Làm thế nào để chọn máy cắt laser ống phù hợp với các loại vật liệu ống khác nhau?

Khả năng tương thích vật liệu và tác động của nó đến Hiệu suất cắt ống bằng laser

Các loại ống phổ biến tương thích với phương pháp cắt laser (thép không gỉ, nhôm, đồng thau, đồng, titan)

Máy cắt laser sợi quang hoạt động rất hiệu quả với năm loại kim loại chính. Thép không gỉ được sử dụng nhiều do khả năng chống ăn mòn trong các ứng dụng công nghiệp. Nhôm phổ biến trong việc chế tạo các bộ phận nhẹ cần thiết cho máy bay và tàu vũ trụ. Đồng thau đôi khi được dùng cho các chi tiết trang trí trên các tòa nhà. Đồng được sử dụng thuận tiện cho dây điện và ống dẫn, còn titan thường được tìm thấy trong các thiết bị y tế nơi độ bền là yếu tố quan trọng nhất. Các hệ thống laser hiện đại này có thể xử lý các tấm thép dày tới 25mm và các kim loại màu khoảng 15mm độ dày. Các máy móc duy trì độ chính xác ở mức cộng trừ 0,1mm, điều này tạo nên sự khác biệt lớn khi sản xuất các bộ phận cần chịu tải hoặc tạo thành các mối nối kín khít mà không bị rò rỉ.

Cách thành phần vật liệu ảnh hưởng đến chất lượng đường cắt và hiệu suất xử lý

Thành phần hóa học của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong cách chúng tương tác với tia laser trong quá trình cắt. Lấy ví dụ thép không gỉ, hàm lượng crôm của nó nghĩa là chúng ta thường cần hỗ trợ khí nitơ trong quá trình cắt để ngăn chặn sự hình thành các lớp oxit không mong muốn. Nhôm mang lại những thách thức khác biệt do khả năng dẫn nhiệt ấn tượng khoảng 237 W/mK, điều này làm cho việc sử dụng tia laser xung trở nên cần thiết để kiểm soát hiệu quả vũng nóng chảy. Khi làm việc với đồng hoặc đồng thau, người vận hành thường thấy rằng oxy hoạt động tốt đối với các tấm mỏng hơn, trong khi không khí nén phù hợp hơn với vật liệu dày hơn. Đây chỉ là một số yếu tố quan trọng mà kỹ thuật viên tại xưởng sản xuất cân nhắc khi thiết lập các quy trình cắt bằng laser.

Hàm lượng carbon cao hơn trong thép làm tăng độ cứng cạnh nhưng giảm tốc độ cắt từ 18—22% so với thép mềm do yêu cầu hấp thụ năng lượng cao hơn.

Các thách thức về độ dẫn nhiệt và độ phản xạ trong kim loại màu

Nhôm có xu hướng mất nhiệt khá nhanh, điều này có nghĩa là nó cần nhiều hơn khoảng 15 đến 20 phần trăm công suất trên mỗi đơn vị diện tích so với thép chỉ để duy trì độ rộng cắt ổn định. Khi làm việc với đồng, lại phát sinh một vấn đề hoàn toàn khác. Đồng phản xạ lại khoảng 85 đến 90 phần trăm bước sóng 1 micromet từ laser sợi. Điều này tạo ra những vấn đề nghiêm trọng do tia phản xạ, có thể làm hư hại các thành phần quang học. Để xử lý rủi ro này, nhiều cơ sở sản xuất cuối cùng phải đầu tư vào các loại hệ thống truyền dẫn tia được thiết kế đặc biệt nhằm giảm thiểu các nguy cơ này. Và sau đó là titan, vật liệu này trở nên rất nóng khi tiếp xúc với oxy. Do phản ứng này, các nhà sản xuất phải sử dụng các hỗn hợp khí trơ đặc biệt trong quá trình cắt để ngăn ngừa hiện tượng bắt lửa bất ngờ.

Tại sao các vật liệu có độ phản xạ cao như đồng và đồng thau lại gây rủi ro cho hệ thống laser sợi

Các kim loại như đồng và đồng thau, vốn phản xạ ánh sáng tốt, có thể phản chiếu lại khoảng 65 đến 75 phần trăm năng lượng laser trở lại hệ thống quang học. Điều này gây ra những vấn đề thực sự cho các thiết bị như bộ cộng hưởng và ống collimator. Chi phí sửa chữa những hư hại này thường lên tới khoảng 740.000 USD theo nghiên cứu của Ponemon từ năm ngoái. Đồng thau chứa dưới 30% kẽm sẽ làm giảm mức độ phản xạ này xuống còn mức có thể chấp nhận được, thường dao động từ 45 đến 50%. Tuy nhiên, đồng nguyên chất luôn là thách thức, trước đây phải dùng các laser CO2 truyền thống. Nhưng gần đây đã có một số đột phá. Các laser sợi hoạt động ở bước sóng 1070nm với chùm tia được điều chỉnh góc đặc biệt thực sự có thể cắt qua các tấm đồng dày từ 2 đến 5mm trong khi chỉ tiêu thụ 15% năng lượng so với các hệ thống CO2 truyền thống. Điều này tạo nên sự khác biệt lớn về chi phí vận hành.

