Αρχή της υβριδικής μηχανής κοπής λέιζερ-οξυγόνου

Η κοπή σύνθετων υλικών με φλόγα λέιζερ συνήθως αναφέρεται σε «η κοπή με φλόγα λέιζερ αναφέρεται σεκοπή οξυγόνου με λέιζερ», η οποία είναι μία από τις κύριες διαδικασίες κοπής με λέιζερ (οι άλλες δύο είναι η κοπή με τήξη και η κοπή με εξάτμιση λέιζερ). Δεν σημαίνει «φλόγα που παράγεται από λέιζερ», αλλά μάλλον μια υβριδική διαδικασία που χρησιμοποιεί ένα λέιζερ ως πηγή θερμότητας, συμπληρωμένο από καθαρό οξυγόνο ως βοηθητικό αέριο, για να ξεκινήσει μια έντονη αντίδραση οξείδωσης-καύσης (δηλαδή, «φλόγα») σε μέταλλα (κυρίως χαλύβδινα υλικά) κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κοπής. Αυτή η διαδικασία αξιοποιεί τη θερμική ενέργεια από τη χημική αντίδραση για να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση κοπής.

Στη συνέχεια, θα εξηγήσουμε λεπτομερώς την αρχή της από διάφορες οπτικές γωνίες:

Βασική αρχή: Ελεγχόμενη καύση μετάλλων με λέιζερ

1. Ο ρόλος του λέιζερ (ανάφλεξη και συντήρηση):

• Μια δέσμη λέιζερ υψηλής ενεργειακής πυκνότητας εστιάζεται στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας, προκαλώντας την ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας του ακτινοβολημένου μετάλλου στο σημείο ανάφλεξής του (περίπου 1350°C για τον σίδηρο).
• Η δέσμη λέιζερ παρέχει μια συνεχή, ακριβή πηγή θερμότητας υψηλής ενέργειας που όχι μόνο πυροδοτεί την αντίδραση, αλλά, το πιο σημαντικό, διατηρεί την περιοχή αντίδρασης σε υψηλή θερμοκρασία.

2. Ο ρόλος του οξυγόνου (μέσο καύσης και δεσμευτής):

• Ένα ρεύμα 1 οξυγόνου υψηλής πίεσης και υψηλής καθαρότητας εγχέεται ομοαξονικά με τη δέσμη λέιζερ στο μεταλλικό σημείο που θερμαίνεται από το λέιζερ.
• Ο σίδηρος (Fe) που φτάνει στο σημείο ανάφλεξης και το οξυγόνο (O₂) υφίστανται μια βίαιη εξώθερμη αντίδραση οξείδωσης (καύση): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, θερμότητα
• Αυτή η αντίδραση απελευθερώνει πολλή θερμότητα (περίπου 3-5 φορές την ενέργεια του ίδιου του λέιζερ!). Αυτό είναι το κλειδί για την «ένωση» ενέργειας. Αυτή η πρόσθετη θερμότητα ενισχύει σημαντικά τη συνολική ικανότητα τήξης/αεριοποίησης.

3. Σύνθετη συνεργατική διαδικασία:

• Προθέρμανση και ανάφλεξη: Το λέιζερ θερμαίνει πρώτα το τοπικό μέταλλο μέχρι το σημείο ανάφλεξης.
• Εξώθερμη καύση: με έγχυση οξυγόνου, το μέταλλο καίγεται βίαια, παράγοντας πολύ υψηλότερη θερμότητα από αυτήν που μπορεί να παρέχει το ίδιο το λέιζερ, λιώνοντας ή ακόμα και οξειδώνοντας γρήγορα το μέταλλο και σχηματίζοντας σκωρία (κυρίως Feo και Fe3o4).
• Φύσιμο και διαμόρφωση: Ένας άλλος σημαντικός ρόλος της ροής αερίου οξυγόνου υψηλής πίεσης είναι η βίαιη εμφύσηση του τηγμένου οξειδίου μετάλλου (σκωρίας) που παράγεται από την αντίδραση από τη ραφή κοπής σαν «μαχαίρι αέρα» για να σχηματιστεί μια καθαρή, σχετικά λεία επιφάνεια κοπής.

