เครื่องตัดท่อด้วยเลเซอร์สามารถประมวลผลวัสดุท่อชนิดใดได้อย่างแม่นยำ?

วัสดุท่อที่ใช้กันทั่วไปที่เข้ากันได้กับ เครื่องตัดท่อเลเซอร์

สมัยใหม่ เครื่องตัดท่อเลเซอร์ ได้รับการออกแบบมาเพื่อแปรรูปวัสดุที่หลากหลาย ซึ่งมีความสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การก่อสร้าง ยานยนต์ และการบินและอวกาศ ความสามารถในการให้ความแม่นยำสูงบนโลหะหลากหลายชนิด ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการทำงานที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมการผลิตที่ต้องการความแม่นยำสูง

เหล็กกล้าคาร์บอนและสแตนเลส: มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการตัดอย่างแม่นยำ

เหล็กกล้าคาร์บอนยังคงได้รับความนิยมสำหรับงานโครงสร้าง เนื่องจากมีความแข็งแรงในระดับที่ยอมรับได้ พร้อมทั้งมีต้นทุนที่เหมาะสม และให้ผลลัพธ์ที่คาดการณ์ได้เมื่อทำการตัดด้วยเลเซอร์ ส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นมักถูกเลือกใช้ในพื้นที่ที่มีปัญหาเรื่องสนิม โดยเฉพาะในโรงงานผลิตอาหาร โรงพยาบาล และโรงงานที่จัดการสารเคมี เทคโนโลยีเลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นใหม่สามารถตัดโลหะเหล่านี้ได้แม่นยำถึงประมาณ 0.1 มม. ซึ่งช่วยลดพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนลงได้ราว 30% เมื่อเทียบกับระบบเลเซอร์ CO2 รุ่นเก่า ปัจจุบัน ผู้ผลิตสามารถผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ได้หลายพันชิ้นต่อวัน ด้วยความก้าวหน้านี้ รวมถึงชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ระบบไฮดรอลิกที่ซับซ้อนสำหรับเครื่องจักร และโครงสร้างโลหะที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถพบเห็นได้ในอาคารสมัยใหม่ทั่วประเทศ

อลูมิเนียมและโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง: วัสดุที่มีน้ำหนักเบาแต่ท้าทาย

ความเบาของอลูมิเนียมทำให้มันกลายเป็นวัสดุที่ผู้ผลิตเครื่องบินและรถยนต์นิยมใช้เมื่อต้องเผชิญกับข้อจำกัดด้านน้ำหนัก แต่การใช้งานกับอลูมิเนียมก็มีความท้าทาย เนื่องจากมันมีการสะท้อนแสงสูงและนำความร้อนได้เร็วมาก ซึ่งหมายความว่าการตั้งค่าเลเซอร์แบบทั่วไปจะไม่สามารถใช้งานได้ สำหรับโลหะผสมซีรีส์ 6000 การใช้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลส์ถือเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อควบคุมบริเวณโลหะหลอมเหลวขณะตัด เมื่อต้องทำงานกับอลูมิเนียมที่ยากขึ้น เช่น อลูมิเนียม 7075-T6 ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องเพิ่มความเข้มข้นของพลังงานประมาณ 20% เพื่อให้ได้รอยตัดที่สะอาดโดยไม่ไหม้ทะลุ การตั้งค่าพารามิเตอร์ให้เหมาะสมมีความสำคัญอย่างมากในการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำ เช่น ท่อระบบเชื้อเพลิงหรือระบบแลกเปลี่ยนความร้อนในอากาศยาน ซึ่งแม้แต่ข้อบกพร่องเล็กน้อยก็อาจนำไปสู่ปัญหาใหญ่ในระยะยาวได้