Phù hợp công suất laser với yêu cầu về vật liệu và độ dày ống

Lựa chọn công suất laser dựa trên loại kim loại và độ dày thành ống

Việc lựa chọn công suất laser phù hợp chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu đang xử lý và độ dày của thành vật liệu đó. Ví dụ, khi làm việc với các ống thép không gỉ mỏng dưới 5mm, phần lớn mọi người nhận thấy rằng laser sợi quang từ 3 đến 4 kW là đủ để hoàn thành công việc. Tuy nhiên, tình hình thay đổi khi xét đến những vật liệu dày hơn như thép carbon 10mm, nơi mà người vận hành thường cần ít nhất 6 kW chỉ để duy trì tốc độ cắt trên 2 mét mỗi phút theo hướng dẫn mới nhất của JQ Laser năm 2024. Và còn có những vật liệu khó xử lý hơn như đồng và titan – những vật liệu dẫn điện cao. Những vật liệu này tiêu tốn rất nhiều năng lượng, do đó các nhà sản xuất thường khuyến nghị sử dụng hệ thống từ 8 đến 12 kW bất cứ khi nào độ dày vượt quá ngưỡng 6mm.

Cài đặt tối ưu cho ống thép carbon và ống thép không gỉ

Thép carbon phản ứng một cách dự đoán được với năng lượng laser, cho phép cắt hiệu quả ở công suất 3—4kW. Ngược lại, thép không gỉ cần mức công suất đầu vào cao hơn 10—15% và bảo vệ bằng khí nitơ để duy trì chất lượng mép cắt. Một nghiên cứu năm 2024 cho thấy việc sử dụng laser sợi quang 4kW trên thép không gỉ dày 5mm đạt độ nhẵn mép cắt 98,5%, vượt trội đáng kể so với các hệ thống 3kW (92%).

Yêu Cầu Công Suất Cao Cho Các Chi Tiết Titan Và Đồng Thành Dày

Nhiệt độ nóng chảy cao của titan khoảng 1.668 độ C cùng với tính phản xạ của đồng có nghĩa là hầu hết các cơ sở cần sử dụng laser sợi quang công suất từ 8 đến 12 kilowatt hoặc chuyển sang các hệ thống hàn lai laser-hồ quang khi xử lý các tấm dày trên 6 milimét. Một số mẫu laser sợi quang mới nhất thực tế có thể cắt qua các tấm đồng dày 8mm ở mức công suất chỉ 6kW mà không làm hư hại các bộ phận quang học, nhưng nhiều nhà gia công vẫn tiếp tục sử dụng laser CO2 truyền thống cho các vật liệu dày 10mm trở lên theo các tiêu chuẩn đánh giá của Feijiu Laser mà chúng ta thường tham khảo. Và đừng quên sử dụng khí nitơ hỗ trợ trong quá trình cắt vì điều này tạo ra sự khác biệt lớn trong việc giảm biến dạng và ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa không mong muốn trên những kim loại khó xử lý này.

Laser Sợi Quang vs Laser CO2: Lựa Chọn Công Nghệ Phù Hợp Với Vật Liệu Của Bạn

Ưu Điểm Của Laser Sợi Quang Đối Với Ống Thép Không Gỉ, Nhôm và Đồng Thau

Khi làm việc với các kim loại như thép không gỉ, nhôm và những ống đồng thau ở mức trung bình khá phổ biến trong các bộ phận ô tô và thành phần máy bay, laser sợi quang đơn giản là vượt trội hơn so với các lựa chọn khác. Các hệ thống này có thể đạt độ chính xác trong phạm vi 0,1 mm đối với vật liệu dày tới 20 mm, điều này khá ấn tượng. Và hiệu suất của chúng không chỉ dừng lại ở đó. Laser sợi quang thường hoạt động nhanh hơn khoảng 30 phần trăm so với các hệ thống CO2 truyền thống, đồng thời tiêu thụ ít hơn từ 20 đến 30 phần trăm khí nitơ trong quá trình vận hành. Điều thực sự nổi bật là bước sóng 1.064 nm của chúng, giúp giảm thiểu hư hại do nhiệt trên các chi tiết đồng thau tinh tế như các đầu nối thiết bị. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất đạt được độ ổn định kích thước tốt hơn mà không gặp phải các vấn đề cong vênh vốn phổ biến ở các công nghệ cũ hơn.