Συνεχής: Η δέσμη λέιζερ κινείται μπροστά, προθερμαίνει συνεχώς τη νέα περιοχή και η αντίδραση καύσης ακολουθεί την εστίαση του λέιζερ προς τα εμπρός και προς τα κάτω και τελικά διαπερνά το τεμάχιο εργασίας και σχηματίζει μια τομή.

Πώς είναι τόσο αποτελεσματική αυτή η «σύνθετη» προσέγγιση; (Πλεονέκτημα)

1. Ισχυρή ικανότητα κοπής παχιών πλακών:Για τον ανθρακούχο χάλυβα (όπως ο χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα), η κοπή με λέιζερ οξυγόνου είναι η πιο οικονομική και ταχύτερη μέθοδος για την κοπή μεσαίων και παχιών πλακών (συνήθως άνω των 6 mm, έως 30 mm ή και παχύτερων). Η καθαρή κοπή με λέιζερ (όπως με άζωτο) πρέπει να βασίζεται εξ ολοκλήρου στην ενέργεια λέιζερ για την τήξη του μετάλλου, η επιφάνεια της παχιάς πλάκας φαίνεται να είναι ανεπαρκής.

2. Γρήγορη ταχύτητα κοπής:Λόγω της προσθήκης χημικής ενέργειας της αντίδρασης καύσης μετάλλου, η συνολική εισερχόμενη ενέργεια είναι πολύ υψηλότερη από αυτή μιας μόνο ενέργειας λέιζερ, επομένως η ταχύτητα κοπής είναι σημαντικά ταχύτερη από την κοπή τήξης υπό την ίδια ισχύ.

3Οι απαιτήσεις ισχύος του εξοπλισμού είναι σχετικά χαμηλές:Για την κοπή του ίδιου ανθρακούχου χάλυβα, η ισχύς λέιζερ που απαιτείται για την κοπή οξυγόνου με λέιζερ μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή της καθαρής κοπής τήξης με λέιζερ, μειώνοντας το κόστος εξοπλισμού και την κατανάλωση ενέργειας.

4. Καλή ποιότητα κοπής:Για πλάκες από ανθρακούχο χάλυβα με μεγάλο πάχος, μπορεί να επιτευχθεί επιφάνεια κοπής με καλή κατακόρυφοτητα και λιγότερη σκωρία (ιδανική κατάσταση).

Χαρακτηριστικά και περιορισμοί της διαδικασίας

1. Επιλεκτικότητα υλικού:

• Κυρίως για δραστικά μέταλλα: Το πιο τυπικό και ιδανικό υλικό εφαρμογής είναι ο ανθρακούχος χάλυβας.

• Δεν είναι κατάλληλο για ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνιο, χαλκό κ.λπ.:
• Ανοξείδωτος χάλυβας: το χρώμιο (Cr) και άλλα στοιχεία σχηματίζουν οξείδια υψηλού σημείου τήξης (όπως το Cr2O3), τα οποία εμποδίζουν τη συνέχιση της αντίδρασης οξείδωσης και η σκωρία δεν απομακρύνεται εύκολα με φύσημα, με αποτέλεσμα την τραχιά επιφάνεια κοπής και τη σοβαρή συσσώρευση σκωρίας.
• Αλουμίνιο και χαλκός: το σημείο τήξης των οξειδίων του (Al2O3,CuO) είναι πολύ υψηλότερο από αυτό του ίδιου του υποστρώματος, καλύπτοντας την επιφάνεια σαν σκληρό κέλυφος, εμποδίζοντας τη συνέχιση της αντίδρασης και έχοντας υψηλή ανακλαστικότητα στο λέιζερ.

