การตัดเหล็กหนาด้วยเลเซอร์: ช่วงพารามิเตอร์ที่ใช้งานได้และข้อกำหนดด้านคุณภาพของลำแสง

ที่ความหนาน้อยกว่า 10 มม. ปัญหาส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นกับเลเซอร์ไฟเบอร์มักเกิดจากพารามิเตอร์การตั้งค่า แต่เมื่อความหนาเกินประมาณ 16 มม. ปัญหาจะเปลี่ยนมาเป็นเรื่องของหลักฟิสิกส์

ที่ค่าความหนาขีดจำกัดนี้ ปัจจัยสามประการจะเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน:

• ร่องตัดลึก: ร่องตัดกลายเป็นช่องลึกที่ก๊าซช่วยไม่สามารถไหลถึงส่วนก้นร่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• การกระจายลำแสง: ผลจากความยาวเรย์ลี (Rayleigh length) และการกระจายตัวของลำแสงทำให้จุดโฟกัสขยายตัวอย่างวัดได้ ที่ระดับความลึก 20 มม. ใต้ผิววัสดุ

• ความเสี่ยงจากการเจาะ: การเจาะ — ไม่ใช่การตัด — คือขั้นตอนที่มีแนวโน้มสูงสุดที่จะทำให้ชิ้นส่วน หัวฉีด และเลนส์ป้องกันเสียหายจนต้องทิ้ง

คู่มือนี้สำรวจการตัดแผ่นเหล็กคาร์บอนความหนา 16–30 มิลลิเมตรและแผ่นเหล็กความแข็งแรงสูง โดยครอบคลุมขีดจำกัดของผลคูณพารามิเตอร์ลำแสง (BPP) ระบบโฟกัสแบบซูม การเจาะแบบค่อยเป็นค่อยไป ไดนามิกส์ของออกซิเจน การควบคุมความเอียง และการป้องกันการเกิดสลากรี

ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสแล้วมีรูปร่างเป็นกรวย ไม่ใช่ทรงกระบอก ความหนาแน่นของกำลังที่ก้นร่องตัดลึก 25 มิลลิเมตรต่ำกว่าที่ส่วนบนอย่างมาก และโลหะหลอมเหลวต้องเดินทางไกลขึ้นมากก่อนจะถูกขับออก ขนาดจุดโฟกัสเล็ก ความเร็วในการตัดสูง และการโฟกัสที่แน่น — ซึ่งใช้ได้ผลดีกับแผ่นบาง — กลับกลายเป็นอุปสรรคต่อกระบวนการนี้โดยตรง

บนแผ่นหนา 3 มิลลิเมตร แก๊สช่วยตัดจะเข้าถึงโซนตัดทันที แต่บนแผ่นหนา 25 มิลลิเมตร แก๊สต้องไหลผ่านช่องแคบซึ่งมีผนังหลอมละลายและกว้างมักไม่เกิน 1.0 มิลลิเมตร ความดันสถิตที่หัวฉีดให้ข้อมูลเกี่ยวกับความดันแบบไดนามิกที่บริเวณก้นช่องตัดได้น้อยมาก ปัญหาที่ผู้ใช้งานร้องเรียนว่า "กำลังเลเซอร์ไม่เพียงพอ" ส่วนใหญ่แท้จริงแล้วเกิดจากปัญหาพลศาสตร์ของแก๊ส

ที่ความหนา 20 มิลลิเมตร ความเอียง 0.3 มิลลิเมตรต่อด้านหนึ่งด้าน คิดเป็นความคลาดเคลื่อนเชิงมิติ 1.5% ซึ่งระบบควบคุมคุณภาพจะตรวจพบทันที แต่ที่ความหนา 3 มิลลิเมตร ความคลาดเคลื่อนเดียวกันนี้แทบไม่สามารถสังเกตเห็นได้

ผลคูณพารามิเตอร์ลำแสง (Beam Parameter Product: BPP) คือมุมการกระจายครึ่งหนึ่งคูณด้วยรัศมีบริเวณจุดที่ลำแสงแคบที่สุด (วัดเป็น มิลลิเมตร·มิลลิเรเดียน) ค่า BPP กำหนดว่าลำแสงเลเซอร์สามารถโฟกัสให้แคบได้มากน้อยเพียงใด และจะกระจายออกอย่างรวดเร็วเพียงใด ต่างจากกำลังเลเซอร์ดิบ ค่า BPP ไม่สามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นได้เพียงแค่เพิ่มโมดูลกำลัง

