องค์ประกอบหลักของหัวตัดเลเซอร์มีอะไรบ้าง และทำงานอย่างไร?

1. หลักการทำงานของหัวตัดเลเซอร์

หลักการทำงานของหัวตัดเลเซอร์จะทำงานโดยการรวบรวมแสงเลเซอร์ที่ถูกส่งมาจากเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ไว้ที่จุดโฟกัสแล้วจึงเปลี่ยนแสงนั้นเป็นพลังงานความร้อนไปที่วัสดุต่างๆที่ต้องการ เพื่อที่จะทำให้วัสดุนั้นๆถูกหลอมละลายและขาดออกจากกัน ทางเอี่ยมเส็ง สตีล จะอธิบายทีละขั้นตอนดังนี้

• ลำแสงเลเซอร์ที่มีความถี่สูง และหนาแน่นสูงจะถูกกำเนิดจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ (Laser source)
• ลำแสงของเลเซอร์นั้นจะวิ่งไปที่ focus lens และทำการรวบรวมแสงเลเซอร์ไว้ที่จุดนี้
• เมื่อลำแสงเลเซอร์ถูกรวมกัน และวิ่งผ่าน focus lens ทะลุไปที่ nozzle ไปรวมกับแก๊สเพื่อที่จะทำการหลอมละลายวัสดุนั้นๆ เช่น เหล็ก สแตนเลส อลูมิเนียม เป็นต้น ให้เกิดความร้อน และขาดออกจากกัน

ภาพแสดงถึงส่วนประกอบที่สำคัญ และหลักการทำงานของหัวตัดเลเซอร์

ดังนั้นการตัดเหล็ก หรือสแตนเลสด้วยเลเซอร์นั้นมีปัจจัยหลายอย่างที่ซับซ้อนมาก เช่น ความหนาของวัสดุที่ต้องการตัด, กำลังของเครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์, ความเร็วในการตัดเลเซอร์, ชนิดของหัว nozzle และความสูงของหัว nozzle ที่ใช้ รวมไปถึงชนิดของแก๊สที่ใช้ตัด และแรงดันของแก๊สชนิดนั้น

2. ส่วนประกอบของหัวตัดเลเซอร์

หัวตัดเลเซอร์ คือ อุปกรณ์ที่ใช้ในการตัดชิ้นงานต่างๆของเครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์ ซึ่งมีส่วนประกอบหลักๆ ดังต่อไปนี้

• Nozzle คือ อุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมในการปล่อยแก๊สต่างๆ เช่น ออกซิเจน (o2) ไนโตรเจน (N2) ให้ตัดชิ้นงานได้มีประสิทธิภาพตามที่ต้องการ ซึ่งจะมีลักษณะเป็นทรงกรวยมีรูตรงกลางเพื่อให้ลำแสงเลเซอร์ และแก๊สผ่านไปยังชิ้นงานที่ต้องการตัด จะแบ่งเป็น 2 ประเภทหลักๆดังนี้Single-layer nozzle 

  

  • Single-layer nozzle จะมีลักษณะวงในชั้นเดียว ใช้กับแก๊สไนโตรเจน (N2) หรือ ลม (Air) ส่วนมากจะใช้ในการตัดสแตนเลส อลูมิเนียม และทองแดง ซึ่งขนาดของรูจะมีขนาดที่แตกต่างกัน (รูขนาดเล็ก – ใหญ่) ดังนั้นต้องเลือกใช้ให้เหมาะกับความหนาของวัสดุที่ต้องการตัด ยิ่งวัสดุมีความหนาควรที่จะเลือกหัว nozzle ที่มีรูขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อที่จะให้ตัดชิ้นงานได้สวยงาม และคุณภาพที่ดียิ่งขึ้น

  • Double-layer nozzle จะมีรูปทรงที่คล้ายกับแบบ Single-layer nozzle แตกต่างกันที่จะมีวงใน 2 ชั้น เหมาะกับการใช้ตัดงานเหล็ก ทองเหลือง ด้วยการใช้แก๊สออกซิเจน (O2) ซึ่งมีหลักการเดียวกับ single-layer โดยจะมีขนาดของรูตั้งแต่เล็ก – ใหญ่ เช่นเดียวกัน โดยส่วนมากวัสดุของหัว nozzle จะทำจากทองเหลือง ชุบด้วยนิเกิล หรือโครเมียม

• Focus lens คือ จุดที่ให้ลำแสงเลเซอร์รวมตัวกัน ให้มีความหนาแน่ของลำแสงมากที่สุดเพื่อใช้ในการตัดเหล็ก และตัดวัสดุอื่นๆตามที่ต้องการ ตัวของ Focus lens จะทำให้เกิดระยะ Focal position ซึ่งก็คือ ระยะทางของจุดรวมแสง กับระยะพื้นผิวงานที่ต้องการตัด ซึ่งวัสดุแต่ละประเภทจะมี ระยะ Focus ที่แตกต่างกันดังนี้

1. 1. การตัดเหล็กบางด้วยเลเซอร์ ระยะของ Focus จะอยู่ที่บริเวณพื้นผิวของเหล็กนั้นพอดีๆ (Focus = 0) ซึ่งจะเป็นจุดที่ตัดเหล็กได้คุณภาพดีที่สุด
   2. การตัดเลเซอร์เหล็กหนา ระยะของ Focus จะมีการยกสูงขึ้นกว่าตัดเหล็กบางๆ ดังนั้นระยะ Focus จะเป็น + ในแกน Z
   3. ในส่วนการตัดเลเซอร์สแตนเลส อลูมิเนียม ระยะ Focus จะอยู่ประมาน ¾ ของพื้นผิวสแตนเลส หรืออลูมิเนียมดังนั้น ค่าของ Focus จะเป็นค่า – ในแกน Z

