่างแม่นยำฉายไปยังชิ้นงาน ทำให้วัสดุที่ถูกฉายแสงหลอมเหลว ระเหย สึกกร่อน หรือถึงจุดติดไฟอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน กระแสลมความเร็วสูงที่พัดไปในแนวเดียวกับลำแสงเลเซอร์จะพัดพาวัสดุที่หลอมเหลวออกไป ทำให้สามารถตัดชิ้นงานได้

การจำแนกประเภทและลักษณะเฉพาะของการตัดด้วยเลเซอร์

การตัดด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ประเภท ได้แก่ การตัดด้วยการระเหยด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยการหลอมละลายด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยออกซิเจนด้วยเลเซอร์ และการสลักและการแตกหักแบบควบคุมด้วยเลเซอร์

การตัดด้วยการระเหยด้วยเลเซอร์

เทคนิคนี้ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงในการให้ความร้อนแก่ชิ้นงาน ทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดเดือดในเวลาอันสั้นมาก ส่งผลให้วัสดุกลายเป็นไอและระเหยกลายเป็นไอ ไอที่ระเหยออกมาจะถูกพ่นออกมาด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดรอยตัดในวัสดุขณะที่มันพุ่งออกไป เนื่องจากวัสดุส่วนใหญ่มีจุดเดือดสูง การตัดด้วยเลเซอร์แบบระเหยจึงต้องใช้พลังงานและความหนาแน่นพลังงานสูงมาก

การตัดด้วยเลเซอร์ฟิวชั่น

ในการตัดด้วยเลเซอร์ฟิวชั่น เลเซอร์จะให้ความร้อนและหลอมละลายวัสดุโลหะ จากนั้นจะเป่าก๊าซที่ไม่ก่อให้เกิดออกซิเดชัน (เช่น อาร์กอน ฮีเลียม ไนโตรเจน ฯลฯ) ผ่านหัวฉีดที่อยู่แนวเดียวกับลำแสงเลเซอร์ แรงดันสูงของก๊าซจะดันโลหะหลอมเหลวออกมา ทำให้เกิดรอยตัด วิธีนี้แตกต่างจากการตัดด้วยการระเหยตรงที่ไม่จำเป็นต้องทำให้วัสดุระเหยหมด และใช้พลังงานเพียง 1/10 ของพลังงานที่ใช้ในการตัดด้วยการระเหย โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตัดโลหะที่ไม่ก่อให้เกิดออกซิเดชันหรือโลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ง่าย เช่น สแตนเลส ไทเทเนียม อลูมิเนียม และโลหะผสมของโลหะเหล่านี้

การตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจน

หลักการของการตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจนคล้ายกับการตัดด้วยออกซิอะเซทิลีน เลเซอร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งความร้อนสำหรับการอุ่นก่อน ในขณะที่ก๊าซที่ออกฤทธิ์ (เช่น ออกซิเจน) ทำหน้าที่เป็นก๊าซตัด ก๊าซที่เป่าเข้าไปจะทำปฏิกิริยากับโลหะที่กำลังตัด ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันซึ่งปล่อยความร้อนจากการออกซิเดชันออกมาจำนวนมาก ในขณะเดียวกันก็พัดเอาออกไซด์ที่หลอมเหลวและโลหะที่ละลายออกจากบริเวณปฏิกิริยา ทำให้เกิดรอยตัดในโลหะ ปฏิกิริยาออกซิเดชันระหว่างการตัดจะสร้างความร้อนจำนวนมาก ดังนั้นการตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจนจึงใช้พลังงานเพียงครึ่งหนึ่งของการตัดแบบหลอมละลาย ในขณะที่ความเร็วในการตัดเร็วกว่าการตัดแบบระเหยและการตัดแบบหลอมละลายมาก โดยส่วนใหญ่จะใช้กับวัสดุโลหะที่สามารถเกิดออกซิเดชันได้ เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าไทเทเนียม และเหล็กกล้าที่ผ่านการอบชุบความร้อน

การสลักด้วยเลเซอร์และการแตกหักแบบควบคุม

การสลักด้วยเลเซอร์ใช้เลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงสแกนพื้นผิวของวัสดุที่เปราะบาง ทำให้เกิดร่องเล็กๆ ขึ้น จากนั้นจึงใช้แรงกดในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อทำให้วัสดุที่เปราะบางนั้นแตกหักตามร่อง เลเซอร์แบบ Q-switched และเลเซอร์ CO₂ นิยมใช้ในการสลักด้วยเลเซอร์ การแตกหักแบบควบคุมใช้ประโยชน์จากการกระจายอุณหภูมิที่รวดเร็วซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการสลักด้วยเลเซอร์เพื่อสร้างความเครียดทางความร้อนเฉพาะจุดในวัสดุที่เปราะบาง ทำให้วัสดุนั้นแตกหักตามร่องที่สลักไว้

การประยุกต์ใช้การตัดด้วยเลเซอร์

เครื่องตัดเลเซอร์ส่วนใหญ่ทำงานโดยใช้โปรแกรมควบคุมเชิงตัวเลข (NC) หรือตั้งค่าเป็นหุ่นยนต์ตัด การตัดด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการแปรรูปที่มีความแม่นยำสูง สามารถตัดวัสดุได้เกือบทุกชนิด รวมถึงการตัดแผ่นโลหะบางแบบ 2 มิติหรือ 3 มิติ ในด้านอวกาศ เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตัดวัสดุพิเศษสำหรับอวกาศ เช่น โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมนิกเกล โลหะผสมโครเมียม สแตนเลส เบริลเลียมออกไซด์ วัสดุคอมโพสิต พลาสติก เซรามิก และควอตซ์ ชิ้นส่วนอวกาศที่ผ่านการแปรรูปด้วยการตัดด้วยเลเซอร์ ได้แก่ ท่อเปลวไฟของเครื่องยนต์ ปลอกโลหะผสมไทเทเนียมผนังบาง โครงเครื่องบิน ผิวโลหะผสมไทเทเนียม คานปีก แผงปีกหาง ใบพัดหลักของเฮลิคอปเตอร์ และกระเบื้องฉนวนกันความร้อนเซรามิกของกระสวยอวกาศ