กระบวนการตัด Cutting Process

                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

รูปที่ 1. แสดงลักษณะการตัดแบบ oxyfuel gas

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

รูปที่  2  แสดงลักษณะของหัวตัดแก๊ส (Cutting Tip) ชนิด Ocyacetylene

รูปที่  3  แสดงลักษณะของหัวตัดแก๊สชนิด  Propane

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

รูปที่ 4    กระบวนการตัดแบบ  Plasma arc cutting

                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 

 

รูปที่  5  Dual gas PAC

การใช้น้ำฉีด  (Water Injection)

                โดยปกติวิธีนี้จะใช้  N2  เป็นพลาสมาแก๊ส และใช้น้ำพ่นเข้าไปในแนวรัศมีเข้าสู่ลำของพลาสมา ซึ่งจะช่วยเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นได้ถึง  30000   C   ซึ่งข้อดีของการใช้วิธีนี้คือ

   1. ช่วยเพิ่มคุณภาพของรอยตัด

   2. เพิ่มความเร็วในการตัด

   3. ลดการสึกหรอของ nozzle     

รูปที่ 6   Water Injection

การใช้น้ำราด  (Water Shroud)

                ลักษณะของการตัดชนิดนี้แสดงในรูปที่  7  นอกจากนั้นอาจใช้ชิ้นงานจุ่มลงในน้ำโดยให้อยู่ใต้ผิวน้ำ  50-70 cm ซึ่งข้อดีของวิธีนี้

1. ช่วยลดควัน

2.ช่วยลดเสียงจาก  155  เดซิเบล  เหลือประมาณ  96  เดซิเบล

3. เพื่มอายุการใช้งานของ   nozzle

รูปที่ 7   Water  Shroud

การใช้อากาศแทนแก๊สชนิดอื่น  (Air plasma)

                หัวฉีดแบบนี้จะใช้อากาศเป็นพลาสมาแก๊ส แทน  Ar  หรือ  N2 แต่จะต้องใช้อิเลคโตรทชนิดพิเศษที่ทำด้วย Hafnium  หรือ Zirconium  สวมแทน copper   วิธีนี้แม้ว่าจะช่วยค่าใช้จ่ายของแก๊สได้แต่ก็ยังมีค่าใช้จ่ายของอิเลคโครทซึ่งยังมีราคาค่อนข้างสูง

รูปที่ 8   Air plasma

แหล่งที่มาข้อมูล  :   Bill lucus & Derrick Hilton , BOC (www.twi.ac.uk)

Air Carbon Arc cutting

                เป็นกระบวนการตัดซึ่งโลหะที่ถูกตัดถูกหลอมละลายโดยใช้ความร้อนที่เกิดจากการอาร์คของคาร์บอน  ซึ่งโลหะที่หลอมเหลวจะถูกเป่าออกไปโดยใช้อากาศอัดที่มีความเร็วสูง จากท่อที่อยู่ใกล้อิเลคโตรท ที่ทำด้วยคาร์บอนผสมแกรไฟต์ดังแสดงในรูปที่  9

รูปที่  9  กระบวนการ  CAC-A

                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  10  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       

รูปที่  11  Pure Waterjet Cutting

กระบวนการตัดโดยใช้น้ำซึ่งมีการผสมสารกัดกร่อนเข้าไปด้วย  (Abrasive Waterjet Cutting)

                วิธีนี้จะมีการเติมสารกัดกร่อน (Abrasive material) เข้าไปผสมหลังจากที่น้ำไหลผ่าน Orifice ซึ่งจะทำให้เกิดภาวะสุญญากาศ และจะดึงสารช่วยกัดกร่อนเข้าไปผสมกับกระแสน้ำ  ดังรูปที่  12  ซึ่งสารช่วยกัดกร่อนนี้จะมีบทบาทสำคัญในการทะลุทะลวงผ่านเนื้อวัสดุที่จะทำการตัด  ซึ่งวิธีการตัดโดยวิธีนี้สามารถทำการตัดวัสดุที่มีความแข็งกว่าวิธีแรกได้เช่น เซรามิกส์,  อลูมิเนียม

รูปที่  12  Abrasive Waterjet Cutting

แหล่งที่มาข้อมูล  :   (www.purewaterjets.com , www.turbinemachining.com ,squidoo.com)