การวิเคราะห์ข้อกำหนดและความหนาของชิ้นส่วนตัดด้วยเลเซอร์แผ่นเหล็ก

การจำแนกประเภทความหนา: การกำหนดความสามารถในการประมวลผล

ความหนาของแผ่นเหล็กเป็นปัจจัยหลักในการพิจารณาความเป็นไปได้ในการตัดด้วยเลเซอร์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความต้องการของอุปกรณ์ ความเร็วตัด คุณภาพคมตัด และต้นทุนการผลิตโดยรวม โดยทั่วไปแผ่นเหล็กจะแบ่งออกเป็นสี่ประเภทตามความหนา: แผ่นบาง (น้อยกว่า 4 มม.), แผ่นขนาดกลาง (4–20 มม.), แผ่นหนา (20–60 มม.) และแผ่นหนาพิเศษ (เกิน 60 มม.) สำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ โดยทั่วไปช่วงการประมวลผลที่ต้องการสำหรับเหล็กแผ่นจะขยายได้ถึง 20 มม. โดยในบางสถานการณ์ก็อาจขยายได้ถึง 25 มม. ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีกำลังเกิน 20kW ได้ขยายขอบเขตนี้ออกไปอีก เพื่อให้ได้ความหนาในการตัดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนสูงถึง 70 มม. อย่างไรก็ตาม เพื่อประสิทธิภาพการผลิตที่ต่อเนื่องและคุณภาพการตัด โดยทั่วไปไม่แนะนำให้แปรรูปแผ่นเหล็กที่มีความหนามากกว่า 50 มม. การทำความเข้าใจการจำแนกประเภทนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการระบุอุปกรณ์และพารามิเตอร์ที่ถูกต้องสำหรับแต่ละโครงการ เนื่องจากความหนาส่งผลโดยตรงต่อการเลือกแก๊สเสริม ตำแหน่งโฟกัส ความเร็วตัด และพิกัดความเผื่อที่คาดหวัง

ข้อมูลจำเพาะความหนาเฉพาะวัสดุสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์

เกรดเหล็กที่แตกต่างกันแสดงคุณลักษณะการตัดด้วยเลเซอร์ที่แตกต่างกัน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของค่าการนำความร้อน การสะท้อนกลับ และองค์ประกอบทางเคมี สำหรับ เหล็กกล้าคาร์บอน (เหล็กเหนียว) ช่วงความหนาที่เหมาะสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์อยู่ที่ 10 มม. โดยความหนาในการใช้งานจริงสูงสุดถึง 13 มม. ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด ระบบที่มีกำลังสูงกว่าสามารถแปรรูปเหล็กกล้าคาร์บอนได้สูงถึง 25 มม. หรือมากกว่า แต่ช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการรักษาความเร็วและคุณภาพยังคงแคบลงอย่างมาก เหล็กกล้าไร้สนิม นำเสนอความท้าทายที่มากขึ้นเนื่องจากการสะท้อนแสงและการนำความร้อนที่สูงขึ้น ความหนาที่เหมาะสำหรับสเตนเลส ASTM 304 คือไม่เกิน 4 มม. โดยมีความหนาสูงสุดประมาณ 6 มม. ระบบไฟเบอร์เลเซอร์ขั้นสูงสามารถแปรรูปเหล็กสเตนเลสได้สูงถึง 20 มม. หรือมากกว่า แต่ความเร็วในการตัดจะลดลงอย่างมากเมื่อความหนาเพิ่มขึ้น อลูมิเนียมและอะลูมิเนียมอัลลอยด์ ซึ่งขึ้นชื่อเรื่องการสะท้อนแสงสูง ต้องใช้แหล่งเลเซอร์เฉพาะที่มีการป้องกันแสงสะท้อนด้านหลัง ความหนาที่เหมาะสำหรับโครงสร้างอะลูมิเนียมคือไม่เกิน 3 มม. และสูงสุดประมาณ 5 มม. เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงสามารถตัดอะลูมิเนียมได้สูงสุดถึง 18 มม. หรือหนากว่านั้น ขึ้นอยู่กับอัลลอยด์และแก๊สช่วย การเลือกแก๊สช่วยเหลือมีความสำคัญไม่แพ้กัน: ออกซิเจนถูกใช้สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อเพิ่มการตัดผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบคายความร้อน ในขณะที่แนะนำให้ใช้ไนโตรเจนหรืออากาศสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมและอะลูมิเนียมเพื่อให้ได้ขอบที่สะอาดและปราศจากออกซิเดชัน

