Zasada działania hybrydowej maszyny do cięcia laserowo-tlenowo-paliwowego

Cięcie kompozytów płomieniem laserowym zwykle odnosi się do „cięcie laserowe tlenem„”, który jest jednym z głównych procesów cięcia laserowego (pozostałe dwa to cięcie laserowe z topnieniem i cięcie laserowe z odparowaniem). Nie oznacza to „płomienia generowanego laserowo”, lecz proces hybrydowy, który wykorzystuje laser jako źródło ciepła, wspomagane czystym tlenem jako gazem pomocniczym, w celu zainicjowania gwałtownej reakcji utleniania i spalania (tj. „płomienia”) w metalach (głównie stalowych) podczas cięcia. Proces ten wykorzystuje energię cieplną pochodzącą z reakcji chemicznej, aby znacznie poprawić wydajność cięcia.

Następnie wyjaśnimy szczegółowo jego zasadę z kilku perspektyw:

Zasada działania: kontrolowane spalanie metalu indukowane laserowo

1. Rola lasera (zapłon i konserwacja):

• Wiązka laserowa o dużej gęstości energii jest skupiana na powierzchni przedmiotu obrabianego, powodując szybki wzrost temperatury napromieniowanego metalu do temperatury zapłonu (ok. 1350°C w przypadku żelaza).
• Promień lasera zapewnia ciągłe, precyzyjne, wysokoenergetyczne źródło ciepła, które nie tylko inicjuje reakcję, ale co ważniejsze, utrzymuje obszar reakcji w wysokiej temperaturze.

2. Rola tlenu (środka spalania i pochłaniacza):

• Strumień tlenu o wysokim ciśnieniu i wysokiej czystości jest współosiowo wtryskiwany za pomocą wiązki laserowej na punkt metalu nagrzany laserem.
• Żelazo (Fe), które osiąga punkt zapłonu, oraz tlen (O₂) ulegają gwałtownej reakcji egzotermicznej utleniania (spalania): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, ciepło
• Ta reakcja uwalnia dużo ciepła (około 3-5 razy więcej niż energia samego lasera!). To jest klucz do „złożonej” energii. To dodatkowe ciepło znacznie zwiększa ogólną wydajność topienia/gazyfikacji.

3. Proces współpracy złożonej:

• Podgrzewanie i zapłon: Laser najpierw podgrzewa lokalny metal do punktu zapłonu.
• Spalanie egzotermiczne: wtrysk tlenu, metal spala się gwałtownie, generując znacznie więcej ciepła, niż może zapewnić sam laser, powodując szybkie topienie lub nawet utlenianie metalu i tworzenie żużla (głównie FeO i Fe3O4).
• Dmuchanie i formowanie: Inną ważną rolą przepływu tlenu pod wysokim ciśnieniem jest gwałtowne wydmuchiwanie stopionego tlenku metalu (żużla) powstającego w wyniku reakcji zachodzącej w spoinie tnącej, niczym „nóż powietrzny”, w celu utworzenia czystej, stosunkowo gładkiej powierzchni tnącej.

Ciągły: wiązka lasera przesuwa się do przodu, stale podgrzewając nowy obszar, a reakcja spalania podąża za ogniskiem lasera do przodu i w dół, aż w końcu przenika przez obrabiany element i tworzy cięcie.

Jak to „złożone” podejście jest tak efektywne? (Zaleta)

1. Duża zdolność cięcia grubych blach:W przypadku stali węglowej (takiej jak stal niskowęglowa) cięcie laserowe tlenem jest najbardziej opłacalną i najszybszą metodą cięcia blach średniej i grubej (zwykle powyżej 6 mm, do 30 mm, a nawet grubszych). Czyste cięcie laserowe (np. z użyciem azotu) wymaga wyłącznie energii lasera do stopienia metalu, a powierzchnia grubej blachy wydaje się niewystarczająca.

2. Duża prędkość cięcia:ze względu na dodanie energii chemicznej reakcji spalania metalu, całkowita energia włożona jest znacznie większa niż w przypadku pojedynczej energii lasera, więc prędkość cięcia jest znacznie większa niż cięcie przez topienie przy tej samej mocy.

3Wymagania sprzętowe dotyczące zasilania są stosunkowo niskie:aby przeciąć tę samą stal węglową, moc lasera potrzebna do cięcia tlenem laserowym może być znacznie niższa od mocy potrzebnej do czystego cięcia przez topienie laserowe, co zmniejsza koszty sprzętu i zużycie energii.

