♦ ขบวนการตัดโลหะประเภทต่างๆ
กระบวนการตัด (Cutting Process)
ปัจจัยสำคัญในการที่จะใช้เลือกประเภทของการตัดชนิดใดนั้นมีสิ่งที่ต้องพิจารณาหลายปัจจัยเช่น ความสามารถของเครื่องมือที่ใช้ตัด ,ต้นทุนและผลกระทบที่จะเกิดขึ้นต่อวัสดุที่ใช้ตัด กระบวนการตัดที่ใช้ความร้อน (Thermal Cutting) มีการใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากประหยัดและให้ความรวดเร็วในการใช้งาน แต่สำหรับวัสดุบางประเภทจะมีผลกระทบเนื่องจากความร้อนที่ใช้ในการตัด กระบวนการตัดที่ไม่ใช้ความร้อน (Nonthermal Cutting) แม้จะทำงานได้ช้ากว่า แต่ให้ความเที่ยงตรงที่ดีกว่าสำหรับโลหะหลายชนิดและวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ
การตัดด้วยความร้อน (Thermal Cutting)
กระบวนการตัดด้วยความร้อน (TC) เป็นกระบวนการกำจัดเนื้อโลหะออกโดยใช้การหลอมเหลว,เผาไหม้ หรือการระเหยในบริเวณดังกล่าว แม้ว่าจะใช้ความร้อนในการตัดแต่ยังมีความแตกต่างกันในแต่ละกระบวนการขึ้นอยู่กับชนิดและความหนาของวัสดุที่จะทำการตัด
กระบวนการตัดโดยใช้ความร้อนที่ถูกใช้ในอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมคือ oxyfuel gas (OFC) ,Plasma arc (PAC) , Air Carbon Arc (CAC-A) และ Laser beam cutting (LBC)
ตารางที่ 1. แสดงถึงวัสดุที่ชนิดของโลหะที่เหมาะสมกับการตัดในแต่ละชนิด
การตัดแบบ oxyfuel gas
การตัดชนิดนี้ใช้แพร่หลายในอุตสาหกรรม เนื่องจากจากความหนาของชิ้นงานที่เหมาะสมที่จะใช้ตัดอยู่ระหว่าง 0.5-250 mm อุปกรณ์ที่ใช้มีราคาถูกและสามารถใช้คนในการตัดได้ การตัดชนิดนี้จะใช้เปลวไฟของเชื้อเพลิงในสถานะแก็สผสมกับออกซิเจน (oxyfuel gas) ในการตัดโดยที่โลหะจะถูกให้ความร้อนจนถึงจุดที่เกิดการออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว (Kindling temperature) ซึ่งโดยทั่วไปนิยมใช้ก๊าซอะเซธิลีน, ก๊าซธรรมชาติ,โพรเพน หรือสูตรเฉพาะ) จากเหตุผลที่มีการใช้เชื้อเพลิงหลายชนิด จึงมีการออกแบบหัวตัด (nozzle) ให้เหมาะสมกับชนิดของเชื้อเพลิงและความเร็วในการตัด กระบวนการตัดชนิดนี้เริ่มจากความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและออกซิเจนจะทำให้เนื้อโลหะในบริเวณที่จะทำการตัดมีลักษณะสุกแดงซึ่งเรียกว่า Ignition tempterature ซึ่งที่จุดนี้อุณหภูมิจะต่ำกว่าอุณหภูมิที่จะเริ่มหลอมเหลว ซึ่งที่จุดนี้ลำของออกซิเจนที่มีตวามเร็วสูงจะถูกพ่นนำเข้าไปยังชิ้นงานและเกิดปฎิกริยาการเผาไหม้อย่างรวดเร็วในในจุดที่จะทำการตัดซึ่งโลหะบางส่วนที่หลอมเหลวบางส่วนจะถูกเผาไหม้จนเกรียม
ความบริสุทธ์ของออกซิเจน