สำหรับแหล่งกำเนิดไฟเบอร์ที่ความยาวคลื่น 1 ไมโครเมตร ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนตามทฤษฎีอยู่ที่ประมาณ 0.34 มิลลิเมตร·มิลลิเรเดียน แหล่งกำเนิดเชิงอุตสาหกรรมในโลกจริงมีค่าแตกต่างกันมาก:

• แหล่งกำเนิดแบบ single-mode ที่มีความสว่างสูง: ประมาณ 0.3–1.5 มิลลิเมตร·มิลลิเรเดียน

• แหล่งกำเนิดแบบตัดแบบ multimode มาตรฐาน: ประมาณ 2.0–6.0 มิลลิเมตร·มิลลิเรเดียน

• แหล่งกำเนิดกำลังสูงรุ่นเก่า: 8.0 มิลลิเมตร·มิลลิเรเดียน ขึ้นไป

ขนาดจุดโฟกัสและความยาวเรย์ลี (ความลึกของโฟกัส) มีความสัมพันธ์กันโดยตรงผ่านค่า BPP โดยเมื่อค่า BPP คงที่ การลดเส้นผ่านศูนย์กลางจุดโฟกัสลงครึ่งหนึ่ง จะทำให้ความยาวเรย์ลีลดลงเหลือเพียงหนึ่งในสี่ จุดโฟกัสขนาด 0.15 มิลลิเมตร ซึ่งเหมาะสำหรับการตัดเหล็กกล้าไร้สนิมหนา 4 มิลลิเมตร จะอยู่นอกโฟกัสอย่างรุนแรงเมื่อตัดผ่านแผ่นวัสดุหนา 25 มิลลิเมตร เพียงหนึ่งในสามของความหนาทั้งหมด

การตัดวัสดุที่มีความหนามาก จำเป็นต้องใช้จุดโฟกัสที่ใหญ่ขึ้นพร้อมความลึกโฟกัสที่ใช้งานได้ยาวขึ้น ซึ่งต้องอาศัยคุณภาพลำแสงที่เหนือกว่า (ค่า BPP ต่ำกว่า) ในการบรรลุเป้าหมาย แม้เครื่องจักรสองเครื่องจะระบุกำลังงานเท่ากันที่ 20 กิโลวัตต์ แต่ความสามารถในการตัดวัสดุที่หนาที่สุดอาจต่างกันถึง 100% เพียงเพราะคุณภาพลำแสงไม่เท่ากัน

คำแนะนำสำหรับผู้ซื้อ: "20 กิโลวัตต์" ไม่ใช่ข้อมูลจำเพาะที่สมบูรณ์ ควรสอบถามเสมอเกี่ยวกับค่า BPP ที่ส่งออกจริง เส้นผ่านศูนย์กลางแกนไฟเบอร์ และขนาดจุดโฟกัสที่ส่งผ่านหัวตัดจริง

ตารางด้านล่างนี้ให้กรอบวิศวกรรมเชิงปฏิบัติสำหรับการตัดด้วยออกซิเจนของเหล็กกล้าคาร์บอนโครงสร้าง (ไม่ใช่ขีดจำกัดการตัดแบบทฤษฎี)

หมายเหตุ: ความเร็วที่ระบุนี้เป็นเพียงค่าโดยประมาณสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ใช้ก๊าซออกซิเจน ข้อกำหนดของผู้จัดจำหน่ายเกี่ยวกับ "ความหนาสูงสุด" มักอ้างถึงความสามารถในการตัดแยก (การแยกแผ่นโลหะ) มากกว่าคุณภาพขอบที่เหมาะสมสำหรับงานขึ้นรูป

เกรดเช่น S690/S700 และแผ่นโลหะทนสึกหรอที่ผ่านกระบวนการอบชุบและดับ (ความแข็ง 400–500 HB) ก่อให้เกิดความเสี่ยงทางการค้าสองประการที่เฉพาะเจาะจง:

1. บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) อ่อนตัว: การตัดด้วยออกซิเจนส่งความร้อนสูงเข้าไปในโลหะผสมที่ผ่านการอบความร้อน ทำให้เกิดโซนที่อ่อนตัว (HAZ) ซึ่งอาจมีความแข็งต่ำกว่าข้อกำหนดสำหรับการดึง

2. การแตกร้าวที่ขอบ: แผ่นโลหะหนาที่มีความแข็งแรงสูงมีความเสี่ยงสูงต่อการแตกร้าวบริเวณขอบเมื่อถูกตัดขณะร้อนแล้วจึงขึ้นรูปต่อโดยไม่ผ่านกระบวนการลดความเครียด

สำหรับขอบที่ต้องควบคุมความแข็งอย่างแม่นยำ การตัดด้วยไนโตรเจนหรืออากาศแรงดันสูงที่ความเร็วลดลงมักเป็นทางเลือกเชิงวิศวกรรมที่เหมาะสมกว่าการใช้ออกซิเจน

หัวตัดแบบซูมมีระบบเลนส์รวมแสงที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ฝังอยู่ภายใน ซึ่งสามารถปรับอัตราส่วนการขยายของลำแสงก่อนที่จะตกกระทบกับเลนส์โฟกัส ส่งผลให้สามารถปรับขนาดจุดโฟกัสและความลึกของโฟกัสแบบพลวัตโดยไม่ต้องเปลี่ยนเลนส์จริง

• รูปร่างโค้งบนแผ่นหนา 20 มิลลิเมตรขึ้นไป: เพิ่มขนาดจุดโฟกัสเพื่อยืดความลึกของโฟกัส โดยยอมลดความเข้มสูงสุด เพื่อให้ได้ผนังรอยตัดที่ตรงขึ้นและเอียงน้อยลง

• ขั้นตอนการเจาะรู: ขยายขนาดจุดโฟกัสเพื่อลดความเข้มสูงสุด และป้องกันการกระเด็นอย่างรุนแรง โดยปรับการซูมแบบพลวัตควบคู่ไปกับการเพิ่มกำลังงานแบบค่อยเป็นค่อยไป

• เรขาคณิตของรูขนาดเล็ก: ลดขนาดจุดโฟกัสเพื่อตัดรูที่มีความลึกน้อยกว่าความหนาของแผ่น โดยให้ใช้โปรไฟล์จุดโฟกัสแบบขยายในขั้นตอนการเจาะเบื้องต้น เพื่อป้องกันการระเบิดออก

ข้อกำหนดของคอนโทรลเลอร์: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคอนโทรลเลอร์ CNC ของท่านรองรับการเปลี่ยนขนาดจุดโฟกัสภายในชั้นเดียวกัน หัวเลนส์แบบซูมที่สามารถปรับได้เฉพาะต่อชั้นเท่านั้น จะสูญเสียประสิทธิภาพส่วนใหญ่เมื่อใช้กับแผ่นหนา

การเจาะแบบคงกำลังสูงสุดโดยไม่เคลื่อนที่ด้วยแก๊สออกซิเจนบนแผ่นความหนา 25 มม. จะก่อให้เกิดการระเบิด: โลหะหลอมเหลวและออกไซด์ของเหล็กพุ่งขึ้นอย่างรุนแรง ทำให้เศษตะกรันเชื่อมติดกับหัวฉีด และทำลายส่วนเลื่อนป้องกัน

การเจาะแบบค่อยเป็นค่อยไป ขจัดความเสี่ยงนี้ด้วยลำดับขั้นตอนหลายขั้นตอน:

1. เริ่มต้นด้วยการกระจายโฟกัสสูง: ตั้งความสูงในการเจาะให้สูงขึ้น และปรับจุดโฟกัสให้อยู่เหนือผิวแผ่น เพื่อกระจายพลังงานความร้อนเริ่มต้น

2. การเริ่มต้นแบบคีย์โฮลแบบเป็นจังหวะ กำลังสูงสุดที่ไซเคิลงานต่ำช่วยเริ่มกระบวนการหลอมโดยไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเอกโซเทอร์มิกที่ควบคุมไม่ได้