ในการตัดเหล็ก สแตนเลส หรือ อลูมิเนียมด้วยเลเซอร์จะต้องมีการตั้งค่า parameter ให้เหมาะสมต่อชิ้นงานนั้นๆ และขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายๆอย่าง ทางเอี่ยมเส็ง มีบทความแนะนำ: เทคนิคการตัดเลเซอร์ให้สวยขั้นพื้นฐาน

• Protection lens คือ เลนส์ที่มีหน้าที่ปกป้องวัตถุที่ไม่พึงประสงค์กระเด็นเข้าไปทำให้เกิดความเสียหายต่อหัวตัดเลเซอร์ไฟเบอร์ ซึ่งเป็นอีกหนึ่งส่วนที่มีความสำคัญในการตัดเหล็กด้วยเลเซอร์ หรือตัดสแตนเลส เนื่องจากสภาพของ protection lens มีผลกระทบต่อคุณภาพการตัดในชิ้นงานนั้นๆด้วย ถ้าเกิด protection lens มีความสกปรก หรือมีสิ่งแปลกปลอมติดอยู่ที่เลนส์ จะทำให้ลำแสงเลเซอร์ที่ออกมาจากหัวตัดส่งผ่านไปที่หัว nozzle ไม่ได้ตรงศูนย์กลางรูทำให้เกิดการหักเหของลำแสงเลเซอร์ดังนั้น ผิวของชิ้นงานอาจจะมีคุณภาพไม่ดีตามที่ต้องการ หรือตัดเหล็กไม่ขาดได้อีกด้วย อีกทั้ง protection lens ยังป้องกันขี้เหล็ก หรือน้ำเหล็กกระเด็นย้อนกับเข้าไปโดนหัวตัดเลเซอร์ได้อีกด้วย

สามารถอ่านเทคนิคการทำความสะอาด และตรวจสภาพ protection lens ได้ที่นี่

3. แสงเลเซอร์มีผลต่อคุณภาพการตัดเหล็กอย่างไร?

ปัจจัยสำคัญในการตัดเหล็กด้วยเลเซอร์มีด้วยกันหลายข้อ ซึ่งลำแสงของเลเซอร์ถือได้ว่าเป็นปัจจัยหลักของการตัดเหล็กด้วยเลเซอร์ให้สวย ดังนั้นทางเราจะมาเล่าให้ฟัง

ลำแสงเลเซอร์ที่จะใช้ตัดชิ้นงานที่วิ่งผ่าน focus lens นั้นควรที่จะมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเล็กได้เพื่อที่จะทำให้แสงเลเซอร์ถูกรวมกับที่จุดเดียว และทำให้เกิดพลังงานในการตัดเหล็กได้มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นกับความหนาของวัสดุที่ต้องการตัดด้วย

ในการตัดเหล็ก หรือตัดสแตนเลสด้วยเลเซอร์ที่มีความหนาไม่มากนัก ควรปรับความยาวของ focal length ให้สั้นๆ เพื่อที่จะให้ลำแสงเลเซอร์ได้รวมตัวกันอย่างหนาแน่น ทำให้ตัดชิ้นงานได้สวยขึ้น ส่วนการตัดเลเซอร์เหล็กหนา focal length จะต้องยาวขึ้นถึงจะตัดเหล็กหนาได้คุณภาพที่ดีกว่า

นอกจากคุณภาพของลำแสงเลเซอร์ แล้วกำลังวัตต์ของเครื่องตัดเลเซอร์ก็มีส่วนที่ทำให้การตัดชิ้นงานนั้นมีความสวยงามด้วยเช่นเดียวกัน ยิ่งเครื่องตัดเลเซอร์ที่มีกำลังวัตต์สูงมากเท่าไหร่ก็จะสามารถตัดเลเซอร์ได้หนาขึ้น และใช้ระยะเวลาในการตัดที่น้อยลงทำให้ต้นทุนในการตัดเหล็ก หรือตัดสแตนเลสลดลง

ตารางแสดงกำลังวัตต์ของเครื่องตัดเลเซอร์ที่สามารถตัดความหนาของวัสตุต่างๆได้

ในส่วนของภาพด้านล่างนี้แสดงให้เห็นว่ากำลังวัตต์ของเครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์มีไม่พอจะทำให้ตัดเหล็กไม่ขาด (a), ผิวข้างล่างที่ตัดมีขี้ หรือน้ำเหล็กติดอยู่จำนวนมาก (b), และในภาพ c ผิวของงานจะมีเรียบ และไม่มีความมันวาว และมีขี้เหล็กติดอยู่

สรุป

ในบทความนี้ได้พูดถึง หลักการทำงานของหัวตัดเลเซอร์โดยการรวบรวมแสงเลเซอร์ที่ถูกส่งมาจากเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ไว้ที่จุดโฟกัสแล้วจึงเปลี่ยนแสงนั้นเป็นพลังงานความร้อนไปที่วัสดุต่างๆ เพื่อที่ตัดวัสดุนั้นให้ขาดออกจากกัน นอกจากนั้นยังได้อธิบายส่วนประกอบหลักของหัวตัดเลเซอร์ เช่น nozzle, focus lens และ protection lens อย่างละเอียด รวมไปถึงปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพการตัดเหล็กด้วยเลเซอร์เบื้องต้น

บทความแนะนำ: 10 องค์ประกอบหลักเครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์