เลเซอร์แก๊ส (Laser Gas)
เลเซอร์แก๊ส (Laser Gas)
แก๊สสำหรับงานตัด งานแกะสลัก และงานเชื่อมด้วย CO₂ Laser
ปัจจุบันเทคโนโลยีเลเซอร์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรม โดยเฉพาะงาน ตัดชิ้นงาน (Laser Cutting) งานแกะสลัก (Laser Engraving) และงานเชื่อม (Laser Welding) ซึ่งหนึ่งในระบบที่ใช้งานมาอย่างยาวนานคือ CO₂ Laser
คำว่า LASER ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation หมายถึงการขยายแสงด้วยกระบวนการปล่อยรังสีแบบถูกกระตุ้น ทำให้เกิดลำแสงที่มีความเข้มสูง มีทิศทางที่ชัดเจน และสามารถควบคุมคุณสมบัติของลำแสงได้อย่างแม่นยำ จึงเหมาะสำหรับการนำไปใช้ในกระบวนการผลิตที่ต้องการความละเอียดและพลังงานสูง
Laser Gas หรือ Lasing Gas คืออะไร?
สำหรับ CO₂ Laser การสร้างลำแสงเลเซอร์อาศัยส่วนผสมของแก๊สที่เรียกว่า Laser Gas หรือ Lasing Gas เป็นตัวกลางในการสร้างแสงเลเซอร์ โดยทั่วไปส่วนผสมหลักประกอบด้วย Carbon Dioxide (CO₂), Nitrogen (N₂) และ Helium (He) ในสัดส่วนที่แตกต่างกันตามการออกแบบของเครื่องเลเซอร์แต่ละรุ่น
เมื่อแก๊สภายในระบบได้รับพลังงานจากการกระตุ้นทางไฟฟ้า จะเกิดการถ่ายเทพลังงานระหว่างโมเลกุลของแก๊ส จนนำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของ โฟตอน (Photon) และเกิดการขยายแสงภายใน Laser Resonator จนได้ลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง
สำหรับ CO₂ Laser ลำแสงที่ได้อยู่ในช่วงอินฟราเรด โดยมีความยาวคลื่นหลักที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมบริเวณ 10.6 ไมโครเมตร (µm) ซึ่งสามารถนำพลังงานไปโฟกัสลงบนพื้นที่ขนาดเล็กของชิ้นงานได้ จึงเหมาะสำหรับงานตัด แกะสลัก และแปรรูปวัสดุหลากหลายประเภท
ดังนั้น คุณภาพ ความบริสุทธิ์ และสัดส่วนของ Laser Gas จึงเป็นปัจจัยหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพและความเสถียรของระบบ CO₂ Laser โดยส่วนผสมและคุณภาพของแก๊สที่ใช้ควรเป็นไปตามข้อกำหนดของผู้ผลิตเครื่องเลเซอร์แต่ละรุ่น
สำหรับ CO₂ Laser ส่วนผสมของแก๊สที่ใช้สร้างลำแสง หรือที่เรียกว่า Lasing Gas / Laser Gas Mixture โดยทั่วไปประกอบด้วยแก๊สหลัก 3 ชนิด ได้แก่ Carbon Dioxide (CO₂), Nitrogen (N₂) และ Helium (He) ซึ่งแก๊สแต่ละชนิดมีหน้าที่แตกต่างกันในกระบวนการสร้างลำแสงเลเซอร์
1. Carbon Dioxide (CO₂) – แก๊สหลักในการสร้างลำแสงเลเซอร์