Hiệu quả của laser CO2 đối với các vật liệu phản quang cao như đồng và đồng thau

Khi làm việc với các ống đồng hoặc đồng thau dày hơn 15mm, phần lớn các chuyên gia vẫn lựa chọn laser CO2 nhờ bước sóng 10,6 micromet của nó. Những bước sóng này không bị phản xạ nhiều như laser sợi quang, do đó chúng thực tế hơn nhiều cho loại công việc này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống laser CO2 có thể duy trì dung sai trong khoảng cộng trừ 0,15 mm ngay cả trên đồng thau dày tới 25mm. Chúng cắt với tốc độ khoảng 2,5 mét mỗi phút, và gần như không có nguy cơ bị phản xạ ngược gây hư hại trong quá trình cắt, điều này đã được xác nhận qua nhiều thử nghiệm xử lý nhiệt. Nhờ hiệu suất đáng tin cậy này, laser CO2 thường được sử dụng trong các ứng dụng quan trọng như sản xuất linh kiện điện tử và kỹ thuật đóng tàu, nơi độ chính xác là yếu tố hàng đầu.

Hiệu quả năng lượng, bảo trì và chi phí vận hành: So sánh giữa Fiber và CO2

Laser sợi sử dụng ít hơn tới 50% năng lượng so với các mẫu CO— (NMLaser 2024), với chi phí bảo trì trung bình là 0,08 USD/giờ so với 0,18 USD/giờ đối với các hệ thống CO—. Thiết kế trạng thái rắn của chúng loại bỏ gương và khí buồng cộng hưởng, giảm thời gian ngừng hoạt động và nhu cầu vật tư tiêu hao.

Bác bỏ hiểu lầm: Laser sợi có thể cắt an toàn ống đồng nguyên chất không?

Trước đây, đồng hầu như không thể sử dụng với laser sợi quang vì độ phản xạ lên tới 98% ở bước sóng 1 micron. Nhưng gần đây, tình hình đã thay đổi khá nhiều. Các hệ thống laser mới được trang bị nhiều công nghệ hiện đại như điều khiển định dạng xung, lớp phủ chống phản xạ đặc biệt và tia laser chiếu chếch tốt hơn, cho phép các nhà sản xuất cắt những tấm đồng nguyên chất dày đến 10mm với tốc độ khoảng 1,8 mét mỗi phút. Các đường cắt cũng rất sắc nét, bề rộng dưới 0,3mm. Theo một số thử nghiệm thực hiện năm ngoái, những cải tiến này đã giảm sự cố do phản xạ ngược gần 90% so với công nghệ trước đó. Bước đột phá này có nghĩa là các ngành như HVAC, bán dẫn và truyền tải điện nay không còn phải phụ thuộc hoàn toàn vào công nghệ laser CO2 cũ kỹ để gia công đồng nữa.

Các câu hỏi thường gặp

Những vật liệu nào tương thích với cắt ống bằng laser?

Các vật liệu thường dùng tương thích với cắt ống bằng laser bao gồm thép không gỉ, nhôm, đồng thau, đồng và titan.

Thành phần vật liệu ảnh hưởng như thế nào đến việc cắt bằng laser?

Thành phần vật liệu ảnh hưởng đến việc cắt bằng laser thông qua việc tác động đến độ dẫn nhiệt và khả năng phản xạ, những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong chất lượng đường cắt và hiệu quả xử lý.

Tại sao laser sợi lại được ưu tiên sử dụng cho một số kim loại nhất định?

Laser sợi được ưu tiên sử dụng cho các kim loại như thép không gỉ và nhôm do độ chính xác, tốc độ và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các hệ thống laser CO2 truyền thống.

Laser sợi gặp những thách thức gì khi xử lý các vật liệu có độ phản xạ cao?

Các vật liệu có độ phản xạ cao như đồng có thể phản xạ một phần lớn năng lượng laser trở lại hệ thống, gây hư hại thiết bị. Cần có các hệ thống chuyên biệt để khắc phục những thách thức này.

Ưu điểm của laser CO2 khi cắt đồng và đồng thau là gì?

Laser CO2 hiệu quả trong việc cắt đồng và đồng thau dày hơn nhờ bước sóng của nó, giúp giảm hiện tượng phản xạ ngược và duy trì độ chính xác.