Princip hibridne mašine za lasersko-oksifuelno rezanje

Rezanje kompozitnih materijala laserskim plamenom obično se odnosi na "lasersko rezanje kisikom", što je jedan od glavnih procesa laserskog rezanja (druga dva su lasersko rezanje topljenjem i lasersko rezanje isparavanjem). To ne znači "laserski generirani plamen", već hibridni proces koji koristi laser kao izvor topline, dopunjen čistim kisikom kao pomoćnim plinom, za pokretanje snažne reakcije oksidacijskog sagorijevanja (tj. "plamena") u metalima (uglavnom čeličnim materijalima) tokom procesa rezanja. Ovaj proces koristi toplinsku energiju iz hemijske reakcije kako bi značajno poboljšao performanse rezanja.

Zatim ćemo detaljno objasniti njegov princip iz nekoliko perspektiva:

Osnovni princip: Laserski inducirano kontrolirano sagorijevanje metala

1. Uloga lasera (paljenje i održavanje):

• Laserski snop visoke gustoće energije fokusira se na površinu obratka, uzrokujući brzi porast temperature ozračenog metala do tačke paljenja (približno 1350°C za željezo).
• Laserski snop pruža kontinuiran, precizan, visokoenergetski izvor topline koji ne samo da potiče reakciju, već, što je još važnije, održava reakcijsko područje na visokoj temperaturi.

2. Uloga kisika (sredstvo za sagorijevanje i čistač):

• Jedan mlaz kisika visoke čistoće pod visokim pritiskom koaksijalno se ubrizgava laserskim snopom na metalnu tačku koju laser zagrijava.
• Željezo (Fe) koje dostigne tačku paljenja i kisik (O₂) podliježu burnoj oksidacijskoj egzotermnoj reakciji (sagorijevanju): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, toplota
• Ova reakcija oslobađa mnogo toplote (oko 3-5 puta više energije od samog lasera!). To je ključ "spojene" energije. Ova dodatna toplota uveliko povećava ukupni kapacitet topljenja/gasifikacije.

3. Kompozitni kolaborativni proces:

• Predgrijavanje i paljenje: Laser prvo zagrijava lokalni metal do tačke paljenja.
• Egzotermno sagorijevanje: ubrizgavanjem kisika metal burno gori, stvarajući mnogo veću toplinu nego što sam laser može osigurati, brzo topi ili čak oksidira metal i formira trosku (uglavnom FeO i Fe3O4).
• Uduvavanje i oblikovanje: Druga važna uloga protoka gasovitog kiseonika pod visokim pritiskom je snažno uduvavanje rastopljenog metalnog oksida (troske) nastalog reakcijom iz šava rezanja poput "zračnog noža" kako bi se formirala čista, relativno glatka površina rezanja.

Kontinuirano: Laserski snop se kreće naprijed, kontinuirano zagrijava novo područje, a reakcija sagorijevanja prati laserski fokus naprijed i dolje, te na kraju prodire u radni komad i formira rez.

Kako je ovaj „složeni“ pristup tako efikasan? (Prednost)

1. Snažna sposobnost rezanja debelih ploča:Za ugljični čelik (kao što je niskougljični čelik), lasersko rezanje kisikom je najisplativija i najbrža metoda za rezanje srednje debelih i debelih ploča (obično više od 6 mm, do 30 mm ili čak debljih). Čisto lasersko rezanje topljenjem (kao što je s dušikom) mora se u potpunosti oslanjati na lasersku energiju za topljenje metala, a površina debele ploče izgleda neadekvatna.

2. Velika brzina rezanja:Zbog dodavanja hemijske energije reakcije sagorijevanja metala, ukupni unos energije je mnogo veći od energije jednog lasera, tako da je brzina rezanja znatno veća od rezanja topljenjem pri istoj snazi.

