Hiệu quả của việc cắt bằng laser thực sự phụ thuộc vào việc các vật liệu khác nhau hấp thụ và phân tán năng lượng như thế nào. Chẳng hạn với kim loại, thép không gỉ và nhôm hành xử khá khác nhau bởi các tính chất nhiệt của chúng không giống nhau. Thép không gỉ dẫn nhiệt không tốt lắm, khoảng 15 W/mK, điều này có nghĩa là nhiệt thường tích tụ tại một điểm. Nhôm lại kể một câu chuyện khác khi khả năng dẫn nhiệt cao hơn nhiều, khoảng 205 W/mK, vì vậy nhiệt lan tỏa nhanh chóng khiến việc tạo ra các điểm nóng chảy đồng đều trở nên khó khăn hơn. Đồng là một trường hợp hoàn toàn khác biệt. Ở bước sóng 1 micron, đồng phản chiếu lại gần như toàn bộ ánh sáng, cụ thể là 95%. Vấn đề phản chiếu này đòi hỏi phải có những điều chỉnh đáng kể cho tia laser nếu chúng ta muốn có các đường cắt ổn định. Xét về các loại laser sợi quang hiện đại, chúng có thể hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng từ thép, gần đạt tới mức 99%, nhưng lại gặp khá nhiều khó khăn với đồng, nơi mức hấp thụ chỉ giảm xuống còn khoảng 60-70%. Đó chính là lý do tại sao các xưởng gia công sử dụng đồng thường phải áp dụng các kỹ thuật và thiết bị đặc biệt để đảm bảo quá trình cắt vận hành hiệu quả.
Khi nói đến việc cắt thép không gỉ và thép cacbon thấp, công nghệ laser sợi vượt trội hơn hẳn so với hệ thống CO2, đặc biệt là khi làm việc với các ống thành mỏng, nơi mà chúng có thể cắt nhanh hơn tới 30%. Lý do là bởi laser sợi hoạt động ở bước sóng ngắn hơn nhiều, khoảng 1.08 micron, bước sóng này được kim loại như thép hấp thụ tốt hơn, do đó ít hao phí năng lượng và rút ngắn thời gian chu kỳ tổng thể. Ngược lại, laser CO2 có bước sóng dài hơn ở mức 10.6 micron, thực tế lại phù hợp hơn với một số công việc nhất định. Chúng ít phản xạ hơn khi cắt các kim loại không chứa sắt như đồng thau, vì vậy các nhà sản xuất vẫn dựa vào chúng cho những nhiệm vụ cụ thể nơi độ ổn định là quan trọng nhất. Dựa trên những con số gần đây từ ngành hàng không vũ trụ năm 2023, các công ty sử dụng laser sợi đã giảm được chi phí cắt thép không gỉ khoảng 18,50 USD mỗi mét so với các hệ thống CO2 truyền thống. Phần lớn khoản tiết kiệm này đến từ việc sử dụng ít khí hỗ trợ hơn trong quá trình vận hành cũng như hiệu suất điện tổng thể tốt hơn.
Ba biến số ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng cắt:
Đối với thép carbon, duy trì áp suất khí trong khoảng 1,2–1,5 bar là điều cần thiết để tránh hình thành xỉ và đảm bảo chất lượng cắt đồng đều.
Thép không gỉ và thép carbon chiếm hơn 65% ứng dụng cắt ống kim loại bằng tia laser trong công nghiệp (IMTS 2023), được đánh giá cao nhờ sự cân bằng giữa độ bền, khả năng hàn và phản ứng tốt với năng lượng laser. Các vật liệu này có thể được gia công với độ dày từ 0,5 mm đến 25 mm với vùng ảnh hưởng nhiệt cực nhỏ, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho sản xuất độ chính cao.
Thép không gỉ như 304 và 316 thuộc dòng austenitic được sử dụng rộng rãi vì chúng chứa khoảng 18 đến 20 phần trăm crom. Chính thành phần này mang lại khả năng chống gỉ và chống hư hại bởi hóa chất rất tốt. Khi nói đến việc cắt các vật liệu này, công nghệ laser sợi hiện đại ngày nay cho phép thực hiện những đường cắt rất khít. Chúng ta đang nói về độ rộng rãnh cắt (kerf width) có thể xuống tới chỉ 0,1 milimét, với độ chính xác kích thước trong khoảng ±0,05 mm ngay cả trên những ống dày 15 mm. Các nhà sản xuất thiết bị y tế và những đơn vị chế tạo ống dùng trong ngành chế biến thực phẩm absolutely cần loại độ chính xác này. Sản phẩm của họ đòi hỏi các bề mặt hoàn toàn trơn tru, không có mép sắc hay ba via, điều mà chỉ các hệ thống laser tiên tiến mới có thể đáp ứng một cách nhất quán trong suốt các đợt sản xuất.