Carbon Dioxide (CO₂) เป็น Active Laser Medium ที่สำคัญของ CO₂ Laser โดยโมเลกุล CO₂ ที่ได้รับการถ่ายเทพลังงานจะเกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานและปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรด
CO₂ Laser มีเส้นการปล่อยแสงที่สำคัญบริเวณความยาวคลื่น 10.6 µm และสามารถให้กำลัง Laser Output สูง จึงเหมาะสำหรับงานอุตสาหกรรม เช่น Laser Cutting, Laser Engraving และการแปรรูปวัสดุด้วยเลเซอร์
2. Nitrogen (N₂) – ช่วยถ่ายเทพลังงานให้ CO₂
Nitrogen (N₂) มีหน้าที่สำคัญในการช่วยถ่ายเทพลังงานไปยังโมเลกุล CO₂
เมื่อ N₂ ได้รับพลังงานจากการกระตุ้นทางไฟฟ้า จะสามารถถ่ายเทพลังงานไปยัง CO₂ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้โมเลกุล CO₂ อยู่ในสถานะพลังงานที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการสร้างแสงเลเซอร์
ดังนั้น N₂ จึงเป็นหนึ่งในส่วนประกอบสำคัญของ CO₂ Laser Gas Mixture
3. Helium (He) – ช่วยระบายความร้อนและรักษาประสิทธิภาพของระบบ
Helium (He) มีคุณสมบัติในการนำความร้อนที่ดี จึงช่วยถ่ายเทความร้อนออกจากส่วนผสมของแก๊สภายในระบบ
นอกจากนี้ Helium ยังมีส่วนช่วยให้โมเลกุล CO₂ กลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลงหลังจากการปล่อยพลังงาน ทำให้กระบวนการสร้างลำแสงสามารถดำเนินต่อไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ด้วยเหตุนี้ CO₂ + N₂ + He จึงเป็นส่วนผสมพื้นฐานที่พบได้ใน CO₂ Laser หลายประเภท
แล้ว CO, H₂ และ Xe ใช้กับ Laser Gas หรือไม่?
นอกจาก CO₂, N₂ และ He แล้ว ระบบ Gas Laser บางประเภทอาจใช้แก๊สชนิดอื่นตามเทคโนโลยีและวัตถุประสงค์ของเครื่อง เช่น
Carbon Monoxide (CO) สามารถทำหน้าที่เป็น Active Laser Medium ใน CO Laser ซึ่งเป็นระบบที่แตกต่างจาก CO₂ Laser และให้รังสีในช่วงอินฟราเรด
Hydrogen (H₂) พบได้ในระบบเลเซอร์เฉพาะทางบางประเภท รวมถึง Chemical Laser เช่น Hydrogen Fluoride (HF) Laser อย่างไรก็ตาม H₂ ไม่ใช่ส่วนประกอบหลักของ CO₂ Laser Gas ทั่วไป
Xenon (Xe) เป็น Noble Gas ที่ใช้ในระบบเลเซอร์บางประเภท เช่น Excimer Laser บางระบบ เพื่อสร้างรังสีที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ และไม่ได้เป็นส่วนประกอบมาตรฐานของ CO₂ Laser
ดังนั้น หากกล่าวถึง Laser Gas สำหรับ CO₂ Laser โดยเฉพาะ แก๊สหลักที่ควรให้ความสำคัญคือ CO₂, N₂ และ He ส่วนแก๊สชนิดอื่นจะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีและการออกแบบของ Laser Source
สัดส่วนของ CO₂, N₂ และ He ต้องเป็นเท่าไร?