ความเร็วในการตัดและคุณภาพของขอบที่ได้รับการตัดจะมีถูกกำหนดโดยความบริสุทธิ์ของออกซิเจน ซึ่งความบริสุทธิ์ควรมีค่าอย่างต่ำ 99.5 % ถ้าหากความบริสุทธิ์ลดลง 1 % จะทำให้ความเร็วในการตัดลดลงถึง 25 % และสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น 25 %
การเลือกใช้แก๊สเชื้อเพลิง
แก๊สเชื้อเพลิงที่นิยมใช้กันแพร่หลายมี 5 ประเภทคือ acetylene, propane, MAPP (methylacetylene-propadiene), propylene และ แก๊สธรรมชาติ ค่าอุณหภูมิสูงสุดของเปลวไฟ , อัตราส่วนของออกซิเจนต่อเชื้อเพลิงที่ใช้โดยปริมาตร และค่าการกระจายของความร้อนที่ขอบในและขอบนอกของเปลวไฟ แสดงในตารางที่ 2
ตารางที่ 2 แสดงค่าความร้อนที่ใช้ตัดสำหรับเชื้อเพลิงประเภทต่างๆ
ตารางที่ 3 แสดงค่าพารามิเตอร์ต่างๆที่ใช้สำหรับ acetylene gas
Plasma Arc cutting
หลักการพื้นฐานของการตัดแบบนี้จะใช้การอาร์คระหว่างอิเลคโตรท (electrode) และชิ้นงานที่ตัดภายในช่องเล็กๆที่ทำด้วยทองแดง (copper nozzle) ซึ่งจะทำให้เกิดพลาสมา ( plasma ) ซึ่งมีอุณหภูมิและความเร็วสูงเพิ่มขึ้นเมื่อไหลออกมาจากหัว nozzle โดยที่อุณภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 20,000 c และความเร็วเข้าใกล้ความเร็วเสียงซึ่งลำของพลาสมาจะตัดทะลุผ่านชิ้นงานที่หลอมเหลวล้วถูกกำจัดให้ไหลออกไปกับพลาสมาลงทางด้านล่างของชิ้นงาน
ข้อแตกต่างระหว่างระหว่างกระบวนการ OFC และ กระบวนการ PAC นั้น กระบวนการ PAC จะใช้การอาร์คจนกระทั่งโลหะหลอมเหลว ในขณะที่กระบวนการ OFC นั้นออกซิเจนจะออกซิไดซ์โลหะและความร้อนที่ได้รับจากปฎิกริยาจะทำการหลอมละลายโลหะ
ในยุคแรกๆ วัสดุที่ใช้ทำอิเลคโตรทจะทำมาจากทังสเตน และใช้ Ar , Ar-N2 เป็นพลาสมาแก๊ส นอกจากนั้นยังสามารถใช้อากาศหรือออกซิเจนก็ได้แต่อิเลคโตรทจะต้องเป็นโลหะผสมระหว่าง copper และ hafnium
คุณภาพของชิ้นงานที่ตัด
จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เกิดขึ้นที่ชิ้นงาน ดังนั้นถ้าสามารถควบคุมอุณหภูมิโดยการออกแบบหัวตัดได้ก็จะช่วยทำให้คุณภาพของรอยตัดดีขึ้น นอกจากนั้นมีอีกหลายวิธีเช่น
การใช้แก๊สสองชนิด (Dual gas)
ลักษณะของการตัดชนิดนี้แสดงในรูปที่ 5 โดยจะมีการป้อนแก๊สอีกชนิดหนึ่งเข้าไปรอบๆ nozzle ซึ่งจะมีข้อดีคือ ช่วยเพิ่มการอาร์คและช่วยเป่าเศษโลหะที่ถูกตัดแล้วออกไป โดยทั่วไปแล้ว พลาสมาแก๊ส ที่นิยมใช้ได้แก่ Ar , Ar-H2 หรือ N2 และแก๊สชนิดที่ 2 ที่นิยมใช้จะขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่จะใช้ตัด เช่น เหล็ก นิยมใช้ อากาศ,O2,N2 สเตนเลส นิยมใช้ N2 , Ar-H2 , CO2 อลูมิเนียม นิยมใช้ N2 , Ar-H2 , CO2
