บทบาทของก๊าซช่วยในการตัดด้วยเลเซอร์ต่อคุณภาพการตัด

เมื่อสังเกตการณ์เครื่องตัดด้วยเลเซอร์ คุณสามารถมองเห็นลำแสงเลเซอร์ ความเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วของหัวตัด และขอบที่เรียบเนียนที่หัวตัดทิ้งไว้ได้อย่างชัดเจน แต่แท้จริงแล้วมีกระบวนการอื่นๆ เกิดขึ้นอีกมากนอกเหนือจากการที่ลำแสงเลเซอร์ทำงานเพียงอย่างเดียว ณ จุดที่ลำแสงสัมผัสกับวัสดุ จะมีกระแสก๊าซพัดผ่านไปด้วย ก๊าซนี้เรียกว่า 'ก๊าซช่วย' ซึ่งมีความสำคัญต่อคุณภาพของการตัดมากกว่าที่คนส่วนใหญ่จะเข้าใจ

เมื่อคุณใช้งานเครื่องตัดด้วยเลเซอร์ ก๊าซช่วยเป็นส่วนสำคัญหนึ่งของกระบวนการ ซึ่งมีผลต่อความเร็วในการตัด ความคมชัดของขอบรอยตัด และการเกิดเศษโลหะ (dross) ที่ติดอยู่กับชิ้นงาน ไม่ว่าจะเป็นวัสดุชนิดใดก็ตาม ก๊าซที่ใช้ ความดัน และอัตราการไหลที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับความหนาของวัสดุนั้นๆ การเลือกใช้ก๊าซช่วยให้ถูกต้องจึงเป็นปัจจัยกำหนดว่าชิ้นงานที่ได้จะมีคุณภาพดีหรือจำเป็นต้องผ่านขั้นตอนการปรับแต่งเพิ่มเติม

ก๊าซช่วยทำหน้าที่อะไร? ทำไมจึงมีความสำคัญ?

ก๊าซช่วยตัดมีบทบาทหลายประการ ประการแรก ช่วยขจัดวัสดุที่หลอมละลายออกจากรอยตัด เมื่อตัดด้วยเลเซอร์ โลหะที่หลอมละลายเกิดขึ้นจะต้องถูกขจัดออกจากบริเวณรอยตัด เพื่อป้องกันไม่ให้แข็งตัวและทำให้ขอบของรอยตัดเสียรูป ก๊าซช่วยตัดจะช่วยพัดโลหะที่หลอมละลายออกจากระดับด้านล่างของรอยตัด ประการที่สอง ช่วยปกป้องเลนส์และหัวฉีดของระบบตัด โดยกระแสก๊าซช่วยตัดจะรักษาความสะอาดของเลนส์และหัวฉีด ไม่ให้มีเศษวัสดุ ประกายไฟ หรือหยดโลหะมาเกาะติด ประการสุดท้าย ในกรณีของวัสดุบางชนิด ก๊าซช่วยตัดยังมีส่วนร่วมในกระบวนการตัดด้วย เช่น ปฏิกิริยาเอกโซเทอร์มิกของก๊าซออกซิเจนช่วยเร่งกระบวนการตัด ในขณะที่ก๊าซไนโตรเจนซึ่งไม่มีปฏิกิริยาจะช่วยขจัดโลหะออกจากบริเวณรอยตัดเช่นกัน

เพื่อเลือกก๊าซที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะแต่ละประเภท จำเป็นต้องเข้าใจบทบาทของก๊าซช่วยตัดอย่างถ่องแท้ นอกจากนี้ ก๊าซแต่ละชนิดยังมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ได้แก่ อัตราการไหล ความดัน และความบริสุทธิ์

ออกซิเจน: ก๊าซที่สร้างความร้อน

ออกซิเจนเป็นหนึ่งในก๊าซที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการตัดเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ สำหรับการใช้งานด้านอุตสาหกรรมในการตัดวัสดุ ออกซิเจนควรมีความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่าร้อยละ 99.5 เมื่อใช้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง โลหะที่ถูกให้ความร้อนบริเวณขอบของการตัดจะเริ่มลุกไหม้ ปฏิกิริยาการเผาไหม้นี้ทำให้โลหะปลดปล่อยพลังงานออกมา และช่วยให้เลเซอร์ตัดสามารถตัดวัสดุที่หนากว่าได้เร็วขึ้น อีกทั้งการไหลของออกซิเจนร่วมกับปฏิกิริยากับตะกอนโลหะยังสามารถเพิ่มความเร็วในการตัดได้ถึงร้อยละ 40 ถึง 50 เมื่อเทียบกับการใช้ก๊าซที่ไม่มีปฏิกิริยา