Để đạt được đường cắt không oxy hóa, khí nitơ hỗ trợ ở mức 12–16 bar được khuyến nghị cho các ống thép không gỉ dày 3–8 mm. Đối với các vật liệu dày hơn (10–15 mm), tia laser sợi 4 kW hoạt động ở tốc độ 0,8–1,2 m/phút đảm bảo kết quả không có xỉ hàn đồng thời giảm thiểu biến dạng nhiệt. Các thông số này hỗ trợ tính lặp lại cao trong môi trường sản xuất tự động.
Hàm lượng carbon tương đối thấp trong thép mềm (dưới 0,3%) có nghĩa là nó hóa hơi nhanh khi được đun nóng đến khoảng 1.500 độ Celsius. Tính chất này khiến thép mềm đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng cắt bằng tia laser sợi. Với hệ thống laser tiêu chuẩn 6 kW, các kỹ thuật viên có thể cắt nhanh các ống thép mềm dày 20 mm với tốc độ ấn tượng lên tới khoảng 2,5 mét mỗi phút. Các đường cắt tạo ra gần như thẳng đứng với độ lệch góc cực nhỏ (khoảng cộng hoặc trừ nửa độ), đây là tin tốt đối với các thợ hàn không cần dành thêm thời gian cho công việc hoàn thiện sau khi cắt. Nhìn về mặt chi phí, những hệ thống laser này cũng mang lại khoản tiết kiệm đáng kể. Dữ liệu ngành năm 2023 từ FMA cho thấy chi phí vận hành giảm khoảng 23% khi chuyển từ phương pháp cắt plasma truyền thống.
Đối với các ống thép carbon có độ dày vượt quá 25 mm, chế độ laser xung (1–2 kHz) giúp kiểm soát lượng nhiệt đầu vào và ngăn ngừa cong vênh. Việc sử dụng hỗn hợp khí trợ giúp dựa trên oxy cải thiện việc loại bỏ xỉ, giảm lượng cặn còn lại tới 40% trên các đoạn 30 mm. Điều này đảm bảo độ chính xác về kích thước cho các bộ phận cấu trúc trong xây dựng và máy móc hạng nặng.
Một nhà cung cấp ô tô Tier 1 đã triển khai công nghệ cắt ống laser 3D để sản xuất 5.000 ống phun nhiên liệu mỗi ngày với độ chính xác về kích thước đạt 99,7%. Cùng hệ thống đó cũng đạt độ lặp lại 0,12 mm trên các giá đỡ thủy lực máy bay làm từ vật liệu SS304, giảm 62% thời gian gia công sau so với các phương pháp truyền thống.
Nhôm thực ra phản chiếu ánh sáng rất tốt, khoảng 90% ở những bước sóng laser điển hình mà chúng ta thường sử dụng, và nó cũng mất nhiệt khá nhanh. Những đặc tính này khiến cho việc hấp thụ năng lượng laser trở nên không ổn định trong quá trình gia công. Điều gì xảy ra sau đó? Vùng kim loại nóng chảy sẽ lan ra mất kiểm soát và vết cắt trở nên không đồng đều, đặc biệt là khi xử lý các ống thành mỏng thường gặp trong sản xuất. Dẫn nhiệt cũng là một thách thức nữa, vì nhôm dẫn nhiệt tốt hơn khoảng năm lần so với thép không gỉ. Do đó, người vận hành cần phải điều chỉnh thông số rất cẩn thận nếu muốn có những đường cắt sạch sẽ mà không bị bám cặn dross khó chịu sau khi cắt.
Việc sử dụng khí nitơ làm khí hỗ trợ sẽ giảm quá trình oxy hóa tới 70% so với khi dùng oxy. Kết hợp điều này với chế độ laser xung tần số cao (≥2.000 Hz) và khoảng cách tối ưu từ đầu phun đến vật liệu (0,8–1,2 mm) sẽ cải thiện độ mịn của mép cắt lên đến 25%. Những điều chỉnh này rất quan trọng để đạt được các bề mặt sạch, sẵn sàng hàn trong các ứng dụng cao cấp.
