Принцип на лазерно-кислородно-горивна хибридна машина за рязане

Лазерното пламъчно композитно рязане обикновено се отнася до „лазерно кислородно рязане„“, който е един от основните процеси на лазерно рязане (другите два са лазерно рязане с топене и лазерно изпаряване). Това не означава „лазерно генериран пламък“, а по-скоро хибриден процес, който използва лазер като източник на топлина, допълнен от чист кислород като спомагателен газ, за ​​да инициира енергична реакция на окислително горене (т.е. „пламък“) в метали (главно стоманени материали) по време на процеса на рязане. Този процес използва топлинната енергия от химическата реакция, за да подобри значително производителността на рязане.

След това ще обясним подробно принципа му от няколко гледни точки:

Основен принцип: Лазерно индуцирано контролирано горене на метал

1. Ролята на лазера (запалване и поддръжка):

• Лазерен лъч с висока енергийна плътност се фокусира върху повърхността на детайла, което води до бързо повишаване на температурата на облъчения метал до точката му на запалване (приблизително 1350°C за желязо).
• Лазерният лъч осигурява непрекъснат, прецизен, високоенергиен източник на топлина, който не само запалва реакцията, но и по-важното е, че поддържа реакционната зона при висока температура.

2. Роля на кислорода (горивно вещество и поглъщател):

• Поток от кислород с високо налягане и висока чистота се инжектира коаксиално с лазерния лъч върху металното петно, нагрявано от лазера.
• Желязото (Fe), което достига точката на запалване, и кислородът (O₂) претърпяват бурна окислителна екзотермична реакция (горене): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, топлина
• Тази реакция освобождава много топлина (около 3-5 пъти енергията на самия лазер!). Това е ключът към „съединителната“ енергия. Тази допълнителна топлина значително подобрява общия капацитет на топене/газификация.

3. Съставен процес на сътрудничество:

• Предварително нагряване и запалване: Лазерът първо нагрява локалния метал до точката на запалване.
• Екзотермично горене: впръскване на кислород, металът гори бурно, генерирайки много по-висока топлина, отколкото самият лазер може да осигури, бързо топейки или дори окислявайки метала и образувайки шлака (главно FeO и Fe3O4).
• Издухване и формоване: Друга важна роля на потока кислороден газ под високо налягане е да издухва разтопения метален оксид (шлака), генериран от реакцията, от режещия шев силно като „въздушен нож“, за да образува чиста, относително гладка режеща повърхност.

Непрекъснато: Лазерният лъч се движи напред, непрекъснато загрява новата зона и реакцията на горене следва лазерния фокус напред и надолу и накрая прониква в детайла и образува разрез.

Как този „комбиниран“ подход е толкова ефикасен? (Предимство)

1. Силна способност за рязане на дебели плочи:За въглеродна стомана (като нисковъглеродна стомана), лазерното кислородно рязане е най-рентабилният и бърз метод за рязане на средни и дебели плочи (обикновено повече от 6 мм, до 30 мм или дори по-дебели). Чисто лазерното рязане с топене (като например с азот) трябва да разчита изцяло на лазерна енергия за разтопяне на метала, а повърхността на дебелата плоча изглежда неадекватна.

2. Бърза скорост на рязане:Поради добавянето на химическа енергия от реакцията на горене на метала, общата вложена енергия е много по-висока от тази на единична лазерна енергия, така че скоростта на рязане е значително по-бърза от рязането с топене при същата мощност.

3Изискванията за мощност на оборудването са относително ниски:За рязане на същата въглеродна стомана, лазерната мощност, необходима за лазерно кислородно рязане, може да бъде много по-ниска от тази на чисто лазерно топене, което намалява разходите за оборудване и консумацията на енергия.

4. Добро качество на рязане:За дебели плочи от въглеродна стомана може да се получи режеща повърхност с добра вертикалност и по-малко шлака (идеално състояние).

Характеристики и ограничения на процеса

1. Селективност на материалите:

• Предимно за реактивни метали: Най-типичният и идеален материал за приложение е въглеродната стомана.

• Не е подходящ за неръждаема стомана, алуминий, мед и др.:
• Неръждаема стомана: хромът (Cr) и други елементи образуват оксиди с висока точка на топене (като Cr2O3), които възпрепятстват протичането на окислителната реакция и шлаката не се отстранява лесно, което води до груба повърхност на рязане и сериозно натрупване на шлака.
• Алуминий и мед: точката на топене на техните оксиди (Al2O3,CuO) е много по-висока от тази на самия субстрат, покривайки повърхността като твърда обвивка, предотвратявайки продължаването на реакцията и притежавайки висока отражателна способност към лазера.

2. Характеристики на режещата повърхност:

• Поради окислителната реакция, повърхността на разреза ще има оксиден слой (подобно на обработката с синьо) и може да бъде леко грапава (в сравнение със светлата страна на азотния разрез).
• Възможно е да има леко количество шлака, висяща на дъното, което трябва да се сведе до минимум чрез оптимизиране на параметрите на процеса.

3. Зоната, засегната от топлината, е по-голяма:Бурната окислителна реакция ще генерира повече топлина, което ще доведе до по-широка зона на топлинно въздействие върху детайла от тази при лазерно топене и рязане, а общата термична деформация на детайла може да бъде малко по-голяма.

Сравнение с други процеси на рязане

СРЕЩУ чисто лазерно азотно рязане (рязане с топене):

• Азотно рязане: чрез лазерно топене на метал, като стопилката се отстранява с азот под високо налягане. Няма окислителна реакция, сечението е блестящо и без оксиден слой, но скоростта е ниска, разходът на газ е голям, а цената е висока. Подходящо е за неръждаема стомана, алуминий и др., но не е икономично за дебела въглеродна стомана.
• Кислородно рязане: добавяне на окислителна реакция, бърза скорост, ниска цена, подходящо за въглеродна стомана, но сечението има оксиден слой.

СРЕЩУ традиционното пламъчно рязане (оксиацетиленово рязане):

• Традиционен пламък: чрез предварително нагряване на пламъка, рязане с чисто кислородно горене. Бавно предварително нагряване, широк прорез, ниска прецизност и голяма термична деформация.
• Лазерно кислородно рязане: с високоенергийна лазерна прецизност, бързо предварително нагряване, много тесен режещ шев (и диаметър на лазерното петно), висока прецизност, малък размер
• Наклонът ll, малкото термично въздействие, е традиционната модернизация на пламъчното рязане, версия за високо прецизно надграждане.

Обобщение

Основният принцип на лазерно-пламъчната (лазерно-кислородна) машина за рязане на композитни материали е използването на високоенергиен лазерен лъч за точно запалване и поддържане на бурната реакция на горене на метал (желязо) в чиста кислородна среда и комбиниране на топлинната енергия на лазера с химическата енергия на окислението на метала, за да се постигне ефект на рязане „1 1>2“. Тя перфектно съчетава предимствата на висока прецизност и висок фокус на лазера с предимствата на висока ефективност и ниска цена на изгаряне на кислород, което я прави незаменим основен процес в областта на рязането на листове от въглеродна стомана със средна и дебела дебелина.