Princip hybridního laserového řezacího stroje s kyslíko-palivovým systémem

Řezání kompozitních materiálů laserovým plamenem se obvykle vztahuje k „laserové řezání kyslíkem„“, což je jeden z hlavních procesů laserového řezání (další dva jsou laserové tavné řezání a laserové odpařování). Neznamená to „plamen generovaný laserem“, ale spíše hybridní proces, který využívá laser jako zdroj tepla doplněný čistým kyslíkem jako pomocným plynem k zahájení intenzivní oxidační spalovací reakce (tj. „plamene“) v kovech (zejména ocelových materiálech) během procesu řezání. Tento proces využívá tepelnou energii z chemické reakce k výraznému zvýšení řezného výkonu.

Dále si jeho princip podrobně vysvětlíme z několika hledisek:

Základní princip: Laserem indukované řízené spalování kovu

1. Úloha laseru (zapálení a údržba):

• Laserový paprsek s vysokou hustotou energie je zaostřen na povrch obrobku, což způsobuje rychlý nárůst teploty ozářeného kovu na bod vzplanutí (u železa přibližně 1350 °C).
• Laserový paprsek poskytuje nepřetržitý, přesný a vysokoenergetický zdroj tepla, který nejen zažehne reakci, ale co je důležitější, udržuje reakční oblast na vysoké teplotě.

2. Úloha kyslíku (hořlavé látky a lapače):

• Proud vysokotlakého, vysoce čistého kyslíku je koaxiálně vstřikován laserovým paprskem na kovové místo zahřívané laserem.
• Železo (Fe), které dosáhne bodu vznícení, a kyslík (O₂) podléhají prudké oxidační exotermické reakci (hoření): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, teplo
• Tato reakce uvolňuje velké množství tepla (asi 3–5krát více energie než samotný laser!). To je klíč ke „sloučené“ energii. Toto dodatečné teplo výrazně zvyšuje celkovou tavicí/zplyňovací kapacitu.

3. Kompozitní kolaborativní proces:

• Předehřev a zapálení: Laser nejprve zahřeje lokální kov do bodu zapálení.
• Exotermické spalování: vstřikováním kyslíku kov prudce hoří a generuje mnohem vyšší teplo, než jaké dokáže poskytnout samotný laser, kov se rychle taví nebo dokonce oxiduje a tvoří se struska (hlavně FeO a Fe3O4).
• Foukání a tváření: Další důležitou rolí proudu kyslíku pod vysokým tlakem je prudké foukání roztaveného oxidu kovu (strusky) vzniklého reakcí z řezného švu podobně jako „vzduchový nůž“ za účelem vytvoření čistého, relativně hladkého řezného povrchu.

Kontinuální: Laserový paprsek se pohybuje vpředu, nepřetržitě předehřívá novou oblast a reakce spalování sleduje laserové zaostření dopředu a dolů a nakonec proniká do obrobku a vytváří řez.

Jak je tento „složený“ přístup tak efektivní? (Výhoda)

1. Silná schopnost řezat silné plechy:U uhlíkové oceli (například nízkouhlíkové oceli) je laserové řezání kyslíkem nákladově nejefektivnější a nejrychlejší metodou pro řezání středních a tlustých plechů (obvykle více než 6 mm, až 30 mm nebo i silnějších). Čisté laserové tavné řezání (například dusíkem) se k roztavení kovu musí spoléhat výhradně na laserovou energii, takže povrch tlustého plechu se jeví jako nedostatečný.

2. Rychlá řezná rychlost:Díky přidání chemické energie při reakci spalování kovu je celkový vstup energie mnohem vyšší než u energie jednoho laseru, takže rychlost řezání je výrazně vyšší než řezání tavením při stejném výkonu.

3Požadavky na napájení zařízení jsou relativně nízké:Pro řezání stejné uhlíkové oceli může být výkon laseru potřebný pro laserové řezání kyslíkem mnohem nižší než u čistého laserového řezání tavením, což snižuje náklady na zařízení a spotřebu energie.

4. Dobrá kvalita řezu:U silných plechů z uhlíkové oceli lze dosáhnout řezné plochy s dobrou svislostí a menším množstvím strusky (ideální stav).

Charakteristiky a omezení procesu

1. Selektivita materiálu:

• Především pro reaktivní kovy: Nejtypičtějším a nejideálnějším aplikačním materiálem je uhlíková ocel.

• Nevhodné pro nerezovou ocel, hliník, měď atd.:
• Nerezová ocel: chrom (Cr) a další prvky tvoří oxidy s vysokým bodem tání (například Cr2O3), které brání pokračování oxidační reakce a struska se obtížně odfoukává, což má za následek drsný řezný povrch a silné usazeniny strusky.
• Hliník a měď: bod tání jejich oxidů (Al2O3,CuO) je mnohem vyšší než bod tání samotného substrátu, pokrývá povrch jako tvrdá skořápka, brání pokračování reakce a má vysokou odrazivost laseru.

2. Charakteristiky řezné plochy:

• V důsledku oxidační reakce bude mít povrch řezu vrstvu oxidu (podobně jako při modré úpravě) a může být mírně drsný (ve srovnání s lesklou stranou řezu dusíkem).
• Na dně se může vyskytovat mírné množství strusky, které je třeba minimalizovat optimalizací procesních parametrů.

3. Zóna ovlivněná teplem je větší:Prudká oxidační reakce bude generovat více tepla, což má za následek, že tepelně ovlivněná zóna obrobku bude širší než zóna laserového tavení a řezání a celková tepelná deformace obrobku může být o něco větší.

Srovnání s jinými řezacími procesy

VS. Řezání čistým laserem dusíkem (tavné řezání):

• Řezání dusíkem: laserové tavení kovu, odfouknutí taveniny vysokotlakým dusíkem. Nedochází k oxidační reakci, řez je lesklý a bez oxidové vrstvy, ale rychlost je pomalá, spotřeba plynu je velká a náklady jsou vysoké. Je vhodné pro nerezovou ocel, hliník atd. a není ekonomické pro silnou uhlíkovou ocel.
• Řezání kyslíkem: přidání oxidační reakce, vysoká rychlost, nízké náklady, vhodné pro uhlíkovou ocel, ale sekce má oxidovou vrstvu.

VS. Tradiční řezání plamenem (autogenní řezání):

• Tradiční plamen: předehřívání plamenem, řezání čistým kyslíkem. Pomalý předehřívání, široká štěrbina, nízká přesnost a velká tepelná deformace.
• Řezání laserovým kyslíkem: s vysokoenergetickou laserovou přesností, rychlým předehřevem, velmi úzkým řezným švem (a průměrem laserového bodu), vysokou přesností, malým
• Sklon ll, malý tepelný dopad, je tradiční modernizace plamenného řezání, verze s vysokou přesností a vylepšením.

Shrnutí

Základním principem laserového řezacího stroje na kompozitní materiály (laserový kyslík) je použití vysokoenergetického laserového paprsku k přesnému zapálení a udržení prudké spalovací reakce kovu (železa) v prostředí čistého kyslíku a kombinace tepelné energie laseru s chemickou energií oxidace kovu k dosažení řezného efektu „1 1> 2“. Dokonale kombinuje výhody vysoké přesnosti a vysokého zaostření laseru s výhodami vysoké účinnosti a nízkých nákladů na spalování kyslíku, což z něj činí nenahraditelný mainstreamový proces v oblasti řezání plechů ze střední a silné uhlíkové oceli.