3Zahtjevi za napajanje opreme su relativno niski:Za rezanje istog ugljičnog čelika, snaga lasera potrebna za lasersko rezanje kisikom može biti mnogo niža od snage čistog laserskog rezanja topljenjem, što smanjuje troškove opreme i potrošnju energije.

4. Dobar kvalitet rezanja:Za debele ploče od ugljičnog čelika može se dobiti površina rezanja s dobrom vertikalnošću i manje troske (idealno stanje).

Karakteristike i ograničenja procesa

1. Selektivnost materijala:

• Prvenstveno za reaktivne metale: Najtipičniji i idealni materijal za primjenu je ugljični čelik.

• Nije pogodno za nehrđajući čelik, aluminij, bakar itd.:
• Nehrđajući čelik: hrom (Cr) i drugi elementi formiraju okside visoke tačke topljenja (kao što je Cr2O3), koji sprečavaju nastavak oksidacijske reakcije, a troska se ne može lako ukloniti otpuhavanjem, što rezultira grubom površinom rezanja i ozbiljnim naslagama troske.
• Aluminij i bakar: tačka topljenja njihovih oksida (Al2O3,CuO) je mnogo viša od tačke topljenja same podloge, prekrivajući površinu poput tvrde ljuske, sprječavajući nastavak reakcije i imajući visoku reflektivnost prema laseru.

2. Karakteristike površine rezanja:

• Zbog oksidacijske reakcije, površina reza će imati oksidni sloj (slično tretmanu plavljenja) i može biti malo hrapava (u poređenju sa svijetlom stranom reza dušikom).
• Na dnu se može nalaziti mala količina troske, koju je potrebno smanjiti optimizacijom procesnih parametara.

3. Zona uticaja toplote je veća:Snažna oksidacijska reakcija će generirati više topline, što će rezultirati time da je zona utjecaja topline na obratku šira od one kod laserskog topljenja i rezanja, a ukupna toplinska deformacija obratka može biti nešto veća.

Poređenje s drugim procesima rezanja

U poređenju sa čistim laserskim rezanjem dušikom (rezanje topljenjem):

• Rezanje dušikom: laserskim topljenjem metala, otpuhivanjem taline dušikom pod visokim pritiskom. Nema oksidacijske reakcije, presjek je svijetao i bez oksidnog sloja, ali je brzina mala, potrošnja plina velika, a cijena visoka. Pogodno je za nehrđajući čelik, aluminij itd., a nije ekonomično za debeli ugljični čelik.
• Rezanje kisikom: dodavanje oksidacijske reakcije, velika brzina, niska cijena, pogodno za ugljični čelik, ali presjek ima oksidni sloj.

U poređenju sa tradicionalnim rezanjem plamenom (rezanje oksiacetilenom):

• Tradicionalni plamen: predgrijavanjem plamenom, rezanje čistim kisikom. Sporo predgrijavanje, široki prorez, niska preciznost i velika termička deformacija.
• Rezanje laserskim kisikom: s preciznošću lasera visoke energije, brzim predgrijavanjem, vrlo uzak šav rezanja (i promjer laserske točke), visoka preciznost, mali
• Nagib ll, mali termički uticaj, je tradicionalna modernizacija rezanja plamenom, verzija za nadogradnju visoke preciznosti.

Sažetak

Osnovni princip rada mašine za rezanje kompozitnih materijala laserskim plamenom (laserski kisik) je korištenje visokoenergetskog laserskog snopa za precizno paljenje i održavanje burne reakcije sagorijevanja metala (željeza) u okruženju čistog kisika, te kombinovanje termalne energije lasera sa hemijskom energijom oksidacije metala kako bi se postigao efekat rezanja "1 1> 2". Savršeno kombinuje prednosti visoke preciznosti i visokog fokusa lasera sa prednostima visoke efikasnosti i niske cijene sagorijevanja kisika, što ga čini nezamjenjivim glavnim procesom u oblasti rezanja limova od ugljičnog čelika srednje debljine i debljine.