สัดส่วนของ CO₂, N₂ และ He ไม่มีสูตรเดียวที่สามารถใช้ได้กับ CO₂ Laser ทุกเครื่อง เนื่องจากขึ้นอยู่กับการออกแบบ Laser Source กำลังของเครื่อง ระบบจ่ายแก๊ส และข้อกำหนดของผู้ผลิต
ใน CO₂ Laser บางระบบอาจพบส่วนผสมที่มี CO₂ และ N₂ ในสัดส่วนประมาณหลักสิบเปอร์เซ็นต์ และมี Helium เป็นองค์ประกอบหลัก แต่ ไม่ควรใช้ช่วง 10–20% CO₂, 10–20% N₂ และ 60–80% He เป็นค่ามาตรฐานสำหรับเครื่องทุกประเภท
ก่อนเลือกหรือสั่งซื้อ CO₂ Laser Gas Mixture จึงควรตรวจสอบ Gas Specification ของเครื่องโดยตรง เพื่อกำหนด
ชนิดแก๊ส • เปอร์เซ็นต์ความเข้มข้น • ความบริสุทธิ์ (Purity) • ความชื้น (Moisture) • และสิ่งปนเปื้อน (Impurities)
ให้ตรงตามข้อกำหนดของผู้ผลิตเครื่อง Laser
ทำไมความบริสุทธิ์ของ Laser Gas จึงสำคัญ?
นอกจากสัดส่วนของแก๊สแล้ว คุณภาพและความบริสุทธิ์ของ Laser Gas ยังเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของระบบ
ความชื้น (H₂O) และสิ่งปนเปื้อนอื่น ๆ ในแก๊สอาจส่งผลต่อคุณสมบัติของ Gas Mixture และการทำงานของ Laser Source ดังนั้นจึงควรเลือกแก๊สที่มี Specification เหมาะสมกับเครื่องจักร
หากผู้ผลิตเครื่องกำหนดค่า Moisture เช่น H₂O ≤ 5 ppm ก็ควรเลือก Laser Gas ที่สามารถควบคุมและรับรองค่าดังกล่าวได้ อย่างไรก็ตาม ค่า H₂O ≤ 5 ppm ไม่ใช่ข้อกำหนดตายตัวสำหรับ CO₂ Laser ทุกเครื่อง จึงควรอ้างอิง Specification ของผู้ผลิตเป็นหลัก
สำหรับงานที่ต้องการควบคุมองค์ประกอบของแก๊สอย่างแม่นยำ สามารถเลือกใช้ Pre-mixed Laser Gas ที่ผสมแก๊สตามสัดส่วนที่กำหนดไว้ล่วงหน้า หรือ Custom Gas Mixture ที่กำหนดเปอร์เซ็นต์ของแก๊สให้ตรงกับ Specification ของเครื่องจักรแต่ละรุ่น
ตัวอย่าง เลเซอร์แก๊สแบบสำเร็จรูป (prepackaged)
|
ชื่อแก๊ส |
Components (ส่วนผสม) |
||||||
|
Xenon |
O2 |
CO |
H2 |
CO2 |
N2 |
Helium |
|
|
TIGCS Laser Gases 1 |
|
|
|
|
5.50% |
29% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 2 |
|
|
|
|
3.14% |
31.40% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 3 |
|
|
|
|
15.60% |
3.40% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 4 |
|
|
|
|
4.50% |
13.50% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 5 |
|
|
|
|
1.70% |
23.40% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 6 |
|
|
|
|
6% |
20% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 7 |
|
|
|
|
5% |
35% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 8 |
|
|
|
|
5% |
29% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 9 |
|
|
|
|
4% |
26% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 12 |
|
|
|
|
5% |
balance |
40% |
|
TIGCS Laser Gases 13 |
|
|
|
|
5% |
25% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 14 |
|
|
2% |
|
8% |
8% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 15 |
|
|
4% |
|
6% |
balance |
