หลักการทำงานของเครื่องตัดแบบไฮบริดเลเซอร์-ออกซิเจน

การตัดวัสดุคอมโพสิตด้วยเปลวไฟเลเซอร์ โดยทั่วไปหมายถึง “การตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจน“การตัดด้วยเลเซอร์” เป็นหนึ่งในกระบวนการตัดด้วยเลเซอร์หลัก (อีกสองกระบวนการคือการหลอมด้วยเลเซอร์และการตัดด้วยการระเหยด้วยเลเซอร์) คำว่า “การตัดด้วยเลเซอร์” ไม่ได้หมายถึง “เปลวไฟที่เกิดจากเลเซอร์” แต่เป็นกระบวนการแบบผสมผสานที่ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อน ร่วมกับออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นแก๊สช่วย เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาการเผาไหม้ออกซิเดชันอย่างรุนแรง (เช่น “เปลวไฟ”) ในโลหะ (ส่วนใหญ่เป็นเหล็ก) ระหว่างกระบวนการตัด กระบวนการนี้ใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการตัดอย่างมาก

ต่อไปนี้ เราจะอธิบายหลักการดังกล่าวโดยละเอียดจากหลายแง่มุม:

หลักการสำคัญ: การเผาไหม้โลหะแบบควบคุมด้วยเลเซอร์

1. บทบาทของเลเซอร์ (การจุดไฟและการบำรุงรักษา):

• ลำแสงเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงจะถูกโฟกัสไปที่พื้นผิวของชิ้นงาน ทำให้โลหะที่ได้รับแสงมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดติดไฟ (ประมาณ 1350°C สำหรับเหล็ก)
• ลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนที่มีพลังงานสูงและแม่นยำอย่างต่อเนื่อง ซึ่งไม่เพียงแต่จุดประกายปฏิกิริยาเท่านั้น แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือช่วยรักษาระดับอุณหภูมิในบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาให้สูงอยู่เสมอ

2. บทบาทของออกซิเจน (ตัวเร่งการเผาไหม้และตัวกำจัดสิ่งเจือปน):

• กระแสออกซิเจนบริสุทธิ์สูงแรงดันสูง 1 กระแสถูกฉีดเข้าไปในแนวแกนเดียวกันกับลำแสงเลเซอร์ไปยังจุดโลหะที่ถูกทำให้ร้อนด้วยเลเซอร์
• เหล็ก (Fe) ที่ถึงจุดติดไฟและออกซิเจน (O₂) จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันคายความร้อนอย่างรุนแรง (การเผาไหม้): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, เกิดความร้อน
• ปฏิกิริยานี้ปล่อยความร้อนออกมาจำนวนมาก (ประมาณ 3-5 เท่าของพลังงานเลเซอร์!) นี่คือหัวใจสำคัญของพลังงานแบบ "ผสม" ความร้อนเพิ่มเติมนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการหลอม/การกลายเป็นแก๊สโดยรวมอย่างมาก

3. กระบวนการความร่วมมือแบบผสมผสาน:

• การอุ่นก่อนและการจุดติดไฟ: เลเซอร์จะให้ความร้อนแก่โลหะบริเวณนั้นจนถึงจุดติดไฟก่อน
• การเผาไหม้แบบคายความร้อน: เมื่อฉีดออกซิเจนเข้าไป โลหะจะลุกไหม้อย่างรุนแรง สร้างความร้อนสูงกว่าที่เลเซอร์จะให้ได้มาก ทำให้โลหะหลอมเหลวหรือแม้กระทั่งเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็ว และเกิดเป็นตะกรัน (ส่วนใหญ่เป็น FeO และ Fe3O4)
• การเป่าและการขึ้นรูป: บทบาทสำคัญอีกประการหนึ่งของการไหลของก๊าซออกซิเจนแรงดันสูงคือการเป่าออกไซด์โลหะหลอมเหลว (ตะกรัน) ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาในรอยตัดอย่างรุนแรงเหมือน "มีดลม" เพื่อสร้างพื้นผิวการตัดที่สะอาดและค่อนข้างเรียบ