การประมวลผลโลหะสะท้อนแสง: ทองแดง, ทองเหลือง และอินโคเนลในงานเฉพาะทาง

การใช้งานทองแดงและทองเหลืองอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายพอสมควร เนื่องจากวัสดุเหล่านี้มีค่าการสะท้อนอินฟราเรดสูงมาก รวมถึงความสามารถในการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม อุปกรณ์ตัดแบบทันสมัยสามารถแก้ปัญหาเหล่านี้ได้โดยการติดตั้งเลนส์ป้องกันการสะท้อนพิเศษ พร้อมก๊าซไนโตรเจนเสริม ซึ่งช่วยให้สามารถตัดชิ้นงานให้ได้ขอบที่สะอาดสวยงาม สำหรับงานต่างๆ เช่น ท่อร้อยสายไฟฟ้าหรือชิ้นส่วนประปา เมื่อต้องทำงานกับอินโคเนล ซึ่งเป็นโลหะผสมนิกเกิลอย่างหนึ่งที่ทนทานมาก และมักพบในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ผู้ใช้งานจำเป็นต้องใช้เครื่องเลเซอร์ที่มีกำลังขั้นต่ำอย่างน้อย 4 กิโลวัตต์ การได้ผลลัพธ์ที่ดีหมายความว่าต้องใส่ใจในรายละเอียด เช่น การปรับระยะโฟกัสให้เหมาะสม และควบคุมอัตราการไหลของก๊าซให้ถูกต้องตลอดกระบวนการ การทำงานอย่างระมัดระวังแบบนี้จะช่วยป้องกันปัญหาไมโครครัค (รอยร้าวเล็กๆ) ที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลวของชิ้นส่วนสำคัญในระบบไอเสียของเครื่องบิน

การใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและกลาโหม: การตัดไทเทเนียมและโลหะผสมพิเศษ

ไทเทเนียมเกรด 5 รวมถึงโลหะผสมนิกเกิลหลายชนิด มีบทบาทสำคัญในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์เจ็ท ขีปนาวุธ และดาวเทียม ซึ่งต้องการความแข็งแรงเป็นหลัก เมื่อทำงานกับวัสดุเหล่านี้ ผู้ผลิตมักตัดวัสดุในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจน เพื่อป้องกันการเกิดสิ่งที่เรียกว่า ชั้นเปลือกนอก (alpha case formation) ซึ่งเป็นชั้นผิวหน้าที่สามารถทำให้โลหะอ่อนแอลงได้ในระยะยาว โดยเฉพาะปัญหาที่เกิดขึ้นกับท่อไทเทเนียมบางผนังที่ใช้ในงานด้านการบินและอวกาศอย่างแพร่หลาย เทคโนโลยีการตัดล่าสุดสามารถทำให้เกิดรอยตัดที่แคบมาก ประมาณ 0.8 มม. เมื่อแปรรูป Inconel 718 ความแม่นยำระดับนี้สามารถตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดจากผู้รับเหมาฝ่ายป้องกันประเทศและหน่วยงานอวกาศสำหรับชิ้นส่วนทั้งในระบบเรดาร์และเครื่องยนต์

ผลกระทบของคุณสมบัติวัสดุต่อความแม่นยำและการตัดคุณภาพ

ข้อพิจารณาเกี่ยวกับความหนาของวัสดุ ความสามารถสะท้อนแสง และการนำความร้อน

ความหนาของผนังท่อส่งผลจริงต่อการที่เลเซอร์เจาะเข้าไปในวัสดุ ซึ่งหมายความว่าผู้ปฏิบัติงานมักจะต้องปรับระดับพลังงานอยู่ในช่วงประมาณบวกหรือลบร้อยละ 15 เพียงเพื่อรักษากระบวนการทำงานตัดให้ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องในระดับคุณภาพที่ดี ทองแดงและทองเหลืองมีความท้าทายอีกขั้นหนึ่ง เนื่องจากมักจะสะท้อนพลังงานเลเซอร์กลับมาบางส่วน ทำให้ประสิทธิภาพในการตัดลดลงประมาณร้อยละ 20 ถึงแม้แต่ร้อยละ 35 เมื่อเทียบกับเหล็กทั่วไป สำหรับอลูมิเนียมนั้น ความสามารถในการนำความร้อนที่รวดเร็วของมันจำเป็นต้องเคลื่อนที่หัวตัดบนพื้นผิวอย่างรวดเร็วมากขึ้น ร้านค้าส่วนใหญ่พบว่าจำเป็นต้องเคลื่อนที่เร็วขึ้นประมาณหนึ่งเท่าครึ่งถึงสองเท่าเมื่อเทียบกับความเร็วที่ใช้กับเหล็ก มิฉะนั้นความร้อนจะสูญเสียมากเกินไป และรอยตัดที่สะอาดสวยงามจะเริ่มเสียคุณภาพ งานวิจัยล่าสุดจากวารสาร Materials Science and Engineering ปี 2023 ได้ศึกษาเรื่องเหล่านี้และพบสิ่งที่น่าสนใจเช่นกัน โดยวัดค่าความหยาบของพื้นผิว (ที่เรียกว่าค่า Ra) และพบความแตกต่างเกือบร้อยละ 40 เมื่อเปรียบเทียบโลหะเงาและโลหะด้านในสภาวะอื่นๆ ที่เท่ากัน