28% |
|
TIGCS Laser Gases 16 |
|
|
4% |
|
8% |
16% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 17 |
|
|
|
0.25% |
7.50% |
15% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 18 |
|
|
4% |
0.50% |
6% |
16% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 19 |
|
|
3% |
0.30% |
7% |
13% |
balance |
|
TIGCS Laser Gases 20* |
3% |
3% |
6% |
|
4% |
19% |
balance |
TIGCS สามารถจัดหา Laser Gas Mixture ตามสเปกของเครื่องเลเซอร์
TIGCS สามารถจัดหา Laser Gas Mixture สำหรับ CO₂ Laser ได้ทั้งแบบส่วนผสมสำเร็จรูป (Pre-mixed Gas) และแบบกำหนดส่วนผสมตามความต้องการ (Custom Gas Mixture) เพื่อรองรับเครื่องเลเซอร์และกระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน
ลูกค้าสามารถระบุ ชนิดของแก๊ส เปอร์เซ็นต์ความเข้มข้น และระดับความบริสุทธิ์ ตาม Specification ที่ผู้ผลิตเครื่องเลเซอร์กำหนด เพื่อให้ส่วนผสมของแก๊สเหมาะสมกับ Laser Source และเงื่อนไขการใช้งานของเครื่องแต่ละรุ่น
จาก Laser Gas สู่ Laser Cutting
เมื่อ Lasing Gas ทำหน้าที่ในกระบวนการสร้างลำแสงเลเซอร์ (Laser Beam) แล้ว ขั้นตอนต่อมาคือการนำพลังงานจากลำแสงไปใช้ในการตัดหรือแปรรูปวัสดุ
Laser Cutting เป็นกระบวนการตัดด้วยความร้อน โดยลำแสงเลเซอร์จะถูกส่งผ่านระบบ Optical และโฟกัสด้วยเลนส์ (Focus Lens) ไปยังบริเวณขนาดเล็กบนผิวชิ้นงาน ทำให้เกิดความหนาแน่นของพลังงานสูง จนวัสดุบริเวณดังกล่าวเกิดการหลอมเหลวหรือระเหยออก
อย่างไรก็ตาม การใช้ลำแสงเลเซอร์เพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอสำหรับกระบวนการตัด จึงต้องมีแก๊สอีกประเภทหนึ่งเข้ามาช่วย นั่นคือ Assist Gas หรือแก๊สช่วยตัดเลเซอร์
Assist Gas คืออะไร และทำไม Laser Cutting ต้องใช้แก๊สช่วย?
Assist Gas คือแก๊สที่ถูกจ่ายผ่านหัว Nozzle ไปยังบริเวณที่ลำแสงเลเซอร์กำลังตัดชิ้นงาน โดยมีหน้าที่หลักในการ ขับโลหะหรือวัสดุที่หลอมเหลวออกจากร่องตัด (Kerf) ช่วยให้กระบวนการตัดดำเนินไปอย่างต่อเนื่องและได้คุณภาพของขอบตัดตามที่ต้องการ
Assist Gas ยังมีผลต่อ คุณภาพรอยตัด ความเร็วในการตัด การเกิด Oxidation และลักษณะของขอบชิ้นงาน โดยแก๊สแต่ละชนิดมีคุณสมบัติแตกต่างกัน
ตัวอย่างเช่น Oxygen (O₂) สามารถทำปฏิกิริยากับเหล็กและเกิดความร้อนเพิ่มเติมจากปฏิกิริยา Oxidation ซึ่งช่วยสนับสนุนกระบวนการตัด ขณะที่ Nitrogen (N₂) นิยมใช้เมื่อต้องการลดการเกิด Oxidation และให้ขอบตัดที่สะอาด
ดังนั้น ในระบบ Laser Cutting จึงควรแยกหน้าที่ของแก๊สออกเป็น 2 ส่วนอย่างชัดเจน คือ
Lasing Gas → ใช้ในกระบวนการสร้าง Laser Beam
Assist Gas → ใช้ช่วยในกระบวนการตัดและขับวัสดุหลอมเหลวออกจากร่องตัด
การเลือก Assist Gas ที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับ ชนิดของวัสดุ ความหนาของชิ้นงาน กำลังของเครื่อง Laser ความเร็วในการตัด และคุณภาพของขอบตัดที่ต้องการ
Laser Cutting ใช้ Assist Gas อะไร Nitorgen หรือ Oxygen?
