Princip hibridnog stroja za lasersko-oksifuelno rezanje

Rezanje kompozita laserskim plamenom obično se odnosi na "lasersko rezanje kisikom", što je jedan od glavnih procesa laserskog rezanja (druga dva su rezanje laserskim taljenjem i rezanje laserskim isparavanjem). To ne znači "laserski generirani plamen", već hibridni proces koji koristi laser kao izvor topline, uz dodatak čistog kisika kao pomoćnog plina, za pokretanje snažne reakcije oksidacijskog izgaranja (tj. "plamena") u metalima (uglavnom čeličnim materijalima) tijekom procesa rezanja. Ovaj proces iskorištava toplinsku energiju kemijske reakcije kako bi značajno poboljšao performanse rezanja.

Zatim ćemo detaljno objasniti njegov princip iz nekoliko perspektiva:

Osnovni princip: Laserski inducirano kontrolirano izgaranje metala

1. Uloga lasera (paljenje i održavanje):

• Laserska zraka visoke gustoće energije fokusira se na površinu obratka, uzrokujući brzi porast temperature ozračenog metala do točke paljenja (otprilike 1350 °C za željezo).
• Laserska zraka osigurava kontinuirani, precizni, 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 izgaranje i hvatač):

• Jedan mlaz visokotlačnog, visokočistog kisika koaksijalno se ubrizgava laserskom zrakom na metalnu točku koju zagrijava laser.
• Željezo (Fe) koje dosegne točku paljenja i kisik (O₂) podliježu burnoj oksidacijskoj egzotermnoj reakciji (izgaranju): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, toplina
• Ova reakcija oslobađa puno topline (oko 3-5 puta više energije od samog lasera!). To je ključ "spojene" energije. Ova dodatna toplina uvelike povećava ukupni kapacitet taljenja/rasplinjavanja.

3. Kompozitni kolaborativni proces:

• Predgrijavanje i paljenje: Laser prvo zagrijava lokalni metal do točke paljenja.
• Egzotermno izgaranje: ubrizgavanjem kisika metal burno gori, stvarajući mnogo veću toplinu nego što sam laser može pružiti, brzo topi ili čak oksidira metal i stvara trosku (uglavnom FeO i Fe3O4).
• Puhanje i oblikovanje: Druga važna uloga protoka kisika pod visokim tlakom je snažno puhanje rastaljenog metalnog oksida (troske) nastalog reakcijom iz šava rezanja poput "zračnog noža" kako bi se formirala čista, relativno glatka površina rezanja.

Kontinuirano: Laserska zraka se kreće naprijed, kontinuirano zagrijava novo područje, a reakcija izgaranja prati laserski fokus naprijed i dolje te konačno prodire u obradak i formira rez.

Kako je ovaj „složeni“ pristup tako učinkovit? (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 taljenjem (kao što je dušikom) mora se u potpunosti oslanjati na lasersku energiju za taljenje metala, a površina debele ploče čini se neadekvatnom.

2. Velika brzina rezanja:Zbog dodavanja kemijske energije reakcije izgaranja metala, ukupni unos energije je mnogo veći od energije jednog lasera, pa je brzina rezanja znatno veća od rezanja taljenjem pri istoj snazi.

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

4. Dobra kvaliteta 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 prikladno za nehrđajući čelik, aluminij, bakar itd.:
• Nehrđajući čelik: krom (Cr) i drugi elementi stvaraju okside s visokim talištem (poput Cr2O3), koji sprječavaju nastavak oksidacijske reakcije, a troska se ne može lako otpuhati, što rezultira hrapavom površinom rezanja i ozbiljnim naslagama troske.
• Aluminij i bakar: talište njegovih oksida (Al2O3,CuO) je mnogo više od tališta 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 kao kod obrade plavilom) i može biti malo hrapava (u usporedbi sa svijetlom stranom reza dušikom).
• Na dnu se može nalaziti mala količina troske koju je potrebno smanjiti optimizacijom procesnih parametara.

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

Usporedba s drugim postupcima rezanja

U SUPROT Rezanju čistim laserom dušikom (rezanje taljenjem):

• Rezanje dušikom: laserskim taljenjem metala, otpuhivanjem taline dušikom pod visokim tlakom. Nema oksidacijske reakcije, presjek je svijetao i bez oksidnog sloja, ali je brzina spora, 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 usporedbi s tradicionalnim rezanjem plamenom (rezanje oksiacetilenom):

• Tradicionalni plamen: predgrijavanjem plamenom, rezanje čistim kisikom. Sporo predgrijavanje, široki prorez, niska preciznost i velika toplinska deformacija.
• Rezanje laserskim kisikom: s preciznošću lasera visoke energije, brzim predgrijavanjem, vrlo uskim šavom rezanja (i promjerom laserske točke), visokom preciznošću, malim
• Nagib ll, mali toplinski utjecaj, tradicionalna je modernizacija rezanja plamenom, verzija za nadogradnju visoke preciznosti.

Sažetak

Osnovni princip stroja za rezanje kompozita laserskim plamenom (laserski kisik) je korištenje visokoenergetske laserske zrake za precizno paljenje i održavanje burne reakcije izgaranja metala (željeza) u okruženju čistog kisika, te kombiniranje toplinske energije lasera s kemijskom energijom oksidacije metala kako bi se postigao učinak rezanja "1 1> 2". Savršeno kombinira prednosti visoke preciznosti i visokog fokusa lasera s prednostima visoke učinkovitosti i niske cijene izgaranja kisika, što ga čini nezamjenjivim glavnim postupkom u području rezanja limova srednje i debelog ugljičnog čelika.