Principi de la màquina de tall híbrida làser-oxicorte

El tall de material compost amb flama làser normalment es refereix a "tall per làser amb oxigen", que és un dels principals processos de tall per làser (els altres dos són el tall per fusió làser i el tall per vaporització làser). No significa "flama generada per làser", sinó un procés híbrid que utilitza un làser com a font de calor, complementat per oxigen pur com a gas d'assistència, per iniciar una vigorosa reacció de combustió d'oxidació (és a dir, "flama") en metalls (principalment materials d'acer) durant el procés de tall. Aquest procés aprofita l'energia tèrmica de la reacció química per millorar significativament el rendiment del tall.

A continuació, explicarem el seu principi en detall des de diverses perspectives:

Principi bàsic: combustió metàl·lica controlada induïda per làser

1. La funció del làser (encesa i manteniment):

• Un feix làser d'alta densitat d'energia es concentra sobre la superfície de la peça, cosa que fa que la temperatura del metall irradiat augmenti ràpidament fins al seu punt d'ignició (aproximadament 1350 °C per al ferro).
• El feix làser proporciona una font de calor contínua, precisa i d'alta energia que no només encén la reacció, sinó que, el que és més important, manté la zona de reacció a una temperatura alta.

2. Funció de l'oxigen (agent de combustió i eliminador):

• Un corrent d'oxigen d'alta pressió i alta puresa s'injecta coaxialment amb el feix làser sobre el punt metàl·lic escalfat pel làser.
• El ferro (Fe) que arriba al punt d'ignició i l'oxigen (O₂) experimenten una reacció exotèrmica d'oxidació violenta (combustió): 4Fe 3O₂ → 2Fe 2O, calor
• Aquesta reacció allibera molta calor (unes 3-5 vegades l'energia del làser!). Aquesta és la clau de l'energia "composta". Aquesta calor addicional millora considerablement la capacitat general de fusió/gasificació.

3. Procés col·laboratiu compost:

• Preescalfament i ignició: el làser primer escalfa el metall local fins al punt d'ignició.
• Combustió exotèrmica: injecció d'oxigen, el metall crema violentament, generant una calor molt superior a la que pot proporcionar el propi làser, fonent o fins i tot oxidant ràpidament el metall i formant escòria (principalment FeO i Fe3O4).
• Bufat i conformat: Una altra funció important del flux de gas oxigen a alta pressió és bufar violentament l'òxid metàl·lic fos (escòria) generat per la reacció de la costura de tall com una "ganivet d'aire" per formar una superfície de tall neta i relativament llisa.

Continu: El feix làser es mou cap endavant, preescalfa contínuament la nova zona i la reacció de combustió segueix el focus del làser cap endavant i cap avall, i finalment penetra a la peça i forma un tall.

Com és tan eficient aquest enfocament "compost"? (Avantatge)

1. Gran capacitat per tallar plaques gruixudes:Per a l'acer al carboni (com ara l'acer baix en carboni), el tall per oxigen làser és el mètode més rendible i ràpid per tallar plaques mitjanes i gruixudes (normalment més de 6 mm, fins a 30 mm o fins i tot més gruixudes). El tall per fusió làser pur (com ara amb nitrogen) ha de dependre completament de l'energia làser per fondre el metall, i la cara de la placa gruixuda sembla inadequada.

2. Velocitat de tall ràpida:A causa de l'addició d'energia química de la reacció de combustió del metall, l'entrada d'energia total és molt superior a la d'una sola energia làser, de manera que la velocitat de tall és significativament més ràpida que el tall per fusió amb la mateixa potència.

3Els requisits d'energia dels equips són relativament baixos:Per tallar el mateix acer al carboni, la potència làser necessària per al tall per oxigen làser pot ser molt inferior a la del tall per fusió làser pur, cosa que redueix els costos dels equips i el consum d'energia.

4. Bona qualitat de tall:Per a plaques gruixudes d'acer al carboni, es pot obtenir una superfície de tall amb bona verticalitat i menys escòria (estat ideal).

Característiques i limitacions del procés

1. Selectivitat del material:

• Principalment per a metalls reactius: el material d'aplicació més típic i ideal és l'acer al carboni.

• No apte per a acer inoxidable, alumini, coure, etc.:
• Acer inoxidable: el crom (Cr) i altres elements formen òxids de punt de fusió elevat (com ara Cr2O3), que impedeixen que la reacció d'oxidació continuï, i l'escòria no és fàcil d'eliminar, cosa que provoca una superfície de tall rugosa i una forta acumulació d'escòria.
• Alumini i coure: el punt de fusió dels seus òxids (Al2O3,CuO) és molt més alt que el del propi substrat, cobrint la superfície com una closca dura, impedint que la reacció continuï i tenint una alta reflectivitat al làser.

2. Característiques de la superfície de tall:

• A causa de la reacció d'oxidació, la superfície del tall tindrà una capa d'òxid (similar al tractament de blau) i pot ser lleugerament rugosa (en comparació amb el costat brillant del tall de nitrogen).
• Pot haver-hi una lleugera escòria penjada a la part inferior, que cal minimitzar optimitzant els paràmetres del procés.

3. La zona afectada per la calor és més gran:La reacció d'oxidació violenta generarà més calor, cosa que farà que la zona afectada per la calor de la peça sigui més ampla que la de la fusió i el tall amb làser, i la deformació tèrmica general de la peça pot ser lleugerament més gran.

Comparació amb altres processos de tall

VS. Tall amb nitrogen làser pur (tall per fusió):

• Tall amb nitrogen: mitjançant la fusió làser del metall, bufant nitrogen a alta pressió per eliminar la fosa. No hi ha reacció d'oxidació, la secció és brillant i no hi ha capa d'òxid, però la velocitat és lenta, el consum de gas és gran i el cost és elevat. És adequat per a acer inoxidable, alumini, etc., i no és econòmic per a acer al carboni gruixut.
• Tall per oxigen: addició de reacció d'oxidació, velocitat ràpida, baix cost, adequat per a acer al carboni, però la secció té una capa d'òxid.

VS. Tall amb flama tradicional (tall oxiacetilè):

• Flama tradicional: preescalfament per flama, tall per combustió d'oxigen pur. Preescalfament lent, ranura ampla, baixa precisió i gran deformació tèrmica.
• Tall amb oxigen làser: amb precisió làser d'alta energia, preescalfament ràpid, costura de tall molt estreta (i diàmetre del punt làser), alta precisió, petita
• El pendent, el petit impacte tèrmic, és la modernització tradicional del tall per flama, la versió d'actualització d'alta precisió.

Resum

El principi bàsic de la màquina de tall de compost de flama làser (oxigen làser) és utilitzar un feix làser d'alta energia per encendre amb precisió i mantenir la reacció de combustió violenta del metall (ferro) en un entorn d'oxigen pur, i combinar l'energia tèrmica del làser amb l'energia química de l'oxidació del metall per aconseguir un efecte de tall "1 1> 2". Combina perfectament els avantatges de l'alta precisió i l'alt enfocament del làser amb els avantatges de l'alta eficiència i el baix cost de la combustió d'oxigen, convertint-lo en un procés principal irreemplaçable en el camp del tall de xapa d'acer al carboni mitjana i gruixuda.