โดยทั่วไป แก๊สช่วยตัดเลเซอร์ (Assist Gas) ที่นิยมใช้ในงาน Laser Cutting ได้แก่ Nitrogen (N₂) และ Oxygen (O₂) โดยไม่สามารถระบุได้ว่าแก๊สชนิดใดดีที่สุดสำหรับทุกงาน เพราะต้องเลือกให้เหมาะสมกับ ชนิดของวัสดุ ความหนาของชิ้นงาน กำลังของเครื่อง Laser ความเร็วในการตัด และคุณภาพของขอบตัดที่ต้องการ
Nitrogen และ Oxygen มีคุณสมบัติและบทบาทในกระบวนการตัดแตกต่างกัน ดังนี้
Assist Gas – Nitrogen (N₂)
Nitrogen (N₂) เป็น Assist Gas ที่เหมาะสำหรับงาน Laser Cutting ที่ต้องการลดการเกิด Oxidation และต้องการขอบตัดที่สะอาด
Nitrogen นิยมใช้ในการตัดวัสดุ เช่น Stainless Steel และ Aluminum รวมถึงวัสดุบางประเภทที่ต้องการลดการเกิดชั้น Oxide บริเวณขอบตัด
ในกระบวนการตัด Nitrogen จะถูกจ่ายผ่าน Nozzle ด้วยแรงดันที่เหมาะสม เพื่อช่วย ขับโลหะหลอมเหลวออกจากร่องตัด (Kerf) โดยไม่สนับสนุนปฏิกิริยา Oxidation เหมือนกับ Oxygen
จุดเด่นของการใช้ Nitrogen ได้แก่
- ช่วยให้ขอบตัดสะอาดและลดการเกิด Oxide
- เหมาะกับ Stainless Steel และ Aluminum
- เหมาะกับงานที่ให้ความสำคัญกับคุณภาพของขอบชิ้นงาน
- ลดปัญหาจากชั้น Oxide ก่อนเข้าสู่กระบวนการผลิตบางประเภทในขั้นตอนต่อไป
ระบบ Laser Cutting บางประเภทอาจใช้ Nitrogen ที่แรงดันสูง เช่น ประมาณ 12–35 bar และอาจมีอัตราการใช้แก๊สสูง โดยบางสภาวะการทำงานสามารถใช้แก๊สในระดับ หลายสิบถึงมากกว่า 100 m³/h
อย่างไรก็ตาม Pressure และ Flow Rate ไม่ใช่ค่าคงที่ แต่ขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่อง Laser, ขนาด Nozzle, ความหนาและชนิดของวัสดุ รวมถึง Cutting Parameter ที่ผู้ผลิตเครื่องกำหนด
เนื่องจากการตัดด้วย Nitrogen อาจต้องใช้แก๊สในปริมาณมาก ต้นทุนของระบบจ่ายแก๊สจึงเป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ควรนำมาพิจารณา โดยเฉพาะโรงงานที่มีการตัดชิ้นงานอย่างต่อเนื่อง
Assist Gas – Oxygen (O₂)
Oxygen (O₂) เป็น Assist Gas ที่นิยมใช้สำหรับการตัด Mild Steel หรือ Carbon Steel
เมื่อ Oxygen สัมผัสกับเหล็กที่ได้รับความร้อนจากลำแสง Laser จะเกิดปฏิกิริยา Oxidation ซึ่งให้ความร้อนเพิ่มเติมและช่วยสนับสนุนกระบวนการตัด
ด้วยเหตุนี้ Oxygen จึงเหมาะสำหรับการตัด Carbon Steel หลายระดับความหนา โดยเฉพาะงานที่สามารถยอมรับการเกิด Oxide Layer บริเวณขอบตัด ได้
ระบบที่ใช้ Oxygen มักใช้แรงดันต่ำกว่า Nitrogen อย่างมีนัยสำคัญ และในบาง Application อาจใช้แรงดันในระดับ ต่ำกว่า 3 bar รวมถึงมีอัตราการใช้แก๊สต่ำกว่า Nitrogen
ข้อดีของการใช้ Oxygen ได้แก่
- เหมาะสำหรับ Mild Steel และ Carbon Steel
- ปฏิกิริยา Oxidation ช่วยเพิ่มพลังงานความร้อนในกระบวนการตัด
- สามารถเหมาะกับการตัดเหล็กที่มีความหนามากขึ้น
- โดยทั่วไปใช้ Pressure และปริมาณแก๊สน้อยกว่าการตัดด้วย Nitrogen
อย่างไรก็ตาม ขอบชิ้นงานที่ตัดด้วย Oxygen จะเกิด Oxide Layer ซึ่งแตกต่างจากคำว่า “เกิดสนิม” โดยตรง และอาจต้องกำจัดชั้น Oxide ออกก่อนเข้าสู่กระบวนการบางประเภท เช่น การพ่นสีหรือการเตรียมผิว
Nitrogen กับ Oxygen เลือก Assist Gas แบบไหนดี?