การตัดด้วยออกซิเจนดำเนินการที่ความดันต่ำ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 5 บาร์ หรือ 7 ถึง 70 PSI สำหรับเหล็กคาร์บอนที่มีความหนา 8 ถึง 22 มิลลิเมตร จะใช้ความดันประมาณ 10 บาร์ และอัตราการใช้ก๊าซประมาณ 20 ถึง 22 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ส่วนแผ่นโลหะที่มีความหนามากเป็นพิเศษ ความดันอาจคงอยู่ในช่วง 0.05 ถึง 0.07 MPa เมื่อใช้หัวฉีดแบบสองชั้นที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ

ข้อเสียของการใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์คือผลที่เกิดจากปฏิกิริยาที่เรียกว่า "ขอบที่ถูกออกซิไดซ์" ซึ่งทำให้เกิดชั้นออกไซด์สีเข้มที่อาจต้องทำความสะอาดก่อนนำไปทาสีหรือเชื่อม ขอบที่ได้อาจหยาบกว่าการใช้ก๊าซอื่นเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการตัดด้วยก๊าซออกซิเจนในแง่ของความเร็วและระยะความหนา มักเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในโรงงานผลิตส่วนใหญ่

ไนโตรเจน: ก๊าซสำหรับขอบที่สะอาด

เมื่อเปรียบเทียบกับออกซิเจน ไนโตรเจนเป็นก๊าซเฉื่อย และมีข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่า 99.95% สำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ โดยผู้ปฏิบัติงานส่วนใหญ่จะนิยมและใช้ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ 99.99% ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่และมีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจมากกว่า โดยก๊าซไนโตรเจนทำหน้าที่เพียงแค่ดันวัสดุที่หลอมละลายออกจากแนวตัด ทำให้พื้นผิวที่ได้มีความสะอาด

เนื่องจากไนโตรเจนขึ้นอยู่กับและใช้แรงกล จึงต้องการแรงดันสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ โดยช่วงแรงดันในการทำงานทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 20 บาร์ หรือ 150 ถึง 300 PSI ในการตัดวัสดุที่มีความหนาน้อยกว่า 8 มม. มักใช้แรงดัน 15 บาร์ร่วมกับอัตราการไหล 50 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง สำหรับวัสดุที่มีความหนา 12 ถึง 15 มม. จะต้องใช้แรงดัน 15 ถึง 22 บาร์ พร้อมอัตราการไหล 120 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ส่วนในส่วนที่หนาที่สุดคือ 22 มม. แรงดันที่ใช้โดยทั่วไปคือ 22 ถึง 30 บาร์ (หรือ 319 ถึง 435 PSI) และอัตราการไหล 150 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง

เมื่อตัดเหล็กกล้าไร้สนิมและอลูมิเนียมด้วยไนโตรเจน ขอบของชิ้นงานจะมีความเงา ปราศจากออกซิเดชัน การเปลี่ยนสี และคราบสเกล ชิ้นส่วนที่ถูกตัดสามารถนำไปเชื่อมและพ่นสีได้ทันทีหลังออกจากเครื่องโดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการเตรียมเพิ่มเติม ข้อเสียคือความเร็วในการตัดด้วยไนโตรเจนจะช้าลง และการใช้ก๊าซสูงมาก ตัวอย่างเช่น ถังไนโตรเจนขนาด 40 ลิตร ที่ความดัน 15 MPa และความบริสุทธิ์ 99.99 เปอร์เซ็นต์ จะใช้งานได้เพียง 35 นาทีเท่านั้น เมื่อใช้หัวฉีดขนาด 2.0 มม. ที่ความดัน 1.2 MPa ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการผลิตจำนวนมาก

อากาศอัด: ทางเลือกแบบประนีประนอม

อากาศอัดเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า และถือเป็นการประนีประนอมอย่างแท้จริง องค์ประกอบของอากาศอัดประกอบด้วยไนโตรเจนประมาณร้อยละ 78 และออกซิเจนประมาณร้อยละ 21 ที่เหลือเป็นก๊าซอื่นๆ ในสัดส่วนเล็กน้อย นี่คือเหตุผลที่เกิดการออกซิเดชันบางส่วนจากส่วนประกอบของออกซิเจน แต่น้อยกว่าที่เกิดขึ้นเมื่อใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ ขอบที่ตัดด้วยอากาศอัดจะสะอาดกว่าเมื่อใช้ออกซิเจน แต่ไม่สะอาดเท่าเมื่อใช้ไนโตรเจน ความเร็วในการตัดด้วยอากาศอัดนั้นดีกว่า แต่ไม่ดีเท่ากับก๊าซอีกสองชนิด

หากคุณจำเป็นต้องตัดวัสดุบางๆ ที่มีความหนา 3–4 มม. และคุณภาพไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ต้องพิจารณา การใช้อากาศอัดจึงเป็นวิธีที่ดีในการประหยัดค่าใช้จ่าย ต้นทุนที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องมีเพียงพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศ และค่าบำรุงรักษาระบบกรองของเครื่องอัดอากาศ

อย่างไรก็ตาม การใช้อากาศอัดในการตัดงานนั้นมีความเสี่ยงสูงมาก เนื่องจากอากาศมีสิ่งปนเปื้อนจำนวนมาก เช่น ฝุ่น น้ำ และน้ำมัน ซึ่งจะทำให้เลนส์ออปติกเสียหายและลดคุณภาพของการตัดลง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าว ท่านจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์เสริมเพิ่มเติมเพื่อปกป้องเลนส์ออปติกและรักษาคุณภาพการตัด สำหรับตัวกรองอากาศ มาตรฐานอุตสาหกรรมแนะนำว่า อากาศอัดที่ใช้งานควรมีปริมาณน้ำมันไม่เกิน 0.01 ppm และจุดน้ำค้าง (dew point) ต่ำกว่าหรือเท่ากับ 10 องศาเซลเซียส ด้วยเหตุนี้ ท่านจึงจำเป็นต้องใช้ระบบกรองแบบหลายขั้นตอนที่มีคุณภาพสูง ซึ่งมีราคาแพงมาก

ก๊าซพิเศษ เช่น อาร์กอน ใช้ในการตัดไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม โดยต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัย ซึ่งอาร์กอนสามารถสร้างสภาพแวดล้อมดังกล่าวได้ เนื่องจากเป็นก๊าซเฉื่อย (inert gas) ก๊าซเฉื่อยคือก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยากับวัสดุส่วนใหญ่ในกระบวนการ สำหรับงานตัดไทเทเนียม ความบริสุทธิ์ของอาร์กอนควรอยู่ที่ร้อยละ 99.99 นอกจากนี้ ความดันก๊าซควรสูงกว่า 1.2 MPa สำหรับชิ้นงานไทเทเนียมที่มีความหนามาก

มีส่วนผสมของก๊าซแบบพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานเฉพาะทางบางประการ แต่สำหรับร้านส่วนใหญ่ ก๊าซออกซิเจน ไนโตรเจน และอากาศ คือส่วนประกอบก๊าซที่ครอบคลุมงานส่วนใหญ่

มาตรฐานความบริสุทธิ์และคุณภาพของก๊าซ

ความบริสุทธิ์ของก๊าซไม่ใช่เพียงข้อกำหนดหนึ่งเท่านั้น แต่เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการตัด หากพิจารณาในกรณีของก๊าซไนโตรเจน แม้มีออกซิเจนปนอยู่เพียงเล็กน้อยก็จะทำให้ขอบของเหล็กกล้าไร้สนิมเปลี่ยนสี ซึ่งขัดต่อวัตถุประสงค์หลักที่ใช้ไนโตรเจนอย่างสิ้นเชิง ส่วนก๊าซออกซิเจนนั้น สิ่งสกปรกที่ปนอยู่จะลดประสิทธิภาพของปฏิกิริยาเอกโซเทอร์มิก ส่งผลให้การตัดช้าลงและขอบของชิ้นงานมีคุณภาพต่ำลง

ด้านล่างนี้คือข้อกำหนดทั่วไปสำหรับก๊าซประเภทต่าง ๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรม:

