เครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์สามารถทำงานกับความหนาของโลหะได้เท่าใด

การเข้าใจโลหะ เครื่องตัดเลเซอร์ ความสามารถด้านความหนา

ขีดความสามารถด้านความหนาของเครื่องตัดเลเซอร์สำหรับโลหะ: ภาพรวม

เครื่องตัดเลเซอร์โลหะที่ทันสมัยส่วนใหญ่สามารถทำงานกับวัสดุที่มีความหนาตั้งแต่ประมาณครึ่งมิลลิเมตรถึง 40 มม. ขึ้นอยู่กับประเภทของโลหะและกำลังเลเซอร์ที่ใช้ เครื่องรุ่นพื้นฐานที่มีกำลัง 3 กิโลวัตต์สามารถตัดเหล็กอ่อนได้ประมาณ 12 มม. แต่เมื่อใช้เครื่องระดับอุตสาหกรรมที่มีกำลัง 12 กิโลวัตต์ขึ้นไป ระบบเหล่านี้สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนได้ถึง 35 มม. แม้ว่าจะต้องลดความเร็วในการตัดลงค่อนข้างมาก เนื่องจากช่วงความสามารถ้กว้างเช่นนี้ การตัดด้วยเลเซอร์จึงเหมาะสำหรับงานตั้งแต่แผ่นตัวถังรถยนต์บางๆ ที่มีความหนาเพียง 1 ถึง 3 มม. ไปจนถึงชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่พบในเครื่องจักรหนัก ซึ่งโดยทั่วไปมีความหนาอยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 มม.

ช่วงความหนาสูงสุดและต่ำสุดทั่วไปสำหรับโลหะทั่วไป

ข้อมูลนี้สะท้อนมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับระบบเลเซอร์ไฟเบอร์ (2–8 กิโลวัตต์)

ผลกระทบของคุณสมบัติวัสดุต่อประสิทธิภาพการตัดด้วยเลเซอร์

ลักษณะการนำความร้อนของโลหะและการหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการตัด เช่น เหล็กสเตนเลส ซึ่งมีโครเมียมเป็นส่วนประกอบทำให้ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปในความหนาเดียวกัน และอลูมิเนียมที่สะท้อนความร้อนได้มาก จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องจักรที่ทำงานด้วยกำลังสูงขึ้นเพื่อตัดผ่านได้อย่างเหมาะสม นอกจากนี้ ข้อมูลล่าสุดจากอุตสาหกรรมการแปรรูปปี 2024 ยังแสดงให้เห็นอีกว่า สำหรับทองแดงผสมที่มีความหนาเกิน 8 มิลลิเมตร ผู้ผลิตมักต้องเปลี่ยนไปใช้ก๊าซพิเศษ เช่น ไนโตรเจนผสมอาร์กอน เพื่อควบคุมการกระจายความร้อนระหว่างกระบวนการตัด

กำลังเลเซอร์กำหนดความหนาของโลหะสูงสุดได้อย่างไร

คำอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกำลังเลเซอร์และความหนาของวัสดุ

กำลังของเลเซอร์ ซึ่งวัดเป็นกิโลวัตต์ (kW) เป็นตัวกำหนดพื้นฐานว่าสามารถตัดผ่านโลหะที่มีความหนาเท่าใดได้ โดยการรวมความร้อนไปยังวัสดุนั้นๆ เมื่อทำงานกับวัสดุที่แข็งมาก การใช้เลเซอร์กำลังสูงจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าโดยรวม ทั้งในด้านความเร็วและคุณภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการผลิต พิจารณาจากตัวเลข: เครื่องจักร 6 กิโลวัตต์ สร้างความเข้มข้นของพลังงานสูงสุดได้มากกว่าเครื่อง 3 กิโลวัตต์ ถึงประมาณ 2.5 เท่า แล้วในทางปฏิบัตินั้นหมายความว่าอย่างไร? ระบบที่มีพลังเช่นนี้สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนที่หนา 25 มม. ได้อย่างสบายๆ ในขณะที่ระบบกำลังต่ำกว่าจะเริ่มมีปัญหาเมื่อความหนาเกิน 12 มม. ร้านจำนวนมากจึงเปลี่ยนมาใช้เครื่องจักรที่มีกำลังสูงขึ้น เพราะสามารถทำงานได้เร็วกว่า และลดปัญหาต่างๆ ลงได้เมื่อต้องเผชิญกับงานอุตสาหกรรมที่ต้องการประสิทธิภาพสูง