การเลือก Assist Gas สำหรับ Laser Cutting สามารถพิจารณาเบื้องต้นได้ดังนี้
Nitrogen (N₂) เหมาะกับงานที่ต้องการ ขอบตัดสะอาด ลด Oxidation โดยเฉพาะ Stainless Steel และ Aluminum แต่โดยทั่วไปต้องใช้แรงดันและปริมาณแก๊สค่อนข้างสูง
Oxygen (O₂) เหมาะกับการตัด Mild Steel หรือ Carbon Steel โดยอาศัยปฏิกิริยา Oxidation ช่วยในกระบวนการตัด ใช้แรงดันและปริมาณแก๊สน้อยกว่า แต่จะเกิด Oxide Layer บริเวณขอบตัด
ดังนั้น การเลือกใช้ Nitrogen หรือ Oxygen สำหรับ Laser Cutting จึงควรพิจารณาจากวัสดุ ความหนา คุณภาพรอยตัด ความเร็วในการผลิต และต้นทุนโดยรวมของกระบวนการ
เลือกระบบแก๊สสำหรับ Laser Cutting อย่างไร?
เพื่อให้การตัดชิ้นงานประเภท Steel, Stainless Steel หรือ Aluminum ด้วย Laser มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องเลือกทั้ง Lasing Gas และ Assist Gas ให้เหมาะสมกับเทคโนโลยีของเครื่องและกระบวนการผลิต
สำหรับเครื่อง CO₂ Laser ที่ใช้ External Laser Gas นั้น Lasing Gas มีหน้าที่เกี่ยวข้องกับการสร้างลำแสง Laser ขณะที่ Assist Gas เช่น N₂ หรือ O₂ ทำหน้าที่ในกระบวนการตัดชิ้นงาน
การออกแบบระบบจ่ายแก๊สจึงควรพิจารณาจาก
ชนิดและรุ่นของเครื่อง Laser • กำลัง Laser • ชนิดของวัสดุ • ความหนาของชิ้นงาน • ปริมาณงานต่อวัน • Pressure • Flow Rate • และคุณภาพของรอยตัดที่ต้องการ
โดยเฉพาะความหนาสูงสุดของชิ้นงาน ไม่ควรกำหนดเป็นค่าตายตัวว่าไม่เกิน 40 มม. เนื่องจากความสามารถในการตัดขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีและกำลังของเครื่อง Laser รวมถึงชนิดของวัสดุและ Assist Gas ที่เลือกใช้
TIGCS สามารถให้คำแนะนำในการเลือก Laser Gas, Gas Mixture และ Assist Gas รวมถึงการพิจารณารูปแบบระบบจ่ายแก๊สให้เหมาะสมกับปริมาณการใช้งานและกระบวนการผลิตของลูกค้า
สนใจข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อสินค้า โทร.02-348-0541 LINE ID : @TIGCS