3. การดำเนินการแบบลดระดับทีละขั้น จุดโฟกัสลดลงในขณะที่กำลัง/ไซเคิลงานเพิ่มขึ้นเป็นระยะๆ ทั้งหมด 3 ถึง 6 ขั้นตอน เพื่อเจาะลึกเข้าไปอย่างค่อยเป็นค่อยไป

4. การพักที่ก้นรู การพักที่กำลังลดลงช่วยให้ทะลุผ่านวัสดุได้สมบูรณ์และทำให้บริเวณที่หลอมเหลวสามารถไหลออกได้

5. การเปลี่ยนผ่านสู่การตัด ความดัน จุดโฟกัส และกำลังจะปรับเปลี่ยนไปสู่พารามิเตอร์การตัดอย่างไร้รอยต่อ ก่อนที่การเคลื่อนที่ของแกนจะเริ่มขึ้น

สำหรับชิ้นงานที่ต้องเจาะรูจำนวนมากบนแผ่นวัสดุหนา เวลาในการเจาะรูแต่ละรูจะมีผลโดยตรงต่อต้นทุนการผลิตทั้งหมด ดังนั้นควรประเมิน "ประสิทธิภาพของรอบการเจาะรู" ควบคู่ไปกับกำลังเลเซอร์ดิบก่อนตัดสินใจซื้อเครื่องจักร

การตัดด้วยเลเซอร์แบบใช้ออกซิเจนอาศัยปฏิกิริยาออกซิเดชันของเหล็กที่ปล่อยความร้อน แทนที่จะพึ่งแรงกลในการขับไล่วัสดุหลอมละลายออกอย่างบริสุทธิ์ ความดันแก๊สที่สูงเกินไปจะรบกวนชั้นขอบเขตของวัสดุที่หลอมละลาย ทำให้บริเวณที่เกิดปฏิกิริยาเย็นลง และส่งผลให้รอยตัดกว้าง มีร่องลึก และเกิดการออกซิไดซ์มากเกินไป

แผ่นหนาต้องการอัตราการไหลปริมาตรสูงที่ความเร็วการไหลต่ำ หัวพ่นขนาดใหญ่กว่าที่ความดันปานกลางจะส่งก๊าซลงไปตามร่องลึกโดยไม่ก่อให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วน สำหรับวัสดุหนา 20–30 มม. หัวพ่นชั้นเดียว (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1.2–2.5 มม.) ที่ทำงานที่ความดัน 0.6–1.5 บาร์ ถือเป็นช่วงความเร็วในการทำงานมาตรฐาน

• ต่ำกว่าความเร็วที่เหมาะสม: รอยตัดร้อนจัดเกินไป ส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันอย่างรุนแรง และเศษโลหะหลอมเหลวที่หยาบและเป็นก้อนที่ขอบล่าง

• สูงกว่าความเร็วที่เหมาะสม: ลำแสงเคลื่อนที่เร็วกว่าปฏิกิริยาการออกซิเดชัน จึงทิ้งเศษโลหะหลอมเหลวที่ละเอียดและยึดติดแน่นมากบริเวณขอบล่าง

สำหรับแผ่นหนา 25 มม. ช่วงความเร็วที่ใช้งานได้อาจแคบเพียง ±20% ของความเร็วที่ระบุไว้ ควรใช้การปรับอัตราป้อนเฉพาะตามรูปร่างของชิ้นงาน แทนที่จะใช้อัตราป้อนคงที่ทั่วทั้งชิ้นงาน การเกิดเศษโลหะหลอมเหลวที่มุมเกือบทั้งหมดเกิดจากภาวะลดความเร็วโดยไม่มีการปรับกำลังไฟฟ้าหรืออัตราการจ่ายก๊าซร่วมด้วย

ความบริสุทธิ์ของก๊าซต่ำกว่า 99.5% จะทำให้ความเร็วในการตัดลดลงทันที และเกิดการสะสมของสิ่งสกปรก (dross) อย่างรุนแรง เสมอต้องวัดความบริสุทธิ์ของก๊าซและแรงดันแบบไดนามิกโดยตรงที่ทางเข้าหัวตัดขณะไหลเต็มกำลัง

• สาเหตุ: รูปทรงเรขาคณิตตามธรรมชาติของการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน โดยก๊าซมีความสดใหม่สูงสุดที่บริเวณด้านบน