ความหนาของโลหะสูงสุดตามกำลังเลเซอร์ (3kW, 6kW, 8kW)

วัตต์ที่สูงขึ้นจะช่วยลดความกว้างของรอยตัดลง 18–22% ในการตัดแผ่นหนา ซึ่งช่วยลดของเสียจากวัสดุ

ประสิทธิภาพการตัดบนเหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กสเตนเลส อลูมิเนียม และทองแดง

• เหล็กกล้าคาร์บอน : เหมาะสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์; ระบบ 6 กิโลวัตต์สามารถตัดแผ่นหนา 25 มม. ได้อย่างสะอาดในอัตราความเร็วที่มีประสิทธิภาพ
• เหล็กกล้าไร้สนิม : ต้องใช้ความเข้มของพลังงานมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน 25% เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมี
• อลูมิเนียม : การสะท้อนแสงที่สูงจำเป็นต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้น 30–40% ทำให้จำกัดความหนาที่สามารถตัดได้จริงไว้ที่ 20 มม. แม้จะใช้เลเซอร์ 8 กิโลวัตต์
• ทองแดง : การกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วต้องการระบบกำลัง 15 กิโลวัตต์ขึ้นไปเพื่อการตัดที่เชื่อถือได้เกิน 10 มม. โดยการปรับแต่งก๊าซช่วยตัดมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ข้อมูลเชิงลึก: เลเซอร์ไฟเบอร์ 6 กิโลวัตต์ ตัดเหล็กกล้าคาร์บอนได้สูงสุดถึง 25 มม. อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้อมูลจากอุตสาหกรรมยืนยันว่า เลเซอร์ไฟเบอร์ 6 กิโลวัตต์ ให้ประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับงานแปรรูปเหล็ก สามารถประมวลผลแผ่นหนา 25 มม. ได้ที่ ประสิทธิภาพพลังงาน 93% เมื่อเทียบกับ 78% ของเลเซอร์ CO₂ ตามที่ระบุในรายงาน Industrial Laser Report ปี 2023 คลาสกำลังงานนี้ช่วยลดต้นทุนต่อการตัดลง 40% เมื่อเทียบกับระบบ 8 กิโลวัตต์ สำหรับวัสดุที่มีความหนาไม่เกิน 25 มม.

เลเซอร์ไฟเบอร์ เทียบกับ เลเซอร์ CO2 : อันไหนจัดการกับโลหะหนาได้ดีกว่า?

คุณภาพของลำแสงและความลึกในการโฟกัสในความสัมพันธ์กับความหนาของโลหะ

ความยาวคลื่นที่เลเซอร์ไฟเบอร์ปล่อยออกมาอยู่ที่ประมาณ 1.06 ไมโครเมตร ซึ่งสั้นกว่าเลเซอร์ CO2 ที่มีความยาวคลื่น 10.6 ไมโครเมตร ถึงสิบเท่า เนื่องจากความแตกต่างนี้ เลเซอร์ไฟเบอร์จึงสามารถสร้างจุดโฟกัสที่เล็กกว่ามาก โดยมีขนาดระหว่าง 0.01 ถึง 0.03 มิลลิเมตร เมื่อเทียบกับเทคโนโลยี CO2 ที่ให้จุดโฟกัสมีขนาดใหญ่กว่า คือ 0.15 ถึง 0.20 มิลลิเมตร สิ่งนี้หมายความว่าในทางปฏิบัติอย่างไร? ก็หมายความว่าจะได้ความเข้มข้นของพลังงานอยู่ในช่วง 100 ถึง 300 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งสูงกว่าเลเซอร์ CO2 ที่มีค่าสูงสุดเพียง 5 ถึง 20 เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร มากนัก พลังงานที่รวมตัวแน่นหนานี้ทำให้เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถเจาะลึกลงไปในวัสดุโลหะที่มีความหนาได้ดีกว่า อีกข้อได้เปรียบที่ควรพิจารณาคือ เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถรักษาระดับโฟกัสให้มั่นคงภายในช่วงบวกหรือลบ 0.5 มิลลิเมตร เมื่อทำงานกับแผ่นเหล็กที่มีความหนา 30 มิลลิเมตร ในขณะเดียวกัน เลเซอร์ CO2 แบบดั้งเดิมจะเริ่มประสบปัญหาการกระจายของลำแสงและการเกิดการปั่นป่วนจากกระแสก๊าซ เมื่อความหนาของวัสดุเกินประมาณ 15 มิลลิเมตร