แบบต่อเนื่อง: ลำแสงเลเซอร์จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ความร้อนแก่บริเวณใหม่ และปฏิกิริยาการเผาไหม้จะเคลื่อนตามจุดโฟกัสของเลเซอร์ไปข้างหน้าและลงล่าง จนกระทั่งทะลุผ่านชิ้นงานและเกิดเป็นรอยตัด

วิธีการแบบ "ผสมผสาน" นี้มีประสิทธิภาพอย่างไร (ข้อดี)

1. มีความสามารถในการตัดแผ่นโลหะหนาได้ดี:สำหรับการตัดเหล็กกล้าคาร์บอน (เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ) การตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจนเป็นวิธีที่คุ้มค่าและรวดเร็วที่สุดสำหรับการตัดแผ่นโลหะขนาดกลางและหนา (โดยทั่วไปมากกว่า 6 มม. จนถึง 30 มม. หรือหนากว่านั้น) การตัดด้วยการหลอมด้วยเลเซอร์อย่างเดียว (เช่น การใช้ไนโตรเจน) จำเป็นต้องอาศัยพลังงานเลเซอร์เพียงอย่างเดียวในการหลอมโลหะ ซึ่งพื้นผิวของแผ่นโลหะหนาดูเหมือนจะไม่เพียงพอ

2. ความเร็วในการตัดสูง:เนื่องจากการเพิ่มพลังงานเคมีจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ของโลหะ ทำให้พลังงานที่ป้อนเข้าไปทั้งหมดสูงกว่าพลังงานจากเลเซอร์เพียงอย่างเดียวมาก ดังนั้นความเร็วในการตัดจึงเร็วกว่าการตัดแบบหลอมละลายภายใต้กำลังไฟที่เท่ากันอย่างเห็นได้ชัด

3ความต้องการพลังงานของอุปกรณ์ค่อนข้างต่ำ:ในการตัดเหล็กกล้าคาร์บอนชนิดเดียวกัน พลังงานเลเซอร์ที่จำเป็นสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจนนั้นสามารถต่ำกว่าการตัดด้วยการหลอมด้วยเลเซอร์อย่างเดียวได้มาก ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนอุปกรณ์และการใช้พลังงาน

4. คุณภาพการตัดที่ดี:สำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนหนา สามารถทำการตัดให้ได้พื้นผิวที่ตั้งฉากดีและมีเศษโลหะตกค้างน้อย (สภาวะที่เหมาะสม)

ลักษณะและข้อจำกัดของกระบวนการ

1. การเลือกใช้วัสดุ:

• โดยหลักแล้วเหมาะสำหรับโลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ง่าย: วัสดุที่นิยมใช้และเหมาะสมที่สุดคือเหล็กกล้าคาร์บอน

• ไม่เหมาะสำหรับสแตนเลส อลูมิเนียม ทองแดง ฯลฯ:
• เหล็กกล้าไร้สนิม: โครเมียม (Cr) และธาตุอื่นๆ จะก่อตัวเป็นออกไซด์ที่มีจุดหลอมเหลวสูง (เช่น Cr2O3) ซึ่งขัดขวางการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และตะกรันจะไม่ถูกพัดออกไปได้ง่าย ส่งผลให้พื้นผิวการตัดหยาบและเกิดตะกรันเกาะติดอย่างรุนแรง
• อะลูมิเนียมและทองแดง: จุดหลอมเหลวของออกไซด์ (Al2O3, CuO) สูงกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุพื้นฐานมาก ทำให้เกิดเป็นชั้นออกไซด์ปกคลุมพื้นผิวคล้ายเปลือกแข็ง ป้องกันไม่ให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นต่อไป และยังสะท้อนแสงเลเซอร์ได้สูง