การใช้น้ำฉีด (Water Injection)
โดยปกติวิธีนี้จะใช้ N2 เป็นพลาสมาแก๊ส และใช้น้ำพ่นเข้าไปในแนวรัศมีเข้าสู่ลำของพลาสมา ซึ่งจะช่วยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นได้ถึง 30000 C ซึ่งข้อดีของการใช้วิธีนี้คือ
- ช่วยเพิ่มคุณภาพของรอยตัด
- เพิ่มความเร็วในการตัด
- ลดการสึกหรอของ nozzle
การใช้น้ำราด (Water Shroud)
ลักษณะของการตัดชนิดนี้แสดงในรูปที่ 7 นอกจากนั้นอาจใช้ชิ้นงานจุ่มลงในน้ำโดยให้อยู่ใต้ผิวน้ำ 50-70 cm ซึ่งข้อดีของวิธีนี้
- ช่วยลดควัน
- ช่วยลดเสียงจาก 155 เดซิเบล เหลือประมาณ 96 เดซิเบล
- เพื่มอายุการใช้งานของ nozzle
การใช้อากาศแทนแก๊สชนิดอื่น (Air plasma)
หัวฉีดแบบนี้จะใช้อากาศเป็นพลาสมาแก๊ส แทน Ar หรือ N2 แต่จะต้องใช้อิเลคโตรทชนิดพิเศษที่ทำด้วย Hafnium หรือ Zirconium สวมแทน copper วิธีนี้แม้ว่าจะช่วยค่าใช้จ่ายของแก๊สได้แต่ก็ยังมีค่าใช้จ่ายของอิเลคโครทซึ่งยังมีราคาค่อนข้างสูง
Air Carbon Arc cutting
เป็นกระบวนการตัดซึ่งโลหะที่ถูกตัดถูกหลอมละลายโดยใช้ความร้อนที่เกิดจากการอาร์คของคาร์บอน ซึ่งโลหะที่หลอมเหลวจะถูกเป่าออกไปโดยใช้อากาศอัดที่มีความเร็วสูง จากท่อที่อยู่ใกล้อิเลคโตรท ที่ทำด้วยคาร์บอนผสมแกรไฟต์
ลมที่ใช้จะมีค่าความดันอยู่ระหว่าง 80-100 psi และมีอัตราการไหล 5-50 ฟุตต่อนาที ซึ่งจะใช้ compressor เพื่ออัดอากาศขนาด 1-10 HP ขึ้นอยู่กับขนาดของอิเลคโตรท อิเลคโตรทจะทำจากส่วนผสมของคาร์บอนและแกรไฟต์ซึ่งจะถูกผลิตเป็นเนื้อเดียวกัน นอกจากนั้นอิเลคโตรทยังมีหลาย ชนิด ได้แก่ ชนิดไม่เคลือบ (uncoated electrode) มีราคาถูกแต่จะมีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ต่ำ ชนิดเคลือบด้วยทองแดง (copper-coated electrode) จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงนักขณะใช้งาน นอกจากนั้นยังมีความคงทนและนำไฟฟ้าได้ดีกว่า ซึ่งจะมีทั้งชนิดที่ใช้กับกระแสตรงและกระแสสลับ โดยสัดส่วนของคาร์บอนและแกรไฟต์จะแตกต่างกันเล็กน้อย
ลักษณะการใช้งาน CAC-A จะใช้ในการตัดโลหะ เซาะร่องผิวที่ชำรุด , กำจัดรอยเชื่อมที่ชำรุด , ใช้เซาะร่องเพื่อทำแนวเชื่อม ซึ่งการตัดชนิดนี้จะมีสะเก็ดของโลหะเกิดขึ้นตามขอบของชื้นงานที่ตัดและไม่ทำให้อุณหภูมิในบริเวณใกล้เคียงสูงมาก ซึ่งจะช่วยลดการบิดตัวของชิ้นงานได้
แหล่งที่มาข้อมูล : http://www.weldguru.com
Laser Beam cutting (LBC)