4. Dobra jakość cięcia:W przypadku grubych blach ze stali węglowej można uzyskać powierzchnię cięcia o dobrej pionowości i mniejszej ilości żużla (stan idealny).

Charakterystyka i ograniczenia procesu

1. Selektywność materiałowa:

• Przede wszystkim w przypadku metali reaktywnych: Najbardziej typowym i idealnym materiałem do zastosowań jest stal węglowa.

• Nie nadaje się do stali nierdzewnej, aluminium, miedzi itp.:
• Stal nierdzewna: chrom (Cr) i inne pierwiastki tworzą tlenki o wysokiej temperaturze topnienia (takie jak Cr2O3), które utrudniają kontynuację reakcji utleniania, a żużel nie jest łatwy do usunięcia, co powoduje szorstką powierzchnię cięcia i duże ilości żużla.
• Aluminium i miedź: temperatura topnienia ich tlenków (Al2O3, CuO) jest znacznie wyższa niż temperatura topnienia samego podłoża, co powoduje, że powierzchnia pokrywa się twardą skorupą, uniemożliwiając zajście reakcji i zapewniając wysoki współczynnik odbicia światła laserowego.

2. Charakterystyka powierzchni cięcia:

• W wyniku reakcji utleniania powierzchnia szlifu pokryje się warstwą tlenku (podobnie jak w przypadku obróbki oksydowanej) i może być lekko szorstka (w porównaniu z jasną stroną szlifu azotowego).
• Na dnie zbiornika może gromadzić się niewielka ilość żużlu, którą należy zminimalizować poprzez optymalizację parametrów procesu.

3. Strefa wpływu ciepła jest większa:gwałtowna reakcja utleniania wytworzy więcej ciepła, w wyniku czego strefa wpływu ciepła przedmiotu obrabianego będzie szersza niż w przypadku topienia i cięcia laserowego, a ogólne odkształcenie cieplne przedmiotu obrabianego może być nieco większe.

Porównanie z innymi procesami cięcia

VS. Cięcie laserowe czystym azotem (cięcie przez topienie):

• Cięcie azotem: poprzez laserowe topienie metalu, zdmuchiwanie stopu azotem pod wysokim ciśnieniem. Brak reakcji utleniania, przekrój jest jasny i bez warstwy tlenku, ale prędkość cięcia jest niska, zużycie gazu duże, a koszt wysoki. Nadaje się do stali nierdzewnej, aluminium itp., ale nie jest ekonomiczny w przypadku grubej stali węglowej.
• Cięcie tlenowe: dodatkowa reakcja utleniania, duża prędkość, niski koszt, odpowiednie dla stali węglowej, ale przekrój ma warstwę tlenku.

VS. Tradycyjne cięcie płomieniowe (cięcie acetylenowo-tlenowe):

• Tradycyjny płomień: poprzez podgrzewanie wstępne płomieniem, cięcie w czystym spalaniu tlenowym. Powolne podgrzewanie wstępne, szeroka szczelina, niska precyzja i duże odkształcenia termiczne.
• Cięcie laserowe tlenem: z precyzją lasera o wysokiej energii, szybkim podgrzewaniem wstępnym, bardzo wąską szwą tnącą (i średnicą plamki lasera), wysoką precyzją, małym
• Drugie nachylenie, niewielki wpływ termiczny, tradycyjna modernizacja cięcia gazowego, wersja o wysokiej precyzji.

Streszczenie

Podstawową zasadą działania urządzenia do cięcia kompozytów płomieniem laserowym (laser tlenowy) jest wykorzystanie wysokoenergetycznej wiązki laserowej do precyzyjnego zapłonu i podtrzymania gwałtownej reakcji spalania metalu (żelaza) w środowisku czystego tlenu oraz połączenie energii cieplnej lasera z energią chemiczną utleniania metalu w celu uzyskania efektu cięcia „1 1>2”. Urządzenie to doskonale łączy zalety wysokiej precyzji i silnego skupienia lasera z zaletami wysokiej wydajności i niskiego kosztu spalania w tlenie, co czyni je niezastąpionym, powszechnie stosowanym procesem w dziedzinie cięcia blach ze stali węglowej średniej i grubej.