Một nhà sản xuất đã thực hiện một số thử nghiệm vào năm 2023, trong đó họ đạt được độ chính xác khoảng ±0,05 milimét khi chế tạo khay pin xe điện bằng hệ thống laser sợi 6 kilowatt của họ. Họ cũng nhận thấy một điều thú vị khi cắt các ống nhôm series 6xxx – bằng cách theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cắt, họ đã giảm đáng kể lượng vật liệu phế thải, từ khoảng 12 phần trăm xuống còn chỉ hơn 3 phần trăm. Theo các nghiên cứu gần đây được công bố trên các tạp chí như Journal of Materials Processing Technology, rõ ràng đã có sự chuyển dịch mạnh mẽ trong việc sử dụng nhôm để chế tạo xe nhẹ hơn. Các nhà sản xuất xe điện hiện đang thay thế khoảng bốn mươi phần trăm số bộ phận trước đây làm bằng thép bằng các chi tiết nhôm được cắt đặc biệt này.
Laser sợi hiện đang thống trị việc cắt ống nhôm, chiếm 68% các hệ thống được lắp đặt trên toàn cầu. Bước sóng 1,08 μm của chúng mang lại khả năng hấp thụ tốt hơn so với laser CO₂, cho phép tốc độ cắt đạt 1,2–1,8 m/phút trên nhôm 8 mm với kết quả không có xỉ. Hiệu suất này thúc đẩy việc ứng dụng trong các lĩnh vực hệ thống sưởi, thông gió, làm mát (HVAC), giao thông vận tải và năng lượng tái tạo.
Khi làm việc với vật liệu đồng và đồng thau, chúng có xu hướng phản xạ lại khoảng 95% năng lượng laser ở các bước sóng hồng ngoại này, theo một số nghiên cứu gần đây của Viện Xử lý Laser năm 2023. Sự phản chiếu này gây ra những vấn đề thực tế cho các bộ phận quang học và khiến việc duy trì điều kiện xử lý ổn định trở nên khá thách thức. Đồng thau còn tạo ra một cấp độ khó khăn khác vì khi cắt, thành phần kẽm có xu hướng bay hơi, dẫn đến các đường cắt không đồng nhất với mép cắt không đều và đôi khi thậm chí tạo ra các lỗ nhỏ li ti trên vật liệu. Để khắc phục những vấn đề này, hầu hết các chuyên gia đều dựa vào thiết lập laser xung kết hợp với khí nitơ hỗ trợ. Các xung giúp kiểm soát quá trình nóng chảy tốt hơn trong khi khí nitơ ngăn chặn oxy hóa, làm cho toàn bộ quá trình cắt trở nên đáng tin cậy và dễ dự đoán hơn nhiều đối với các nhà sản xuất đang xử lý những kim loại khó tính này.
Ngày nay, các tia laser sợi có thể cắt được những tấm đồng nguyên chất dày tới 3 mm khi hoạt động ở công suất 1 kW hoặc cao hơn, mang lại độ chính xác khoảng 0,1 mm nhờ công nghệ kiểm soát chùm tia tiên tiến. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một hạn chế đáng lưu ý: thời gian cắt kéo dài khoảng từ 30 đến 40 phần trăm lâu hơn so với khi cắt vật liệu thép, bởi đồng dẫn nhiệt rất hiệu quả. Điều khiến khả năng này trở nên khả thi chính là bước sóng 1,08 micromet của laser, được đồng hấp thụ khoảng 22%, cao gấp gần ba lần so với laser CO2 truyền thống. Sự cải tiến này đã mở ra cơ hội sản xuất các bộ phận tinh vi như ống dẫn điện thành mỏng và hệ thống trao đổi nhiệt chuyên dụng, nơi độ chính xác đóng vai trò quan trọng nhất.
Ba phương pháp đã được kiểm chứng giúp nâng cao hiệu quả xử lý đồng và đồng thau:
Những phương pháp này giảm 62% lượng cặn bám và duy trì tốc độ cắt lên đến 20 m/phút trên ống đồng thau dày 2 mm.