การบรรลุความแม่นยำสูงในการผลิตโลหะต่างชนิด

การควบคุมให้อยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนที่แน่นอนประมาณบวกหรือลบ 0.1 มิลลิเมตร หมายถึงการปรับตั้งค่าเลเซอร์แบบเรียลไทม์ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่นำมาใช้งาน สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนสามารถตัดได้เร็วในช่วงหกถึงแปดเมตรต่อนาที ขณะยังคงรักษาระดับความแม่นยำไว้ได้ดี แต่เมื่อเป็นโลหะผสมไทเทเนียม ปัญหาจะซับซ้อนมากขึ้น วัสดุเหล่านี้ต้องการความเร็วในการตัดช้าลงประมาณสามสิบถึงสี่สิบเปอร์เซ็นต์ เพื่อควบคุมพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน สำหรับเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งแล้วซึ่งมีความแข็งเกิน 45 ตามมาตราความแข็งร็อกเวลล์ซี (Rockwell C) โรงงานส่วนใหญ่พบว่าเป็นประโยชน์ที่จะใช้รอบอุ่นเครื่องก่อน เพื่อช่วยป้องกันการเกิดรอยร้าวเล็กๆ ที่อาจเกิดขึ้นขณะทำการตัดที่มีความแม่นยำสูงมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีใครอยากพบเจอในขั้นตอนการผลิตต่อไป

คุณภาพของพื้นผิวและความสม่ำเสมอของขอบชิ้นงานขั้นสุดท้าย

ความตั้งฉากของขอบในสแตนเลสขึ้นอยู่กับความหนา โดยเฉพาะเมื่อวัสดุหนาเกิน 0.2 มม. ขึ้นไป เมื่อใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ เราจะเห็นความแม่นยำเชิงมุมต่ำกว่า 0.5 องศาสำหรับชิ้นส่วนอลูมิเนียมบางที่มีความหนาอยู่ระหว่าง 1 ถึง 3 มม. อย่างไรก็ตาม สิ่งต่างๆ จะเปลี่ยนไปเมื่อเป็นทองเหลืองที่หนาขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากความขยายตัวจากความร้อนมักทำให้มุมเบี่ยงเบนมากขึ้น บางครั้งอาจเบี่ยงเบนได้ระหว่าง 1.2 ถึง 2.0 องศา เมื่อเป็นโลหะผสมนิกเกิล การตัดที่ปราศจากสนิมหรือเศษตกค้างกลับกลายเป็นความท้าทายที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ความดันก๊าซจำเป็นต้องควบคุมอย่างระมัดระวังให้อยู่ในช่วง ±0.15 บาร์ การใส่ใจในรายละเอียดเช่นนี้คือสิ่งที่สร้างความแตกต่างในการรักษารูปลักษณ์พื้นผิวให้มีคุณภาพดีเยี่ยม ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งในงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุด ที่ซึ่งความสมบูรณ์แบบเท่านั้นจึงจะเพียงพอ

ประเภทและพารามิเตอร์ของเลเซอร์: การเลือกเทคโนโลยีให้เหมาะสมกับวัสดุท่อ

เลเซอร์ไฟเบอร์กับเลเซอร์ CO2: สมรรถนะที่แตกต่างกันตามประเภทโลหะ

เมื่อพูดถึงการตัดท่อโลหะ เลเซอร์เส้นใย (Fiber lasers) ได้กลายเป็นทางเลือกที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงเมื่อใช้งานกับวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดี เลเซอร์ชนิดนี้สามารถสร้างรอยตัดที่แคบมาก บางครั้งมีความกว้างน้อยกว่า 20 ไมครอนในสแตนเลส และสามารถตัดวัสดุที่มีความหนา 2 มม. ได้ด้วยความเร็วประมาณ 15 ถึง 25 เมตรต่อนาที ตามรายงานอุตสาหกรรมปีที่แล้ว ในทางกลับกัน เลเซอร์ CO2 สามารถใช้กับวัสดุอย่างเช่นท่อ PVC ได้ดี แต่จะมีปัญหาเมื่อต้องทำงานกับโลหะที่มีความเงา เช่น อลูมิเนียมและทองแดง เนื่องจากลำแสงมักสะท้อนออกจากพื้นผิวเหล่านี้แทนที่จะถูกดูดซับอย่างเหมาะสม ทำให้ประสิทธิภาพในการตัดลดลงอย่างมากสำหรับงานประเภทนี้

*อ้างอิงจากความหนา 2 มม.

