اصول کار دستگاه برش هیبریدی لیزر-اکسی سوخت

برش کامپوزیت شعله لیزری معمولاً به "برش اکسیژن لیزریکه یکی از فرآیندهای اصلی برش لیزری است (دو مورد دیگر برش ذوب لیزری و برش تبخیر لیزری هستند). این به معنای «شعله تولید شده توسط لیزر» نیست، بلکه یک فرآیند ترکیبی است که از لیزر به عنوان منبع گرما، به همراه اکسیژن خالص به عنوان گاز کمکی، برای شروع یک واکنش احتراق اکسیداسیون شدید (یعنی «شعله») در فلزات (عمدتاً مواد فولادی) در طول فرآیند برش استفاده می‌کند. این فرآیند از انرژی حرارتی حاصل از واکنش شیمیایی برای افزایش قابل توجه عملکرد برش استفاده می‌کند.

در ادامه، اصل آن را از چندین منظر به تفصیل توضیح خواهیم داد:

اصل اساسی: احتراق فلز کنترل‌شده با لیزر

۱. نقش لیزر (احتراق و نگهداری):

• یک پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا بر روی سطح قطعه کار متمرکز می‌شود و باعث می‌شود دمای فلز تابش‌شده به سرعت تا نقطه احتراق آن (تقریباً ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد برای آهن) افزایش یابد.
• پرتو لیزر یک منبع حرارتی پیوسته، دقیق و پرانرژی فراهم می‌کند که نه تنها واکنش را شعله‌ور می‌کند، بلکه مهم‌تر از آن، دمای ناحیه واکنش را بالا نگه می‌دارد.

۲. نقش اکسیژن (عامل احتراق و جاذب):

• یک جریان ۱ از اکسیژن با فشار بالا و خلوص بالا به صورت هم محور با پرتو لیزر به نقطه فلزی که توسط لیزر گرم شده است تزریق می‌شود.
• آهن (Fe) که به نقطه احتراق می‌رسد و اکسیژن (O₂) تحت یک واکنش اکسیداسیون گرمازای شدید (احتراق) قرار می‌گیرند: 4Fe 3O₂ → 2Fe2O، گرما
• این واکنش گرمای زیادی آزاد می‌کند (حدود ۳ تا ۵ برابر انرژی خود لیزر!). این کلید انرژی «ترکیبی» است. این گرمای اضافی، ظرفیت کلی ذوب/گازسازی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

۳. فرآیند همکاری مرکب:

• پیش گرمایش و احتراق: لیزر ابتدا فلز محلی را تا نقطه احتراق گرم می‌کند.
• احتراق گرمازا: با تزریق اکسیژن، فلز به شدت می‌سوزد و گرمای بسیار بیشتری نسبت به آنچه خود لیزر می‌تواند فراهم کند، تولید می‌کند، فلز را به سرعت ذوب یا حتی اکسید می‌کند و سرباره (عمدتاً FeO و Fe3O4) تشکیل می‌دهد.
• دمیدن و شکل‌دهی: یکی دیگر از نقش‌های مهم جریان گاز اکسیژن با فشار بالا، دمیدن شدید اکسید فلز مذاب (سرباره) تولید شده در اثر واکنش درز برش مانند یک «چاقوی هوا» برای تشکیل یک سطح برش تمیز و نسبتاً صاف است.

پیوسته: پرتو لیزر در جلو حرکت می‌کند، به طور مداوم ناحیه جدید را پیش گرم می‌کند و واکنش احتراق، کانون لیزر را به جلو و پایین دنبال می‌کند و در نهایت به قطعه کار نفوذ کرده و برش را تشکیل می‌دهد.

چگونه این رویکرد «ترکیبی» تا این حد کارآمد است؟ (مزیت)

۱. توانایی قوی در برش صفحات ضخیم:برای فولاد کربنی (مانند فولاد کم کربن)، برش اکسیژن لیزری مقرون به صرفه‌ترین و سریع‌ترین روش برای برش صفحات متوسط ​​و ضخیم (معمولاً بیش از 6 میلی‌متر، تا 30 میلی‌متر یا حتی ضخیم‌تر) است. برش ذوب لیزری خالص (مانند برش با نیتروژن) برای ذوب فلز باید کاملاً به انرژی لیزر متکی باشد، به نظر می‌رسد سطح ورق ضخیم کافی نیست.

2. سرعت برش سریع:به دلیل افزودن انرژی شیمیایی واکنش احتراق فلز، کل انرژی ورودی بسیار بیشتر از انرژی یک لیزر واحد است، بنابراین سرعت برش به طور قابل توجهی سریع‌تر از برش ذوب تحت همان توان است.