เหตุใดเลเซอร์ไฟเบอร์จึงเหนือกว่าเลเซอร์ CO2 ในการใช้งานกับวัสดุที่มีความหนาสูง

เลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นใหม่ที่มีกำลัง 8–12 กิโลวัตต์ สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนหนา 30 มม. ได้ที่ความเร็ว 0.8 เมตร/นาที โดยมีความแม่นยำ ±0.1 มม. ซึ่งเร็วกว่าและแม่นยำกว่าระบบ CO2 ในระดับเดียวกัน ที่ทำได้เพียง 0.3 เมตร/นาที และมีค่าความคลาดเคลื่อน ±0.25 มม. ความได้เปรียบสามประการอธิบายถึงความเหนือกว่านี้:

1. ประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงาน : เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานตัดได้ 35–45% เทียบกับเลเซอร์ CO2 ที่แปลงได้เพียง 8–12%
2. การดูดซับความยาวคลื่น : ลำแสงที่ความยาวคลื่น 1.06 ไมโครเมตร มีอัตราการดูดซับในเหล็กและอลูมิเนียมอยู่ที่ 60–70% เทียบกับ CO2 ที่มีเพียง 5–15%
3. การใช้ก๊าซ : ระบบไฟเบอร์ใช้ก๊าซช่วยตัดน้อยลง 40% บนโลหะที่หนากว่า 25 มม. เนื่องจากมีรอยตัดแคบกว่า

การศึกษาเปรียบเทียบในปี 2024 พบว่า เลเซอร์ไฟเบอร์ 6 กิโลวัตต์ ช่วยลดต้นทุนการผลิตได้ 74 ดอลลาร์ต่อตัน สำหรับการตัดสแตนเลสหนา 20 มม. เมื่อเทียบกับระบบ CO2 ซึ่งเกิดจากวงจรการทำงานที่เร็วกว่าและการใช้ก๊าซที่น้อยลง

ข้อจำกัดและความท้าทายเฉพาะตามประเภทของโลหะในการตัด

ประสิทธิภาพการตัดด้วยเลเซอร์โลหะแตกต่างกันอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุ การรับรู้ความแตกต่างเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการได้มาซึ่งผลลัพธ์ที่มีคุณภาพสูงในการผลิตอุตสาหกรรม

เหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กสเตนเลส: จุดอ้างอิงความหนาและคุณภาพขอบตัด

เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนได้สูงสุด 25 มม. แม้ว่าความหยาบของขอบจะเพิ่มขึ้น 35% เมื่อเกิน 20 มม. หากไม่มีการปรับแรงดันก๊าซให้เหมาะสม ขณะที่เหล็กสเตนเลสสามารถรักษาคุณภาพขอบตัดที่สะอาดปราศจากการออกซิเดชันได้สูงสุด 30 มม. เมื่อใช้ก๊าซไนโตรเจนช่วย ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในกระบวนการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร

อลูมิเนียม: ความท้าทายจากความสามารถสะท้อนแสงและการจำกัดความหนาที่ปฏิบัติได้

ความสามารถสะท้อนแสงสูงของอลูมิเนียมทำให้การดูดซับพลังงานเลเซอร์ลดลง 30–40% ทำให้การประมวลผลที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจเป็นไปได้ยากเมื่อความหนาเกิน 15 มม. แม้จะใช้ระบบกำลัง 8 กิโลวัตต์ อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ไฟเบอร์ขั้นสูงที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 1070 นาโนเมตรสามารถตัดแผ่นหนา 6 มม. ด้วยความเร็ว 1.8 เมตร/นาที ซึ่งเร็วกว่าทางเลือกแบบ CO₂ ถึง 60%

ทองแดงและทองเหลือง: การเอาชนะการนำความร้อนสูง

การกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วของทองแดงต้องใช้เลเซอร์กำลัง 6 กิโลวัตต์ เพื่อรักษารอยตัดที่มีความกว้าง 0.25 มม. ในแผ่นหนา 5 มม. ซึ่งต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเหล็กถึง 50% ทองเหลืองตอบสนองได้ดีกับโหมดพัลส์ โดยการทดลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสามารถตัดได้อย่างสะอาดที่ความหนา 8 มม. ที่ความเร็ว 4.2 เมตร/นาที โดยใช้อุปกรณ์หัวฉีดแบบปรับตัวได้