การปรับแต่งกำลัง ความเร็ว และจุดโฟกัสสำหรับวัสดุสะท้อนแสงหรือวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง

เมื่อทำงานกับโลหะที่มีการสะท้อนแสง ผู้ผลิตมักใช้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลส์ที่ทำงานด้วยช่วงเวลาหยุดนิ่งต่ำกว่า 500 นาโนวินาที ซึ่งจะช่วยลดการสะท้อนที่ไม่ต้องการจากพื้นผิวโลหะ และรักษาระบบการตัดให้มีความเสถียร สำหรับวัสดุที่ทนทานกว่า เช่น โลหะผสมหนาแน่นอย่าง Inconel 718 การเจาะทะลุอย่างสมบูรณ์จำเป็นต้องใช้ระบบเลเซอร์ที่สามารถจ่ายพลังงานสูงสุดได้ระหว่าง 4 ถึง 6 กิโลวัตต์ โรงงานหลายแห่งพบว่า การควบคุมโฟกัสแบบปรับตัวได้มีประสิทธิภาพมากในการงานตัดที่ต้องการความแม่นยำ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการผลิตอากาศยาน บริษัทหนึ่งรายงานว่าสามารถลดอัตราของเศษท่อไทเทเนียมลงได้เกือบ 37% หลังจากการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ พวกเขาสามารถรักษาระดับความคลาดเคลื่อนที่น่าประทับใจไว้ที่ ±0.1 มิลลิเมตร แม้จะต้องจัดการกับรูปทรงชิ้นส่วนที่แตกต่างกันหลายร้อยแบบและเรขาคณิตที่ซับซ้อน

กรณีศึกษา: การตัดท่อไทเทเนียมเชิงอุตสาหกรรมการบินและอวกาศด้วยความแม่นยำสูง

งานวิจัยในปี 2024 แสดงให้เห็นว่า เมื่อใช้เลเซอร์เส้นใยที่ความยาวคลื่น 1 ไมครอน สามารถตัดท่อไทเทเนียม Ti-6Al-4V สำหรับระบบเชื้อเพลิงของดาวเทียมได้เกือบสมบูรณ์แบบ มีความแม่นยำประมาณ 99.2 เปอร์เซ็นต์ การพัฒนาที่สำคัญเกิดขึ้นเมื่อวิศวกรปรับความถี่ของพัลส์ให้อยู่ที่ประมาณ 2.5 กิโลเฮิรตซ์ และปรับแรงดันไนโตรเจนช่วยที่ 12 บาร์ ด้วยการตั้งค่าเหล่านี้ สามารถกำจัดรอยแตกร้าวเล็กๆ ได้หมด และสามารถตัดท่อที่มีผนังหนาเพียง 0.8 มม. ได้ในความเร็วที่น่าประทับใจถึง 18 เมตรต่อนาที ซึ่งเร็วขึ้นถึง 63 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม โดยยังคงรักษาคุณภาพของขอบตัดให้อยู่ในระดับสูง

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการเลือกวัสดุสำหรับการตัดท่อด้วยเลเซอร์

การสร้างสมดุลระหว่างต้นทุน ความทนทาน และความสามารถในการแปรรูปวัสดุ

เมื่อเลือกวัสดุสำหรับการผลิต บริษัทต่างๆ จำเป็นต้องพิจารณาความจำเป็นในการใช้งานของชิ้นส่วนนั้นจริงๆ กับงบประมาณที่ต้องการใช้ในการผลิตออกมา คาร์บอนสตีล เช่น ASTM A36 ยังคงได้รับความนิยมเนื่องจากสามารถรับแรงดึงได้สูง (ความแข็งแรงทนแรงดึงมากกว่า 450 MPa) และทำงานได้ดีกับเครื่องเลเซอร์ ในขณะที่ยังคงต้นทุนต่อฟุตไว้ในระดับต่ำ การเปลี่ยนไปใช้อลูมิเนียมช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมาก ประมาณ 60% ของน้ำหนักเดิม แต่ก็สร้างความยุ่งยากให้กับผู้ใช้เครื่องเลเซอร์ที่ต้องใช้ไนโตรเจนช่วย และต้องปรับตั้งค่าอยู่ตลอดเวลา เนื่องจากโลหะชนิดนี้สะท้อนลำแสงเลเซอร์ได้ค่อนข้างมาก ไทเทเนียมเกรดอากาศยานมีราคาสูงกว่าประมาณ $12 ถึง $18 ต่อลูกบาศก์ฟุต แต่ผู้ผลิตยังคงเลือกใช้วัสดุนี้เมื่อทำงานในโครงการด้านระบบป้องกันประเทศ ชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่ฝังเข้าในร่างกายมนุษย์ หรือชิ้นส่วนยานอวกาศ วัสดุสำหรับงานเฉพาะทางเหล่านี้จำเป็นต้องมีคุณสมบัติที่ต้านทานการกัดกร่อนได้ดี รักษาความแข็งแรงไว้ได้แม้มีน้ำหนักเบา และไม่ก่อให้เกิดปัญหาภายในร่างกายมนุษย์หากนำไปใช้ในทางการแพทย์

