Lazerinio-oksigeninio hibridinio pjovimo staklių principas

Lazerinis liepsnos kompozitų pjovimas paprastai reiškia „lazerinis deguonies pjovimas“, kuris yra vienas iš pagrindinių lazerinio pjovimo procesų (kiti du yra lazerinis lydymo pjovimas ir lazerinis garinimo pjovimas). Tai nereiškia „lazeriu generuojamos liepsnos“, o hibridinį procesą, kurio metu lazeris naudojamas kaip šilumos šaltinis, papildytas grynu deguonimi kaip pagalbinėmis dujomis, kad pjovimo proceso metu metaluose (daugiausia pliene) būtų inicijuota intensyvi oksidacijos degimo reakcija (t. y. „liepsna“). Šis procesas panaudoja cheminės reakcijos šiluminę energiją, kad žymiai pagerintų pjovimo našumą.

Toliau išsamiai paaiškinsime jo principą iš kelių perspektyvų:

Pagrindinis principas: lazeriu sukeltas kontroliuojamas metalo degimas

1. Lazerio vaidmuo (uždegimas ir palaikymas):

• Didelės energijos tankio lazerio spindulys sufokusuojamas į ruošinio paviršių, todėl apšvitinto metalo temperatūra greitai pakyla iki užsidegimo taško (geležies atveju – maždaug 1350 °C).
• Lazerio spindulys užtikrina nuolatinį, tikslų, didelės energijos šilumos šaltinį, kuris ne tik uždega reakciją, bet, svarbiausia, palaiko reakcijos srities aukštą temperatūrą.

2. Deguonies (degimo agento ir gaudyklės) vaidmuo:

• Ant lazerio kaitinamos metalinės vietos kartu su lazerio spinduliu koaksialiniu būdu įpurškiamas 1 aukšto slėgio, labai gryno deguonies srautas.
• Uždegimo tašką pasiekusi geležis (Fe) ir deguonis (O₂) patiria smarkią oksidacijos egzoterminę reakciją (degimą): 4Fe3O₂ → 2Fe2O, šiluma
• Šios reakcijos metu išsiskiria daug šilumos (maždaug 3–5 kartus daugiau energijos nei paties lazerio!). Tai yra „sudėtinės“ energijos raktas. Ši papildoma šiluma labai padidina bendrą lydymosi / dujinimo pajėgumą.

3. Sudėtinis bendradarbiavimo procesas:

• Įkaitinimas ir uždegimas: lazeris pirmiausia įkaitina vietinį metalą iki uždegimo taško.
• Egzoterminis degimas: deguonies įpurškimas, metalas smarkiai dega, išskirdamas daug daugiau šilumos nei gali tiekti pats lazeris, greitai išsilydydamas ar net oksiduodamas metalą ir susidarydamas šlakas (daugiausia Feo ir Fe3O4).
• Pūtimas ir formavimas: Kitas svarbus aukšto slėgio deguonies dujų srauto vaidmuo yra smarkiai, tarsi „oro peiliu“, išpūsti reakcijos metu susidariusį išlydytą metalo oksidą (šlaką) iš pjovimo siūlės, kad susidarytų švarus, santykinai lygus pjovimo paviršius.

Nuolatinis: lazerio spindulys juda priekyje, nuolat įkaitina naują plotą, o degimo reakcija seka lazerio fokusą į priekį ir žemyn, galiausiai įsiskverbia į ruošinį ir suformuoja pjūvį.

Kodėl šis „sudėtinis“ metodas toks efektyvus? (Privalumas)

1. Didelis gebėjimas pjauti storas plokštes:Anglinio plieno (pvz., mažai anglies turinčio plieno) atveju lazerinis deguonies pjovimas yra ekonomiškiausias ir greičiausias vidutinio ir storo (dažniausiai storesnių nei 6 mm, iki 30 mm ar net storesnių) plokščių pjovimo metodas. Grynas lazerinis lydymo pjovimas (pvz., azotu) turi būti atliekamas tik lazerio energija metalui išlydyti, todėl storo plieno paviršius atrodo nepakankamas.

2. Didelis pjovimo greitis:Dėl metalo degimo reakcijos cheminės energijos pridėjimo bendra energijos sąnaudos yra daug didesnės nei vieno lazerio energijos, todėl pjovimo greitis yra žymiai didesnis nei lydymo pjovimo esant tokiai pačiai galiai.