ไทเทเนียม: การตัดด้วยความแม่นยำในความหนาปานกลางพร้อมตัวอย่างกรณีศึกษา

ผู้ผลิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศสามารถบรรลุความแม่นยำ ±0.1 มม. บนไทเทเนียมหนา 15 มม. โดยใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 4 กิโลวัตต์ช่วยด้วยไนโตรเจน ทำให้ได้รอยตัดปราศจากสะเก็ดที่ความเร็ว 1.5 เมตร/นาที สำหรับชิ้นส่วนที่มีความหนาเกิน 20 มม. มักจำเป็นต้องใช้ระบบเลเซอร์-พลาสมาแบบผสมผสานเพื่อรักษาระดับประสิทธิภาพด้านต้นทุน

บทบาทของก๊าซช่วยตัดและพารามิเตอร์การตัดต่อสมรรถนะในการตัดตามความหนา

ออกซิเจน ไนโตรเจน และอากาศ: วิธีที่ก๊าซช่วยตัดมีอิทธิพลต่อความลึกและความคุณภาพของการตัด

ก๊าซช่วยที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความลึกของการตัด ความเร็วในการตัด และคุณภาพของขอบที่ได้ ก๊าซออกซิเจนช่วยเร่งกระบวนการตัดเหล็กกล้าคาร์บอนได้อย่างมาก เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่ปล่อยความร้อนออกมา แต่จะทิ้งคราบออกไซด์ไว้บนขอบตัด ซึ่งจำเป็นต้องขจัดออกเพิ่มเติมในภายหลัง ก๊าซไนโตรเจนทำงานต่างออกไป โดยทำหน้าที่คล้ายผ้าห่มป้องกันรอบวัสดุ จึงช่วยให้เหล็กสแตนเลสและอลูมิเนียมมีพื้นผิวหลังการตัดดูสะอาดตา ในกรณีที่ตัดแผ่นโลหะบางและต้องคำนึงถึงต้นทุนเป็นหลัก ก๊าซอัดอาจเป็นตัวเลือกที่ดี แม้ว่าจะไม่ได้ให้ขอบตัดที่คมชัดเท่ากับก๊าซอื่นๆ ก็ตาม นอกจากนี้อย่าลืมเรื่องความบริสุทธิ์ของก๊าซ โรงงานส่วนใหญ่จะใช้ก๊าซออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์ไม่ต่ำกว่า 99.97% หรือใช้ก๊าซไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.99% หากต้องการให้รอยตัดมีคุณภาพสม่ำเสมอทุกครั้ง

ข้อพิจารณาในการเลือกก๊าซ: ความเร็ว สะเก็ดเหล็กตกค้าง และความหนาที่สามารถตัดได้

ผู้ปฏิบัติงานต้องพิจารณาการเลือกก๊าซให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของโครงการ:

• ออกซิเจน : เพิ่มความเร็วได้ 25–40% สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน หนาประมาณ 10 มม. แต่ก่อให้เกิดคราบตะกรันที่ต้องทำการขจัดออกหลังการตัด
• ไนโตรเจน : ลดคราบตะกรันได้สูงสุดถึง 70% ในการตัดสแตนเลส แต่จำกัดความหนาสูงสุดที่สามารถตัดได้ในระดับพลังงานต่ำ
• อากาศ : ทำให้สามารถตัดได้อย่างรวดเร็ว (สูงสุด 6 ม./นาที) บนอลูมิเนียมหนา 0.5–3 มม. แต่มีความเสี่ยงต่อการบิดตัวจากความร้อน

ระบบควบคุมก๊าซอัจฉริยะสำหรับการตัดวัสดุหนาอย่างมีประสิทธิภาพ

ระบบที่ทันสมัยจะปรับแรงดันก๊าซ (±0.2 บาร์ ความแม่นยำ) และรูปแบบหัวพ่นโดยอัตโนมัติตามการตรวจจับวัสดุแบบเรียลไทม์ บนแผ่นเหล็กหนา 20–30 มม. ระบบนี้ช่วยรักษารอยตัดให้มีความสม่ำเสมอ ขณะที่ลดการใช้ก๊าซลงได้ 18–22% การตรวจสอบแบบบูรณาการช่วยป้องกันของเสียระหว่างการตัดรูปทรงซับซ้อน