3الزامات برق تجهیزات نسبتاً کم است:برای برش فولاد کربنی مشابه، توان لیزر مورد نیاز برای برش اکسیژن لیزری می‌تواند بسیار کمتر از برش ذوب لیزری خالص باشد که باعث کاهش هزینه‌های تجهیزات و مصرف انرژی می‌شود.

۴. کیفیت برش خوب:برای صفحات ضخیم فولاد کربنی، می‌توان سطح برشی با عمودیت خوب و سرباره کمتر (حالت ایده‌آل) به دست آورد.

ویژگی‌ها و محدودیت‌های فرآیند

۱. گزینش‌پذیری مواد:

• در درجه اول برای فلزات واکنش‌پذیر: رایج‌ترین و ایده‌آل‌ترین ماده برای کاربرد، فولاد کربنی است.

• برای فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، مس و غیره مناسب نیست:
• فولاد ضد زنگ: کروم (Cr) و سایر عناصر، اکسیدهایی با نقطه ذوب بالا (مانند Cr2O3) تشکیل می‌دهند که مانع از ادامه واکنش اکسیداسیون می‌شوند و سرباره به راحتی قابل جدا شدن نیست و در نتیجه سطح برش ناهموار و سرباره به شدت آویزان می‌شود.
• آلومینیوم و مس: نقطه ذوب اکسیدهای آن (Al2O3، CuO) بسیار بالاتر از خود زیرلایه است، سطح را مانند یک پوسته سخت می‌پوشاند، از ادامه واکنش جلوگیری می‌کند و بازتاب بالایی نسبت به لیزر دارد.

۲. ویژگی‌های سطح برش:

• به دلیل واکنش اکسیداسیون، سطح برش دارای یک لایه اکسید (شبیه به عملیات آبی) خواهد بود و ممکن است کمی زبر باشد (در مقایسه با قسمت روشن برش نیتروژن).
• ممکن است کمی سرباره در پایین آویزان باشد که باید با بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند، آن را به حداقل رساند.

۳. منطقه‌ی متاثر از گرما بزرگتر است:واکنش اکسیداسیون شدید، گرمای بیشتری تولید می‌کند و در نتیجه ناحیه تحت تأثیر حرارت قطعه کار وسیع‌تر از ناحیه ذوب و برش لیزری خواهد بود و تغییر شکل حرارتی کلی قطعه کار ممکن است کمی بزرگتر باشد.

مقایسه با سایر فرآیندهای برش

در مقابل برش با نیتروژن لیزری خالص (برش ذوبی):

• برش نیتروژن: با ذوب فلز با لیزر، دمیدن مذاب با نیتروژن فشار بالا. هیچ واکنش اکسیداسیونی وجود ندارد، سطح مقطع روشن و بدون لایه اکسید است، اما سرعت کند است، مصرف گاز زیاد است و هزینه بالایی دارد. برای فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و غیره مناسب است و برای فولاد کربنی ضخیم مقرون به صرفه نیست.
• برش اکسیژن: واکنش اکسیداسیون اضافی، سرعت بالا، هزینه کم، مناسب برای فولاد کربنی، اما سطح مقطع دارای لایه اکسید است.

در مقابل برش شعله‌ای سنتی (برش اکسی استیلن):

• شعله سنتی: با پیش گرمایش شعله، برش احتراق اکسیژن خالص. پیش گرمایش آهسته، شکاف پهن، دقت کم و تغییر شکل حرارتی زیاد.
• برش اکسیژن لیزری: با دقت لیزر پرانرژی، پیش گرمایش سریع، درز برش بسیار باریک (و قطر نقطه لیزر)، دقت بالا، کوچک
• شیب ll، تأثیر حرارتی کوچک، نوسازی برش شعله سنتی، نسخه ارتقاء با دقت بالا است.

خلاصه

اصل اساسی دستگاه برش کامپوزیت شعله لیزری (اکسیژن لیزری) استفاده از پرتو لیزر پرانرژی برای احتراق دقیق و حفظ واکنش احتراق شدید فلز (آهن) در محیط اکسیژن خالص و ترکیب انرژی حرارتی لیزر با انرژی شیمیایی اکسیداسیون فلز برای دستیابی به اثر برش "1 1> 2" است. این دستگاه به طور کامل مزایای دقت بالا و تمرکز بالای لیزر را با مزایای راندمان بالا و هزینه کم احتراق اکسیژن ترکیب می‌کند و آن را به یک فرآیند اصلی غیرقابل جایگزین در زمینه برش ورق فولاد کربنی متوسط ​​و ضخیم تبدیل می‌کند.