ระดับของการกรองและระดับความแปรปรวนของคุณภาพอากาศล้วนมีความสำคัญ

ตารางพารามิเตอร์ที่ใช้งานได้จริงสำหรับวัสดุทั่วไป

แม้ว่าชนิดของก๊าซอัดจะมีผลต่อคุณภาพของการตัด แต่ความดันและอัตราการไหลก็มีผลเช่นกัน หากความดันต่ำเกินไป วัสดุที่หลอมละลายจะไม่ถูกขจัดออก และจะเกิดสิ่งสกปรก (dross) ตกค้างที่ขอบด้านล่างของการตัด แต่หากความดันสูงเกินไป การตัดอาจผิดปกติ เกิดการไหลปั่นป่วน (turbulence) และวัสดุอาจเย็นลงมากเกินไป

อัตราการไหลของไนโตรเจนภายในกระบวนการตัด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความสำคัญอย่างยิ่ง อัตราการใช้ก๊าซจะถูกบันทึกเป็นลิตรต่อนาที หรือลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง และได้รับผลกระทบอย่างมากจากขนาดของหัวพ่น (nozzle) และแรงดันที่ใช้ ตัวอย่างเช่น ถังก๊าซไนโตรเจนที่มีปริมาตร 40 ลิตร ภายใต้แรงดัน 15 MPa จะใช้งานได้นานเพียงประมาณ 13 นาที เมื่อใช้หัวพ่นขนาด 4.0 มิลลิเมตร ที่แรงดัน 0.6 MPa แต่จะใช้งานได้นานถึง 35 นาที เมื่อใช้หัวพ่นขนาด 2.0 มิลลิเมตร ที่แรงดัน 1.2 MPa นี่จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้การเลือกหัวพ่น (nozzle) เป็นปัจจัยหนึ่งที่มีความสำคัญยิ่งต่อการกำหนดต้นทุนการดำเนินงานของคุณ

มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อกำหนดวิธีการตั้งค่าจุดโฟกัสหรือความลึกของการตัดที่เหมาะสมของเครื่องจักร ด้านล่างของการตัดจะขึ้นอยู่กับความหนาของวัสดุที่กำลังตัด การตัดที่มีร่องลึกมากขึ้นจะทำให้ต้องขับโลหะหลอมเหลวออกด้วยอัตราที่สูงขึ้น ซึ่งจำเป็นต้องตั้งค่าความดันให้สูงขึ้นด้วย ยิ่งความดันที่ส่งไปยังระบบสูงขึ้นเท่าใด ระบบก็จะใช้พลังงานมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น การหาความดันต่ำสุดที่ยังสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิผลที่สุดในการควบคุมต้นทุน

การแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ

หากการตัดที่คุณดำเนินการอยู่ไม่ถูกต้อง ปัญหาแรกที่คุณควรตรวจสอบคือก๊าซ คราบเศษโลหะ (Dross) ที่ปรากฏบริเวณด้านล่างของการตัดมักหมายความว่าความดันไม่เพียงพอ หรือก๊าซที่ใช้ไม่เหมาะสมกับวัสดุที่กำลังตัด ควรปรับค่าความดันทีละ 0.5 บาร์ เพื่อดูว่ามีการปรับปรุงคุณภาพการตัดหรือไม่

หากมีการเปลี่ยนสีบริเวณรอยตัดของเหล็กกล้าไร้สนิมเมื่อใช้ก๊าซไนโตรเจน แสดงว่ามีสัญญาณบางอย่างที่บ่งชี้ว่าก๊าซรั่วเข้าไปยังบริเวณรอยตัดที่ปนเปื้อน ควรตรวจสอบความบริสุทธิ์ของก๊าซ รวมทั้งตรวจหาการรั่วไหลของก๊าซในระบบด้วย นอกจากนี้ หัวพ่น (nozzle) ต้องไม่มีความเสียหายใดๆ สีเหลืองหรือสีฟ้าอ่อนที่ปรากฏขึ้นจะเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่าก๊าซนั้นปนเปื้อน

ความหยาบของขอบรอยตัดอาจบ่งชี้ว่าเกิดการไหลแบบปั่นป่วน (turbulence) ขึ้นจากหัวพ่นที่เสียหาย หรือแรงดันก๊าซสูงเกินไปในระบบ ควรตรวจสอบรูเปิดของหัวพ่นเพื่อดูว่ามีการบิดเบี้ยวหรือความเสียหายใดๆ หรือไม่ ขอบรอยตัดควรมีลักษณะสม่ำเสมอ ซึ่งหมายความว่าการไหลของก๊าซก็ต้องสม่ำเสมอด้วย หากทำการตัดบริเวณปลายแผ่นโลหะ ควรตรวจสอบการไหลของก๊าซเพิ่มเติมเพื่อดูว่ามีสิ่งอุดตันใดๆ ในก๊าซที่จ่ายเข้ามาหรือไม่