การถ่วงดุลระหว่างความเร็วในการตัด ความแม่นยำ และความเสถียรของพลังงานตามความหนาต่างๆ

เมื่อทำงานกับวัสดุที่หนาขึ้น ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องลดความเร็วลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เหล็กที่มีความหนา 25 มม. โดยทั่วไปต้องใช้ความเร็วในการตัดระหว่าง 0.8 ถึง 1.2 เมตรต่อนาที โดยใช้ไนโตรเจนที่ความดัน 20 ถึง 25 บาร์ ในทางกลับกัน แผ่นบางที่มีความหนาตั้งแต่ 1 ถึง 3 มม. จะให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเมื่อเคลื่อนผ่านเครื่องตัดที่ความเร็วประมาณ 8 ถึง 12 เมตรต่อนาที โดยตั้งความดันออกซิเจนไว้ระหว่าง 8 ถึง 12 บาร์ การตั้งระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างหัวพ่นกับผิววัสดุก็มีความสำคัญเช่นกัน การรักษาระยะห่างไว้ภายใน 0.5 ถึง 1.2 มม. จะช่วยป้องกันการเกิดการไหลเวียนที่ไม่ต้องการ และช่วยปกป้องเลนส์ราคาแพงให้ปลอดภัย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งหากต้องการรักษาระดับความคลาดเคลื่อนที่แน่นหนาในช่วง ±0.1 มม. การศึกษาล่าสุดบางชิ้นที่พิจารณาผลกระทบของพารามิเตอร์ต่างๆ พบสิ่งที่น่าสนใจ: โรงงานสามารถลดค่าใช้จ่ายด้านก๊าซได้ประมาณ 30% เพียงแค่ปรับแต่งการตั้งค่าบางอย่าง โดยยังคงได้รับรอยตัดที่มีคุณภาพสูงและเป็นไปตามข้อกำหนด

คำถามที่พบบ่อย

เลเซอร์กำลัง 3 กิโลวัตต์สามารถตัดวัสดุได้หนาที่สุดเท่าใด

เลเซอร์ 3 กิโลวัตต์สามารถตัดเหล็กกล้าคาร์บอนได้โดยทั่วไปประมาณ 12 มม. แต่ค่านี้อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้

ทำไมไนโตรเจนจึงถูกเลือกมากกว่าออกซิเจนสำหรับการตัดสแตนเลส?

ไนโตรเจนช่วยรักษาขอบตัดของสแตนเลสให้สะอาดและปราศจากการเกิดออกซิเดชัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับอาหารและอุปกรณ์ทางการแพทย์

คุณสมบัติของวัสดุมีผลต่อประสิทธิภาพการตัดด้วยเลเซอร์อย่างไร?

ความสามารถในการนำความร้อนและการหลอมเหลวของโลหะสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพของกระบวนการตัด ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมต้องการกำลังเลเซอร์มากกว่าเนื่องจากมีการสะท้อนแสงสูง ในขณะที่ทองแดงกระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว จึงจำเป็นต้องใช้ระดับพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อให้การตัดมีประสิทธิภาพ

ทำไมไฟเบอร์เลเซอร์จึงทำงานได้ดีกว่าเลเซอร์ CO2 สำหรับโลหะที่หนา?

ไฟเบอร์เลเซอร์มีการถ่ายเทพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่า การดูดซับความยาวคลื่นได้ดีขึ้น และใช้ก๊าซน้อยลง ทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าในการตัดโลหะที่หนา

ก๊าซช่วยตัด (assist gases) มีบทบาทอย่างไรในการตัดด้วยเลเซอร์?

ก๊าซช่วยเหลืออย่างออกซิเจนและไนโตรเจนมีผลต่อความเร็ว ความลึก และคุณภาพของขอบที่ตัดได้ ออกซิเจนจะเร่งการตัดเหล็กกล้าคาร์บอน แต่อาจทำให้ขอบเกิดการออกซิเดชัน ในขณะที่ไนโตรเจนให้รอยตัดที่สะอาดกว่าบนเหล็กสเตนเลสและอลูมิเนียม