• มาตรการแก้ไข: เลื่อนจุดโฟกัสให้ลึกลงไปในวัสดุเล็กน้อย ขยายขนาดจุดโฟกัสเพื่อให้ความหนาแน่นของพลังงานในแนวตั้งสม่ำเสมอ และปรับศูนย์กลางหัวพ่นให้สอดคล้องกัน

• สาเหตุ: จุดโฟกัสอยู่ลึกเกินไป ร่วมกับแรงดันก๊าซช่วยสูงเกินไป หรือเส้นผ่านศูนย์กลางหัวพ่นเล็กเกินไป

• มาตรการแก้ไข: ยกตำแหน่งโฟกัสขึ้น ลดแรงดันก๊าซ ขยายขนาดรูเปิดของหัวพ่น

• สาเหตุ: ป้อนความร้อนมากเกินไปต่อหน่วยความยาว (การเผาไหม้เกิน)

• มาตรการแก้ไข: เพิ่มความเร็วในการตัด ลดกำลังเลเซอร์ หรือปรับลดความดันออกซิเจน

• สาเหตุ: ลำแสงเคลื่อนเร็วกว่าแนวหน้าของการเกิดออกซิเดชัน

• มาตรการแก้ไข: ลดความเร็วในการตัด หรือลดตำแหน่งโฟกัสลง ห้ามเพิ่มความดันก๊าซ เพราะจะทำให้เศษโลหะที่เกิดจากการตัดด้วยความเร็วสูงแย่ลง

เมื่อประเมินเครื่องเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงสำหรับการประมวลผลวัสดุความหนา 16–30 มิลลิเมตร ให้กำหนดให้ผู้จัดจำหน่ายยืนยันข้อมูลดังต่อไปนี้

• ค่า BPP ที่ส่งออกจริง และขนาดจุดโฟกัสที่แท้จริงบนชิ้นงานผ่านหัวตัด

• อัตราส่วนการซูมของระบบออปติก และความสามารถในการปรับขนาดจุดโฟกัสแบบไดนามิกภายในแต่ละชั้น

• ความหนาสูงสุดที่สามารถเจาะแบบค่อยเป็นค่อยไปได้ตามเอกสาร (ไม่ใช่เพียงความหนาสูงสุดที่สามารถตัดผ่านได้)

• อัตราการใช้ปริมาตรออกซิเจนที่คำนวณได้ (ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง) ที่ความหนาแผ่น 20–30 มิลลิเมตร และต้นทุนการดำเนินงานที่สอดคล้องกัน

• การตัดตัวอย่างหน้าไซต์โดยใช้เหล็กกล้าเกรดเฉพาะของท่าน โดยวัดค่าความเอียง (taper) และถ่ายภาพเศษโลหะ (dross) ภายใต้แสงที่มีมาตรฐานเดียวกัน

ความสามารถในการตัดแผ่นหนาจะถูกกำหนดก่อนการออกใบสั่งซื้อ — โดยขึ้นอยู่กับคุณภาพลำแสง ความสามารถในการเจาะทะลุ (piercing capability) และพลศาสตร์ของก๊าซ

หากท่านระบุเครื่องจักรสำหรับเหล็กโครงสร้างหรือเหล็กทนการสึกหรอที่มีความหนา 16–30 มิลลิเมตร โปรดส่งข้อกำหนดเกี่ยวกับความหนา ชนิดวัสดุ และค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ทีมวิศวกรแอปพลิเคชันของเราจะให้คำแนะนำที่เหมาะสมเกี่ยวกับกำลังไฟฟ้าและค่า BPP รวมทั้งขั้นตอนการเจาะแบบค่อยเป็นค่อยไป (progressive pierce routine) และการทดสอบตัวอย่างที่โรงงานก่อนส่งมอบ

[ขอประเมินการใช้งานสำหรับแผ่นหนา] →โปรดระบุความหนาของแผ่น ชนิดวัสดุ เส้นผ่านศูนย์กลางรูที่เล็กที่สุดที่ต้องการ และค่าความคลาดเคลื่อนขอบที่ต้องการ เพื่อการประเมินทางวิศวกรรม