2. Χαρακτηριστικά της επιφάνειας κοπής:

• Λόγω της αντίδρασης οξείδωσης, η επιφάνεια της κοπής θα έχει ένα στρώμα οξειδίου (παρόμοιο με την επεξεργασία μπλε χρώματος) και μπορεί να είναι ελαφρώς τραχιά (σε σύγκριση με τη φωτεινή πλευρά της κοπής αζώτου).
• Ενδέχεται να υπάρχει μια ελαφριά σκωρία που κρέμεται στο κάτω μέρος, η οποία πρέπει να ελαχιστοποιηθεί βελτιστοποιώντας τις παραμέτρους της διεργασίας.

3. Η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα είναι μεγαλύτερη:Η βίαιη αντίδραση οξείδωσης θα παράγει περισσότερη θερμότητα, με αποτέλεσμα η ζώνη του τεμαχίου που επηρεάζεται από τη θερμότητα να είναι ευρύτερη από αυτή της τήξης και κοπής με λέιζερ, και η συνολική θερμική παραμόρφωση του τεμαχίου μπορεί να είναι ελαφρώς μεγαλύτερη.

Σύγκριση με άλλες διαδικασίες κοπής

ΕΝΑΝΤΙΟΝ καθαρής κοπής με άζωτο λέιζερ (κοπή τήξης):

• Κοπή με άζωτο: με τήξη μετάλλου με λέιζερ, φυσώντας το τήγμα με άζωτο υψηλής πίεσης. Δεν υπάρχει αντίδραση οξείδωσης, η διατομή είναι φωτεινή και δεν υπάρχει στρώμα οξειδίου, αλλά η ταχύτητα είναι αργή, η κατανάλωση αερίου είναι μεγάλη και το κόστος είναι υψηλό. Είναι κατάλληλο για ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνιο κ.λπ., και δεν είναι οικονομικό για παχύ ανθρακούχο χάλυβα.
• Κοπή με οξυγόνο: προσθήκη αντίδρασης οξείδωσης, γρήγορη ταχύτητα, χαμηλό κόστος, κατάλληλη για ανθρακούχο χάλυβα, αλλά η διατομή έχει στρώμα οξειδίου.

ΕΝΑΝΤΙΟΝ της παραδοσιακής κοπής με φλόγα (κοπή με οξυακετυλένιο):

• Παραδοσιακή φλόγα: με προθέρμανση φλόγας, κοπή με καύση καθαρού οξυγόνου. Αργή προθέρμανση, μεγάλη σχισμή, χαμηλή ακρίβεια και μεγάλη θερμική παραμόρφωση.
• Κοπή οξυγόνου με λέιζερ: με ακρίβεια λέιζερ υψηλής ενέργειας, γρήγορη προθέρμανση, η ραφή κοπής είναι πολύ στενή (και η διάμετρος του σημείου λέιζερ), υψηλή ακρίβεια, μικρό
• Η κλίση ll, μικρή θερμική πρόσκρουση, είναι ο παραδοσιακός εκσυγχρονισμός κοπής με φλόγα, έκδοση αναβάθμισης υψηλής ακρίβειας.

Περίληψη

Η βασική αρχή της μηχανής κοπής σύνθετων υλικών με φλόγα λέιζερ (οξυγόνο λέιζερ) είναι η χρήση δέσμης λέιζερ υψηλής ενέργειας για την ακριβή ανάφλεξη και διατήρηση της βίαιης αντίδρασης καύσης μετάλλου (σιδήρου) σε περιβάλλον καθαρού οξυγόνου και ο συνδυασμός της θερμικής ενέργειας του λέιζερ με τη χημική ενέργεια της οξείδωσης του μετάλλου για την επίτευξη αποτελέσματος κοπής "1 1>2". Συνδυάζει τέλεια τα πλεονεκτήματα της υψηλής ακρίβειας και της υψηλής εστίασης του λέιζερ με τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης και του χαμηλού κόστους καύσης οξυγόνου, καθιστώντας την μια αναντικατάστατη κύρια διαδικασία στον τομέα της κοπής φύλλων χάλυβα άνθρακα μεσαίου και παχιού.