2. คุณลักษณะของพื้นผิวการตัด:

• เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน พื้นผิวของรอยตัดจะมีชั้นออกไซด์ (คล้ายกับการรมดำ) และอาจมีความหยาบเล็กน้อย (เมื่อเทียบกับด้านที่เรียบของรอยตัดไนโตรเจน)
• อาจมีกากตะกอนเล็กน้อยตกค้างอยู่ที่ก้นภาชนะ ซึ่งจำเป็นต้องลดปริมาณลงโดยการปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการให้เหมาะสม

3. พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีขนาดใหญ่ขึ้น:ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่รุนแรงจะสร้างความร้อนมากขึ้น ส่งผลให้บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนของชิ้นงานกว้างกว่าการหลอมและการตัดด้วยเลเซอร์ และการเสียรูปจากความร้อนโดยรวมของชิ้นงานอาจมีขนาดใหญ่ขึ้นเล็กน้อย

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการตัดแบบอื่นๆ

เทียบกับ การตัดด้วยเลเซอร์ไนโตรเจนบริสุทธิ์ (การตัดแบบหลอมละลาย):

• การตัดด้วยไนโตรเจน: ใช้เลเซอร์หลอมโลหะ แล้วเป่าโลหะหลอมเหลวออกไปด้วยไนโตรเจนแรงดันสูง ไม่มีปฏิกิริยาออกซิเดชัน ชิ้นงานที่ได้จึงเงาวาวและไม่มีชั้นออกไซด์ แต่ความเร็วในการตัดช้า สิ้นเปลืองแก๊สมาก และต้นทุนสูง เหมาะสำหรับสแตนเลส อลูมิเนียม ฯลฯ และไม่คุ้มค่าสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนหนา
• การตัดด้วยออกซิเจน: เป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบเติม มีความเร็วสูง ต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน แต่มีชั้นออกไซด์อยู่บนหน้าตัด

เทียบกับ การตัดด้วยเปลวไฟแบบดั้งเดิม (การตัดด้วยแก๊สออกซิอะเซทิลีน):

• การตัดด้วยเปลวไฟแบบดั้งเดิม: ใช้การอุ่นเปลวไฟล่วงหน้าและการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ มีข้อเสียคือ การอุ่นช้า รอยตัดกว้าง ความแม่นยำต่ำ และการเสียรูปจากความร้อนสูง
• การตัดด้วยเลเซอร์ออกซิเจน: ด้วยเลเซอร์พลังงานสูงที่มีความแม่นยำสูง การอุ่นเครื่องอย่างรวดเร็ว รอยตัดแคบมาก (และเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดเลเซอร์) ความแม่นยำสูง sma
• ความลาดเอียงต่ำ ผลกระทบจากความร้อนน้อย เป็นการปรับปรุงการตัดด้วยเปลวไฟแบบดั้งเดิมให้ทันสมัยยิ่งขึ้น เป็นรุ่นอัพเกรดที่มีความแม่นยำสูง

สรุป

หลักการสำคัญของเครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์ผสมเปลวไฟ (เลเซอร์ออกซิเจน) คือการใช้ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงจุดประกายและรักษาปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่รุนแรงของโลหะ (เหล็ก) ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนบริสุทธิ์อย่างแม่นยำ และรวมพลังงานความร้อนของเลเซอร์เข้ากับพลังงานเคมีของการออกซิเดชันของโลหะเพื่อให้ได้ผลการตัดแบบ “1 1>2” ซึ่งเป็นการผสมผสานข้อดีของความแม่นยำสูงและการโฟกัสสูงของเลเซอร์เข้ากับข้อดีของประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำของการเผาไหม้ด้วยออกซิเจน ทำให้เป็นกระบวนการหลักที่ขาดไม่ได้ในด้านการตัดแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนขนาดกลางและหนา