การตัดเหล็กแผ่นรีดร้อนด้วยเลเซอร์: หลักการและขั้นตอนการทำงาน

หลักการตัดฟิวชั่นด้วยเลเซอร์และออกซิเจน

การตัดด้วยเลเซอร์ของเหล็กแผ่นรีดร้อนโดยทั่วไปจะใช้สิ่งที่เรียกกันในทางเทคนิคว่าการตัดฟิวชั่นด้วยเลเซอร์-ออกซิเจน หรือ 'การตัดแบบไฮบริดเปลวไฟด้วยเลเซอร์' การตัดด้วยเลเซอร์และออกซิเจนต่างจากการทำให้กลายเป็นไอด้วยเลเซอร์หรือกระบวนการหลอมบริสุทธิ์ โดยอาศัยการทำงานร่วมกันอันทรงพลังระหว่างลำแสงเลเซอร์และปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน หลักการทำงานดังนี้: ลำแสงเลเซอร์ไฟเบอร์พลังงานสูง (โดยทั่วไปคือ 4 ถึง 6 kW) มุ่งเน้นไปที่พื้นผิวของแผ่นเหล็กรีดร้อน โดยให้ความร้อนอย่างรวดเร็วในพื้นที่เฉพาะจุดจนถึงอุณหภูมิจุดติดไฟของเหล็ก (ประมาณ 1,350°C) เจ็ตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงจะถูกส่งไปตามแนวแกนร่วมกับลำแสงเลเซอร์ไปยังจุดที่ร้อนยวดยิ่งนี้ เมื่อเหล็กถึงจุดติดไฟ เหล็กจะทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับออกซิเจนในปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบคายความร้อน: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + ความร้อน การเผาไหม้ทางเคมีนี้จะปล่อยพลังงานความร้อนออกมามากกว่าลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาสามถึงห้าเท่า ดังนั้น เลเซอร์จึงทำหน้าที่เป็น 'ไฟแช็ก' หรือ 'เครื่องจุดไฟ' ที่มีประสิทธิภาพและสามารถควบคุมได้สูง โดยเริ่มต้นและนำทางปฏิกิริยาตามเส้นทางการตัดที่ตั้งโปรแกรมไว้ ในขณะที่ก๊าซออกซิเจนมีจุดประสงค์สองประการในการเป็นสารเผาไหม้และไอพ่นแรงดันสูงที่ขับตะกรันเหล็กออกไซด์ที่หลอมละลายออกจากรอยตัด

สำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนหนา กระบวนการไฮบริดนี้เป็นวิธีการตัดที่คุ้มค่าและเร็วที่สุด ช่วยให้สามารถตัดแผ่นที่มีความหนาสูงสุด 200 มม. โดยใช้เลเซอร์กำลังค่อนข้างต่ำ (6kW) เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันให้มากกว่า 80% ของพลังงานการตัดทั้งหมด ประสิทธิภาพนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้เลเซอร์กำลังสูงขนาดใหญ่และมีราคาแพงซึ่งมักจำเป็นสำหรับแผ่นหนา ผลลัพธ์ที่ได้คือการตัดที่สะอาดตาและมีแนวตั้งที่ยอดเยี่ยม มีตะกรันน้อยกว่าการตัดด้วยพลาสมาอย่างมาก และไม่จำเป็นต้องใช้เวลาอุ่นเครื่องที่นาน (มักจะ 2-3 นาที) ซึ่งจำเป็นสำหรับการตัดเชื้อเพลิงออกซีแบบดั้งเดิม

การเตรียมเหล็กแผ่นรีดร้อนเพื่อการตัดด้วยเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด

แม้ว่ากระบวนการเลเซอร์-ออกซิเจนเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังสำหรับการตัดเหล็กกล้าคาร์บอน แต่การได้ผลลัพธ์คุณภาพสูงและสม่ำเสมอนั้นขึ้นอยู่กับสภาพพื้นผิวของแผ่นรีดร้อนดิบเป็นสำคัญ เหล็กดำรีดร้อนมาตรฐานมีพื้นผิวเป็นสะเก็ดซึ่งไม่เหมาะกับการใช้เลเซอร์ 'คล้ายดวงจันทร์' หรือพื้นผิวหลุมอุกกาบาตนี้ส่งผลต่อระบบตรวจจับความสูงของเลเซอร์ ส่งผลให้จุดโฟกัสเคลื่อนเข้าและออกจากโฟกัส ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการตัดและความสม่ำเสมอ เพื่อตอบโต้สิ่งนี้ วัสดุที่ต้องการสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงคือ แผ่นรีดร้อนชนิดดองและเคลือบน้ำมัน (HRP&O) เหล็ก ในขั้นตอนนี้ เหล็กม้วนรีดร้อนจะถูกส่งผ่านอ่างกรดไฮโดรคลอริกซึ่งจะขจัดตะกรันที่เหนียวแน่นทางเคมีออกไป เหลือพื้นผิวที่สะอาด เรียบเนียน และสม่ำเสมอ จากนั้นจึงทาน้ำมันเบา ๆ เพื่อป้องกันการกัดกร่อนชั่วคราว