การจับค่าคุณสมบัติของวัสดุท่อเข้ากับขีดความสามารถของระบบเลเซอร์

ความหนาของวัสดุรวมถึงการตอบสนองต่อความร้อน จะเป็นตัวกำหนดว่าความแม่นยำที่เราสามารถทำได้จริงๆนั้นอยู่ในระดับใด ยกตัวอย่างเช่น สแตนเลสเหล็กกล้า ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 3 กิโลวัตต์สามารถตัดวัสดุที่มีความหนา 6 มิลลิเมตรได้ค่อนข้างดี ให้ความแม่นยำโดยประมาณ ±0.1 มิลลิเมตร แต่เมื่อพูดถึงการตัดทองแดงที่มีความหนาเท่ากัน ปัญหาจะซับซ้อนมากขึ้น เราจำเป็นต้องใช้ระบบกำลังสูงอย่างน้อย 6 กิโลวัตต์ พร้อมกับระบบป้องกันการสะท้อนกลับของแสงเลเซอร์ เพื่อรักษาคุณภาพของรอยตัดให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีไฟเบอร์แบบพัลส์ได้ช่วยให้เกิดการพัฒนาที่สำคัญ ปัจจุบันเราสามารถตัดท่ออลูมิเนียมที่มีความหนา 8 มิลลิเมตร ด้วยความเร็วสูงถึง 12 เมตรต่อนาที โดยใช้ไนโตรเจนช่วยในการตัดเพียง 20 psi และยังคงได้รอยตัดที่สะอาดปราศจากเศษเหล็กหลอมเหลืออยู่ เมื่อทำงานกับโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง เช่น อินโคเนล 625 (Inconel 625) ผู้ปฏิบัติงานมักจะลดความเร็วในการป้อนลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับที่ใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป ซึ่งการปรับลดความเร็วนี้จะช่วยป้องกันปัญหาการเกิดรอยร้าวเล็กๆ (micro cracks) พร้อมทั้งรักษาคุณภาพผิวให้อยู่ในระดับ Ra 3.2 ไมครอน ซึ่งถือว่าค่อนข้างดีเมื่อพิจารณาถึงความท้าทายที่วัสดุประเภทนี้นำมา

คำถามที่พบบ่อย

วัสดุชนิดใดที่ใช้ร่วมกับเครื่องตัดเลเซอร์ท่อโดยทั่วไปมากที่สุด

เหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าไร้สนิมมักถูกใช้ เนื่องจากความแข็งแรงและการทำงานที่สามารถคาดการณ์ได้เมื่อใช้ตัดด้วยเลเซอร์ อลูมิเนียม ทองแดง เหล็กกล้าสังกะสี (brass) อินโคเนล และโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงก็มักถูกตัดด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์เช่นกัน

เหตุใดเลเซอร์ไฟเบอร์จึงได้รับความนิยมมากกว่าเลเซอร์ CO2 ในการตัดโลหะ

เลเซอร์ไฟเบอร์ได้รับความนิยมเนื่องจากมีความสามารถในการตัดวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดีและมีความแม่นยำสูง ในขณะที่เลเซอร์ CO2 อาจมีปัญหาในการตัดโลหะที่มีผิวเงา

การตัดอลูมิเนียมด้วยเลเซอร์มีความท้าทายอย่างไรบ้าง

อลูมิเนียมมีคุณสมบัติสะท้อนแสงได้สูงและนำความร้อนได้ดีมาก จึงต้องใช้ค่าตั้งค่าของเลเซอร์เฉพาะ และต้องการการช่วยเหลือเพิ่มเติมเพื่อให้การตัดมีประสิทธิภาพ