ด้านต้นทุนของก๊าซช่วย

ก๊าซช่วยในการทำงานเป็นอีกหนึ่งต้นทุนการดำเนินงาน เนื่องจากต้องซื้อก๊าซตามปริมาณที่ใช้จริงในระหว่างการผลิต ก๊าซไนโตรเจนเป็นก๊าซที่มีราคาแพงที่สุด เพราะหากความดันถูกตั้งไว้สูงกว่าค่าที่จำเป็นเพียง 4 บาร์ ก็อาจทำให้ต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มขึ้นได้ถึง 25% หรือมากกว่านั้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการใช้ไนโตรเจน ในขณะที่ก๊าซออกซิเจนมีราคาถูกกว่าไนโตรเจน และตราบใดที่มีเครื่องอัดอากาศและระบบกรองพร้อมใช้งาน ก็สามารถใช้อากาศได้ฟรี

อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของก๊าซเป็นเพียงส่วนหนึ่งของต้นทุนรวมเท่านั้น อีกปัจจัยที่ต้องพิจารณาคือเวลา การตัดที่เร็วขึ้นด้วยก๊าซช่วยตัดแบบออกซิเจนอาจทำให้ประหยัดต้นทุนแรงงานได้ ซึ่งอาจชดเชยการสูญเสียคุณภาพจากการตัดได้ ในทางกลับกัน ก๊าซช่วยตัดแบบไนโตรเจนอาจให้ผิวตัดที่สะอาดกว่า จึงลดปริมาณการขัดแต่งหลังการตัด เช่น การขัดด้วยเครื่องบด การขัดด้วยกระดาษทราย หรือการตกแต่งขอบตัดอื่นๆ ที่อาจจำเป็น ดังนั้น จึงแนะนำให้วิเคราะห์ต้นทุนรวมของการผลิตชิ้นส่วนแต่ละชิ้น แทนที่จะมุ่งเน้นเฉพาะการใช้ก๊าซช่วยตัดเท่านั้น

DP Laser ช่วยให้คุณเลือกใช้ก๊าซช่วยตัดได้อย่างเหมาะสม

ทุกวันนี้ เราช่วยลูกค้าที่ใช้ระบบตัดด้วยเลเซอร์ของพวกเขาในการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุด ด้วยประสบการณ์จากการติดตั้งระบบมากกว่า 20,000 ชุดในภาคสนาม เราได้รับรู้อย่างลึกซึ้งว่าการตั้งค่าใดให้ผลลัพธ์ดีที่สุดสำหรับวัสดุและงานประยุกต์ใช้แต่ละประเภท เมื่อท่านสั่งซื้อเครื่องจักรจากเรา เราไม่เพียงแค่จัดส่งเครื่องไปยังท่านแล้วถือว่าเสร็จสิ้นเท่านั้น แต่เรายังมีแนวทางแบบลงมือทำจริง เพื่อแนะนำท่านในการตั้งค่าก๊าซอย่างละเอียด และยังให้การสนับสนุนที่เหนือระดับสำหรับอะไหล่แท้ เช่น หัวฉีดและชิ้นส่วนสึกหรอ ซึ่งจะช่วยให้ท่านรักษาอัตราการไหลที่เหมาะสมที่สุดผ่านเครื่องจักรของท่านได้อย่างต่อเนื่อง

ก๊าซช่วยในการตัดเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการตัด ซึ่งมีผลต่อความเร็ว คุณภาพ และต้นทุน การเลือกก๊าซที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการตัดของคุณ คุณจำเป็นต้องพิจารณาองค์ประกอบของก๊าซ ความบริสุทธิ์ของก๊าซ ความดันก๊าซ และอัตราการไหลของก๊าซ โดยสัมพันธ์กับวัสดุที่คุณกำลังตัด ใช้เวลาวิเคราะห์สิ่งที่เครื่องจักรของคุณต้องการ และทดลองเล็กน้อยพร้อมจดบันทึกไว้ หากคุณต้องการความช่วยเหลือ กรุณาติดต่อเรา การตั้งค่าก๊าซที่ดีจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของวัสดุที่ผลิตจากเครื่องจักรของคุณ