การศึกษาในอุตสาหกรรมยืนยันว่าการดองเปลี่ยนประสิทธิภาพการตัดด้วยเลเซอร์ของเหล็กแผ่นรีดร้อนโดยพื้นฐาน ในทุกช่วงความหนา คุณภาพพื้นผิวของวัสดุมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อผลลัพธ์การตัดมากกว่าตัวแปรอื่นๆ รวมถึงการช่วยปรับแรงดันแก๊สหรือตำแหน่งโฟกัส ความลึกของโฟกัสที่สม่ำเสมอเป็นข้อกำหนดหลักสำหรับการตัดที่มีความเสถียรและมีคุณภาพสูง พื้นผิวเรียบของเหล็ก HRP&O ช่วยให้เกิดกรอบกระบวนการที่กว้างและความเร็วในการตัดสูง นอกจากนี้ กระบวนการขั้นสูงบางอย่าง เช่น กระบวนการ SCS (โซลูชั่นคอยล์แบบยั่งยืน) ยังก้าวไปอีกขั้น โดยสร้างพื้นผิวที่สะอาดและแห้ง ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการตัดได้ประมาณ 20% โดยกำจัดควันที่เกิดจากการเผาไหม้น้ำมัน สำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำที่ต้องการรับประกันความเรียบหลังการตัด เกรดพิเศษ เช่น ผลิตภัณฑ์แผ่นรีดร้อน Laser Plus รับประกันความเบี่ยงเบนความเรียบสูงสุดเพียง 3 มม. ต่อเมตร

ขั้นตอนการทำงานแบบม้วนต่อแผ่นสำหรับการตัดด้วยเลเซอร์

ในสภาพแวดล้อมการผลิตที่ทันสมัยและมีประสิทธิภาพ ขั้นตอนการทำงานตั้งแต่เหล็กแผ่นรีดร้อนไปจนถึงแผ่นตัดสำเร็จรูปนั้นเป็นอัตโนมัติและมีความคล่องตัวสูง กระบวนการนี้มักเริ่มต้นด้วยคอยล์ขนาดใหญ่ที่สามารถรับน้ำหนักได้มากถึง 30 ตัน ซึ่งติดตั้งอยู่บนเครื่องถอดรหัสที่มีความแม่นยำ แผ่นเหล็กถูกป้อนผ่านเครื่องปรับระดับสำหรับงานหนักซึ่งจะขจัด 'ชุดคอยล์' (ความโค้งตามธรรมชาติของแถบแผล) เพื่อให้ได้แผ่นเรียบที่สมบูรณ์แบบ ตามด้วยการตัดเฉือนตามความยาวอย่างแม่นยำ ซึ่งจะแยกแถบออกเป็นแผ่นตามขนาดที่ตั้งโปรแกรมไว้อย่างแม่นยำ กระบวนการอินไลน์ทั้งหมดนี้สามารถตรวจสอบและควบคุมได้ด้วยซอฟต์แวร์ที่ขับเคลื่อนด้วยสูตร เพื่อให้มั่นใจว่าการตั้งค่าที่สมบูรณ์แบบและทำซ้ำได้สำหรับการรันผลิตภัณฑ์แต่ละรายการ ผลลัพธ์ที่ได้คือช่องว่างที่เรียบและมีขนาดสม่ำเสมอซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับขั้นตอนต่อไป: ระบบตัดด้วยเลเซอร์นั่นเอง

จากนั้นแผ่นเรียบที่เสร็จแล้วจะถูกโหลดลงบนเครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์กำลังสูง พารามิเตอร์การตัด ซึ่งที่สำคัญที่สุดคือ แรงดันแก๊สช่วยออกซิเจน ตำแหน่งโฟกัสของเลเซอร์ (วางแผ่นหนาลึกไว้ด้านในสำหรับร่องตัดขนานที่แคบ) และความเร็วในการตัด ล้วนถูกตั้งโปรแกรมไว้ในระบบ CNC สำหรับการทำงานที่มีปริมาณมาก กระบวนการจะก้าวหน้าไปอีกขั้นโดยการย้ายจากคอยล์ไปยังเลเซอร์โดยตรง ในระบบการตัดด้วยเลเซอร์แบบป้อนคอยล์ แถบปรับระดับจะป้อนเข้าไปในห้องของเครื่องตัดเลเซอร์โดยตรง ซึ่งช่วยลดขั้นตอนแยกต่างหากในการสร้างเพลตแยก ขจัดเวลาที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนพาเลท และสามารถเพิ่มเวลาการผลิตโดยรวมของระบบเลเซอร์ได้ประมาณ 14% ซึ่งหมายถึงประหยัดเวลาทำงานได้ประมาณ 600 ชั่วโมงต่อปี เมื่อเทียบกับระบบป้อนกระดาษแบบเดิม ขั้นตอนการทำงานแบบครบวงจรนี้ ตั้งแต่คอยล์ดิบไปจนถึงชิ้นส่วนที่ตัดด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำ ช่วยเพิ่มการใช้วัสดุให้เกิดประโยชน์สูงสุด ลดการจัดการ และกำหนดมาตรฐานสำหรับการแปรรูปเหล็กสมัยใหม่