Theo khảo sát Công nghiệp Cắt toàn cầu 2023 mới nhất, nhu cầu về các bộ phận đồng chính xác đã tăng gần gấp rưỡi, nhưng vẫn còn một số thách thức kỹ thuật khá lớn cần vượt qua. Việc đạt được độ chính xác nhỏ hơn 0.2 mm như yêu cầu đối với các ứng dụng như trang trí, phụ kiện hàng hải và thiết bị y tế thường không thể thực hiện dễ dàng với các hệ thống cắt thông thường. Dù rằng các máy laser sợi quang 6 kW có thể cắt được đồng thau dày 8 mm với độ chính xác khoảng 0.25 độ, chi phí vận hành mỗi giờ của thiết bị này lên tới khoảng 180 USD. Mức chi phí cao như vậy khiến hầu hết các công ty chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết, thường dành cho các ứng dụng hàng không vũ trụ đắt tiền hoặc thiết bị chuyên dụng nơi mà độ chính xác cực cao thực sự quan trọng.
Các máy cắt ống bằng laser hiện đại có hiệu suất khác nhau trên các loại vật liệu chính:
| Vật liệu | Độ Dày Tối Đa (Laser Sợi) | Chất lượng cắt | Những yếu tố cần cân nhắc |
|---|---|---|---|
| Thép không gỉ | 25 mm | Xuất sắc | Yêu cầu khí hỗ trợ nitơ |
| Thép mềm | 30 mm | Độ chính xác cao | Cắt tối ưu với oxy hỗ trợ |
| Nhôm | 15 mm | Tốt | Nên sử dụng lớp phủ chống phản chiếu |
| Đồng Đỏ | 6 MM | Trung bình | Laser công suất cao (>6 kW) là lựa chọn tốt nhất |
| Đồng thau | 12 mm | Thống nhất | Điều chỉnh tần số xung là yếu tố quan trọng |
Thép không gỉ và thép mềm vẫn là vật liệu thân thiện nhất với laser, có thể đạt dung sai dưới ±0,1 mm một cách ổn định. Nhôm yêu cầu tốc độ cắt nhanh hơn 30% so với thép để tránh bavia, trong khi tính phản chiếu cao của đồng giới hạn hiệu quả — chỉ 42% các nhà sản xuất báo cáo kết quả đáng tin cậy khi cắt đồng nguyên chất, theo khảo sát chế tạo năm 2023.
Các ngành hàng không và y tế ngày càng sử dụng tia laser sợi để cắt ống titan có độ dày lên đến 10 mm. Để xử lý hiệu quả cần:
Các hợp kim siêu bền dựa trên niken như Inconel đang ghi nhận mức tăng trưởng 19% hàng năm trong việc áp dụng cắt laser, đặc biệt là cho các bộ phận ống xả chịu nhiệt độ cao yêu cầu độ bền lên đến 1.200°C.
Bốn yếu tố xác định cài đặt laser tối ưu:
Các thợ vận hành nên thực hiện các vết cắt thử nghiệm khi làm việc với các hợp kim mới, bởi ngay cả sự biến đổi 0,5% về thành phần cũng có thể làm thay đổi tốc độ cắt từ 12–15%.
Việc cắt bằng laser phụ thuộc vào cách mà vật liệu hấp thụ và lan tỏa năng lượng. Các kim loại như thép không gỉ và nhôm có các đặc tính nhiệt riêng biệt ảnh hưởng đến phản ứng của chúng với việc cắt bằng laser.
Laser sợi cung cấp tốc độ và hiệu suất vượt trội hơn so với laser CO2, đặc biệt là đối với các ống thành mỏng, nhờ bước sóng ngắn hơn và khả năng hấp thụ năng lượng tốt hơn.
Laser sợi có thể cắt đồng và đồng thau với một số điều chỉnh nhất định như thiết lập xung laser, nhưng chúng đòi hỏi nhiều năng lượng và thời gian hơn so với các kim loại mềm hơn.
Các khí hỗ trợ như nitơ và oxy được sử dụng để cải thiện chất lượng cắt, ngăn chặn oxy hóa và tăng hiệu suất tùy theo loại vật liệu.
Có, laser sợi ngày càng được sử dụng để cắt nhôm nhờ hiệu suất cao của nó, mặc dù cần có điều chỉnh do tính phản quang và độ dẫn nhiệt của nhôm.
Tin Tức Nổi Bật
RT Laser là một doanh nghiệp công nghệ cao được công nhận trên toàn quốc chuyên nghiên cứu, phát triển, sản xuất và bán thiết bị laser. Các sản phẩm cốt lõi của chúng tôi bao gồm máy cắt laser sợi quang, máy hàn laser cầm tay và máy uốn.
Số 6-8, công viên công nghiệp Binhe, quận Jiyang, thành phố Jinan, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc.
Bản quyền © 2025 thuộc về RAYTU LASER Technology Co., Ltd. Chính sách bảo mật
EN