ข้อกำหนดกำลังเลเซอร์ตามความหนา

ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังเลเซอร์และความหนาของการตัดเป็นไปตามความก้าวหน้าเชิงเส้นโดยประมาณ โดยต้องใช้กำลังสูงกว่าเพื่อให้สามารถเจาะทะลุได้เต็มที่ และรักษาความเร็วตัดที่ยอมรับได้บนวัสดุที่มีความหนามากขึ้น สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน ไฟเบอร์เลเซอร์ 500W สามารถตัดได้สูงสุดถึง 6 มม., 1000W สามารถตัดได้ 6–12 มม., 2000W ตัดได้ 14–18 มม. และ 3000W ถึง 18–22 มม. สำหรับเหล็กสแตนเลส กำลังตัด 500W 1–3 มม., 1000W ด้ามจับ 3–5 มม., 2000W ตัดได้ 6–8 มม. และ 3000W ถึง 8–12 มม. ตามหลักปฏิบัติทั่วไป ต้องใช้กำลังเลเซอร์ประมาณหนึ่งกิโลวัตต์ต่อมิลลิเมตรของความหนาในการตัดที่สะอาด สำหรับเพลตที่มีความหนาปานกลาง (6–12 มม.) กำลังเลเซอร์ที่แนะนำคือ 4,000–6,000W แผ่นหนา (13 มม. ขึ้นไป) ต้องการกำลังไฟฟ้า 4,000W ขึ้นไปเพื่อให้เจาะได้เต็มประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ ความเร็วตัดมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับความหนา วัสดุหนาต้องการความเร็วป้อนลดลงเพื่อการเจาะเต็ม ในขณะที่แผ่นบางวิ่งเร็วเพื่อเพิ่มปริมาณงานโดยไม่สูญเสียคุณภาพ ตัวอย่างเช่น เครื่องตัดเลเซอร์ขนาด 20kW สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมาก โดยระบบขนาด 30kW จะตัดเหล็กคาร์บอนขนาด 50 มม. ได้เร็วกว่าระบบขนาด 20kW ถึง 88% การเลือกกำลังเลเซอร์ที่เหมาะสมจะต้องสร้างสมดุลระหว่างความหนาที่ต้องการ ปริมาณการผลิตที่ต้องการ และต้นทุนอุปกรณ์ที่เป็นต้นทุน

ความคลาดเคลื่อนมิติและคุณภาพขอบตามช่วงความหนา

ความแม่นยำของมิติที่ทำได้ของแผ่นเหล็กที่ตัดด้วยเลเซอร์จะแตกต่างกันไปตามความหนา เนื่องจากลำแสงเลเซอร์จะกว้างขึ้นขณะเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ สำหรับเหล็กเหนียวที่มีความหนาไม่เกิน 3 มม. ความคลาดเคลื่อนทั่วไป ±0.004 นิ้ว (0.1 มม.) สามารถทำได้พร้อมคุณภาพคมตัดที่ยอดเยี่ยม สำหรับความหนา 3–6 มม. ความคลาดเคลื่อน ±0.006 นิ้ว (0.15 มม.) เป็นค่าปกติและมีคุณภาพคมตัดที่ดี สำหรับความหนา 6–12 มม. ค่าเผื่อจะขยายเป็น ±0.010 นิ้ว (0.25 มม.) โดยมีคุณภาพคมตัดที่พอใช้ สำหรับความหนา 12–25 มม. คาดว่าจะมีความคลาดเคลื่อน ±0.020 นิ้ว (0.5 มม.) พร้อมคุณภาพคมตัดที่หยาบ เหล็กกล้าไร้สนิมมีรูปแบบคล้ายกัน: 0.5–3 มม. ได้ ±0.004 นิ้ว (0.1 มม.) โดยมีคุณภาพคมตัดที่ยอดเยี่ยม ในขณะที่ 3–10 มม. ได้ ±0.008 นิ้ว (0.2 มม.) โดยมีคุณภาพคมตัดดี ความกว้างของรอยตัด—วัสดุที่ลำแสงเลเซอร์ดึงออก—โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.006 ถึง 0.012 นิ้ว (0.15–0.3 มม.) สำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ คุณภาพของขอบจะลดลงตามความหนาที่เพิ่มขึ้น: เหล็กบางที่มีขนาดต่ำกว่า 3 มม. จะทำให้ขอบเรียบและแทบไม่มีเสี้ยน ซึ่งต้องใช้ขั้นตอนหลังการประมวลผลเพียงเล็กน้อย เหล็กขนาดกลาง (3–10 มม.) มีความหยาบเล็กน้อยที่ขอบด้านล่าง ซึ่งต้องทำการลบคมเล็กน้อย เหล็กหนาที่มากกว่า 10 มม. แสดงให้เห็นความเรียวและความหยาบที่เห็นได้ชัดเจน โดยด้านทางเข้ากว้างกว่าด้านทางออก โซนรับผลกระทบความร้อน (HAZ) สำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ของเหล็กเหนียว โดยทั่วไปจะมีช่วงตั้งแต่ 0.005 ถึง 0.010 นิ้ว (0.13–0.25 มม.) สำหรับการใช้งานที่ต้องการขอบสี่เหลี่ยมจัตุรัสบนชิ้นส่วนที่มีความหนาหรือพิกัดความเผื่อที่แคบมาก กระบวนการทางเลือก เช่น การตัดเฉือน CNC อาจเหมาะสมกว่า

ความคลาดเคลื่อนความหนามาตรฐานและข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

นอกเหนือจากความสามารถในการตัดด้วยเลเซอร์แล้ว วัสดุฐานจะต้องสอดคล้องกับค่าเผื่อความหนาที่กำหนดไว้ด้วย ASTM A6/A6M จัดทำข้อกำหนดทั่วไปสำหรับเหล็กโครงสร้างรีดเส้น แผ่น รูปร่าง และการตอกเสาเข็ม โดยระบุพิกัดความเผื่อด้านมิติสำหรับความหนา ความกว้าง และความยาว ความคลาดเคลื่อนเหล่านี้แตกต่างกันไปตามช่วงความหนา โดยมีแผ่นเพลตตั้งแต่ประมาณ 5 มม. ถึง 200 มม. อยู่ภายใต้มาตรฐาน สำหรับแผ่นเหล็ก A36 ความทนทานต่อความหนาถูกกำหนดโดย ASTM A6/A6M ขึ้นอยู่กับความหนาและความกว้างของแผ่นที่ระบุ ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงทั้งความทนทานต่อความหนาของวัสดุฐานและความทนทานต่อการตัดเมื่อระบุขนาดชิ้นส่วนสุดท้าย นอกจากนี้ ขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำยังถูกจำกัดโดยความหนาของแผ่น: สำหรับเหล็กที่มีขนาดไม่เกิน 5 มม. แนะนำให้ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางรูขั้นต่ำที่ 15 มม. สำหรับความหนา 6–15 มม. 18 มม. และสำหรับความหนา 20–25 มม. 20–25 มม. ตามลำดับ รัศมีการโค้งงอขั้นต่ำและตำแหน่งของรูที่สัมพันธ์กับเส้นโค้งจะต้องได้รับการพิจารณาด้วย เนื่องจากรูที่วางใกล้กับเส้นโค้งมากเกินไปจะเสียรูปในระหว่างการขึ้นรูปครั้งต่อไป การทำความเข้าใจข้อกำหนดและพารามิเตอร์ความหนาเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรและผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อสามารถปรับการออกแบบชิ้นส่วนให้เหมาะสมกับความสามารถในการผลิต เลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสม และสร้างความคาดหวังด้านคุณภาพที่สมจริงสำหรับส่วนประกอบเหล็กที่ตัดด้วยเลเซอร์