เป็นกระบวนการตัดโดยใช้ความร้อนโดยจะทำการหลอมเหลววัสดุและทำให้หลอมเหลวกลายเป็นไอโดยใช้ความร้อนจากแสงเลเซอร์ ซึ่งกระบวนการนี้ต้องอาจใช้แก๊สช่วยในการกำจัดเศษโลหะที่หลอมเหลวออก กระบวนการสร้างแสงเลเซอร์นี้ จะประกอบไปด้วย แหล่งพลังงาน , สารกำเนิดเลเซอร์ , ท่อเลเซอร์ , ระบบการนำรังสี ซึ่งจะให้ช่วงความยาวคลื่นและกำลังที่แตกต่างกันไป
รูปที่ 1 กระบวนการ LBC
ในการสร้างแสงเลเซอร์นั้นจะใช้สารกำเนิดเลเซอร์เป็นแก๊ส และใช้ระบบนำรังสี เป็นระบบกระจกเงา ซึ่งการใช้กระจกเงาสะท้อนลำแสงนี้ก็ทำให้มีปัญหาได้ ในกรณีที่มีการตัดโลหะที่มีพื้นผิวเงาวาว เลเซอร์แยกตามสารกำเนิดเลเซอร์มีหลายประเภทได้แก่
- CO2 Laser เหมาะสำหรับใช้งาน ตัด , สลัก , เชื่อม , คว้าน
- Neodynium Laser เหมาะสำหรับใช้งาน เชื่อม , คว้าน ที่ต้องใช้พลังงานสูง
- Nd-YAG Laser เหมาะสำหรับใช้งาน สลัก , เชื่อม , คว้าน ที่ต้องใช้พลังงานสูง
ข้อดีของการตัดโดยใช้แสงเลเซอร์ คือ ให้ความเร็วในการตัดสูง รอยตัดแคบ , เกิดความร้อนน้อยและชิ้นงานบิดตัวต่ำ, เกิดการสั่นสะเทือนต่ำ , เกิดแก๊สน้อย
การใช้งาน
- C-Mn steel ตัดได้ที่ความหนาสูงสุด 20 mm
- สเตนเลส ตัดได้ที่ความหนาสูงสุด 12 mm
- อลูมิเนียม ตัดได้ที่ความหนาสูงสุด 10 mm
- โลหะที่ไม่มีเหล็กผสมเทอร์โมพลาสติก
Waterjet cutting
การตัดโดยวิธีนี้จะใช้น้ำที่มีความดันสูงอัดผ่านรูเล็กๆที่เราเรียกว่า Orifice หรือ Jewel เพื่อทำการพ่นเข้าสู่วัสดุที่จะทำการตัด ซึ่งสามารถแยกได้เป็น 2 ชนิด ได้แก่ กระบวนการตัดโดยใช้น้ำอย่างเดียว (Pure Waterjet Cutting) และกระบวนการตัดโดยใช้น้ำซึ่งมีการผสมสารกัดกร่อนเข้าไปด้วย (Abrasive Waterjet Cutting)
กระบวนการตัดโดยใช้น้ำอย่างเดียว (Pure Waterjet Cutting)
วิธีนี้น้ำจะถูกอัดจนมีความดันอยู่ระหว่าง 1,300-6,200 Bar ซึ่งเมื่อผ่านเข้าสู่ Orifice ที่มีขนาด 0.18-0.4 mm จะทำให้ความดันและความเร็วมีค่าเพิ่มขึ้นสูง โดยความเร็วจะมีค่าใกล้เคียงกับความเร็วเสียง ( 960 km/hr) ดังรูปที่ 11 สำหรับวัสดุที่เหมาะสำหรับใช้วิธีนี้ตัดจะเป็นวัสดุที่มีเนื้อนุ่มเช่น ไม้เนื้ออ่อน , กระดาษทิชชู , วัสดุภายในรถยนต์
กระบวนการตัดโดยใช้น้ำซึ่งมีการผสมสารกัดกร่อนเข้าไปด้วย (Abrasive Waterjet Cutting)
วิธีนี้จะมีการเติมสารกัดกร่อน (Abrasive material) เข้าไปผสมหลังจากที่น้ำไหลผ่าน Orifice ซึ่งจะทำให้เกิดภาวะสุญญากาศ และจะดึงสารช่วยกัดกร่อนเข้าไปผสมกับกระแสน้ำ ดังรูปที่ 12 ซึ่งสารช่วยกัดกร่อนนี้จะมีบทบาทสำคัญในการทะลุทะลวงผ่านเนื้อวัสดุที่จะทำการตัด ซึ่งวิธีการตัดโดยวิธีนี้สามารถทำการตัดวัสดุที่มีความแข็งกว่าวิธีแรกได้เช่น เซรามิกส์, อลูมิเนียม
แหล่งที่มาข้อมูล : (www.purewaterjets.com , www.turbinemachining.com ,squidoo.com)