3Įrangos energijos poreikiai yra gana maži:Norint pjauti tą patį anglinį plieną, lazeriniam deguonies pjovimui reikalinga lazerio galia gali būti daug mažesnė nei gryno lazerinio lydymo pjovimo, todėl sumažėja įrangos sąnaudos ir energijos suvartojimas.

4. Gera pjovimo kokybė:Anglinio plieno storoms plokštėms galima gauti pjovimo paviršių su geru vertikalumu ir mažesniu šlako kiekiu (ideali būsena).

Proceso charakteristikos ir apribojimai

1. Medžiagos selektyvumas:

• Visų pirma, reaktyviesiems metalams: tipiškiausia ir idealiausia taikymo medžiaga yra anglinis plienas.

• Netinka nerūdijančiam plienui, aliuminiui, variui ir kt.:
• Nerūdijantis plienas: chromas (Cr) ir kiti elementai sudaro aukštos lydymosi temperatūros oksidus (pvz., Cr₂O₃), kurie trukdo oksidacijos reakcijai tęstis, o šlaką sunku nupūsti, todėl pjovimo paviršius tampa šiurkštus ir gali kauptis šlako sankaupos.
• Aliuminis ir varis: jų oksidų (Al₂O₃, CuO) lydymosi temperatūra yra daug aukštesnė nei paties pagrindo, todėl jie dengia paviršių kaip kietas apvalkalas, neleidžia vykti reakcijai ir pasižymi dideliu atspindžiu nuo lazerio.

2. Pjovimo paviršiaus charakteristikos:

• Dėl oksidacijos reakcijos pjūvio paviršius turės oksido sluoksnį (panašiai kaip po mėlynavimo) ir gali būti šiek tiek šiurkštus (palyginti su šviesiąja azoto pjūvio puse).
• Apačioje gali būti šiek tiek šlako, kurį reikia sumažinti optimizuojant proceso parametrus.

3. Šilumos paveikta zona yra didesnė:Dėl smarkios oksidacijos reakcijos susidarys daugiau šilumos, todėl ruošinio šilumos paveikta zona bus platesnė nei lazerinio lydymo ir pjovimo zona, o bendra ruošinio terminė deformacija gali būti šiek tiek didesnė.

Palyginimas su kitais pjovimo procesais

LYDYMO ...

• Azoto pjovimas: lazeriu išlydomas metalas, o lydalas nupučiamas aukšto slėgio azotu. Nėra oksidacijos reakcijos, pjūvis yra skaidrus, nėra oksido sluoksnio, tačiau greitis yra mažas, dujų sunaudojimas didelis, o kaina didelė. Tinka nerūdijančiam plienui, aliuminiui ir kt., o storam angliniam plienui – ekonomiškai netinka.
• Pjaustymas deguonimi: oksidacijos reakcijos pridėjimas, didelis greitis, maža kaina, tinka angliniam plienui, tačiau sekcija turi oksido sluoksnį.

Palyginti su tradiciniu liepsnos pjovimu (pjovimas oksiacetilenu):

• Tradicinė liepsna: pjovimas liepsnos išankstiniu pašildymu, gryno deguonies degimu. Lėtas išankstinis pašildymas, platus plyšys, mažas tikslumas ir didelė terminė deformacija.
• Lazerinis deguonies pjovimas: pasižymi didelio energijos lazerio tikslumu, greitu išankstiniu pašildymu, pjovimo siūlė yra labai siaura (ir lazerio taško skersmuo), didelis tikslumas, mažas
• ll nuolydis, mažas šiluminis poveikis, yra tradicinė liepsnos pjovimo modernizacija, didelio tikslumo atnaujinimo versija.

Santrauka

Lazerinio liepsnos kompozito (lazerinio deguonies) pjovimo staklės pagrindinis principas – naudoti didelės energijos lazerio spindulį, kad būtų tiksliai uždegtas ir palaikoma smarki metalo (geležies) degimo reakcija gryno deguonies aplinkoje, ir sujungti lazerio šiluminę energiją su chemine metalo oksidacijos energija, kad būtų pasiektas „1 1>2“ pjovimo efektas. Tai puikiai sujungia didelio tikslumo ir didelio fokusavimo lazerio privalumus su didelio efektyvumo ir mažų deguonies degimo sąnaudų privalumais, todėl tai yra nepakeičiamas pagrindinis procesas vidutinio ir storo anglinio plieno lakštų pjovimo srityje.