Princípio da máquina de corte híbrida laser-oxicombustível

O corte composto por chama a laser geralmente se refere a “corte a laser com oxigênioO corte a laser, também conhecido como corte por fusão a laser, é um dos principais processos de corte a laser (os outros dois são o corte por vaporização a laser e o corte por fusão a laser). Não se trata de uma "chama gerada por laser", mas sim de um processo híbrido que utiliza um laser como fonte de calor, complementado por oxigênio puro como gás auxiliar, para iniciar uma vigorosa reação de combustão por oxidação (ou seja, "chama") em metais (principalmente aço) durante o processo de corte. Este processo aproveita a energia térmica da reação química para melhorar significativamente o desempenho do corte.

A seguir, explicaremos seu princípio em detalhes, sob diversas perspectivas:

Princípio fundamental: Combustão controlada de metais induzida por laser

1. O papel do laser (ignição e manutenção):

• Um feixe de laser de alta densidade energética é focalizado na superfície da peça de trabalho, fazendo com que a temperatura do metal irradiado suba rapidamente até seu ponto de ignição (aproximadamente 1350°C para o ferro).
• O feixe de laser fornece uma fonte de calor contínua, precisa e de alta energia que não apenas inicia a reação, mas, mais importante ainda, mantém a área de reação em alta temperatura.

2. Papel do oxigênio (agente de combustão e eliminador de gases):

• Um fluxo de oxigênio de alta pressão e alta pureza é injetado coaxialmente com o feixe de laser no ponto metálico aquecido pelo laser.
• O ferro (Fe) que atinge o ponto de ignição e o oxigênio (O₂) sofrem uma violenta reação exotérmica de oxidação (combustão): 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O, calor
• Essa reação libera muito calor (cerca de 3 a 5 vezes a energia do próprio laser!). Essa é a chave para a energia "composta". Esse calor adicional aumenta consideravelmente a capacidade geral de fusão/gaseificação.

3. Processo colaborativo composto:

• Pré-aquecimento e ignição: O laser primeiro aquece o metal local até o ponto de ignição.
• Combustão exotérmica: injeção de oxigênio, o metal queima violentamente, gerando muito mais calor do que o próprio laser pode fornecer, derretendo rapidamente ou até mesmo oxidando o metal e formando escória (principalmente FeO e Fe3O4).
• Sopro e conformação: Outra função importante do fluxo de gás oxigênio em alta pressão é soprar violentamente o óxido metálico fundido (escória) gerado pela reação na linha de corte, como uma "faca de ar", para formar uma superfície de corte limpa e relativamente lisa.

Contínuo: O feixe de laser move-se à frente, pré-aquecendo continuamente a nova área, e a reação de combustão segue o foco do laser para a frente e para baixo, penetrando finalmente na peça de trabalho e formando um corte.

Como essa abordagem "composta" é tão eficiente? (Vantagem)

1. Grande capacidade de corte de chapas grossas:Para aço carbono (como o aço de baixo carbono), o corte a laser com oxigênio é o método mais econômico e rápido para cortar chapas médias e grossas (geralmente com mais de 6 mm, até 30 mm ou mais). O corte por fusão a laser pura (como com nitrogênio) depende inteiramente da energia do laser para fundir o metal, sendo inadequado para o corte de chapas grossas.

2. Alta velocidade de corte:Devido à adição da energia química da reação de combustão do metal, a entrada total de energia é muito maior do que a de um único laser, portanto a velocidade de corte é significativamente mais rápida do que o corte por fusão com a mesma potência.

3Os requisitos de energia do equipamento são relativamente baixos:Para cortar o mesmo aço carbono, a potência do laser necessária para o corte a laser com oxigênio pode ser muito menor do que a do corte por fusão a laser pura, reduzindo os custos do equipamento e o consumo de energia.

4. Boa qualidade de corte:Para chapas grossas de aço carbono, é possível obter uma superfície de corte com boa verticalidade e menos escória (estado ideal).

Características e limitações do processo

1. Seletividade de materiais:

• Principalmente para metais reativos: O material de aplicação mais típico e ideal é o aço carbono.

• Não é adequado para aço inoxidável, alumínio, cobre, etc.
• Aço inoxidável: o cromo (Cr) e outros elementos formam óxidos com alto ponto de fusão (como o Cr2O3), que impedem a continuação da reação de oxidação, e a escória não se desprende facilmente, resultando em uma superfície de corte áspera e acúmulo significativo de escória.
• Alumínio e cobre: ​​o ponto de fusão de seus óxidos (Al2O3, CuO) é muito superior ao do próprio substrato, cobrindo a superfície como uma camada dura, impedindo a continuação da reação e apresentando alta refletividade ao laser.

2. Características da superfície de corte:

• Devido à reação de oxidação, a superfície do corte apresentará uma camada de óxido (semelhante ao tratamento de brunimento) e poderá ficar ligeiramente áspera (em comparação com o lado brilhante do corte com nitrogênio).
• Pode haver uma pequena quantidade de escória acumulada no fundo, que precisa ser minimizada através da otimização dos parâmetros do processo.

3. A zona afetada pelo calor é maior:A reação de oxidação violenta gera mais calor, resultando em uma zona afetada pelo calor na peça de trabalho mais ampla do que a obtida com fusão e corte a laser, e a deformação térmica geral da peça pode ser ligeiramente maior.

Comparação com outros processos de corte

VS. Corte a laser com nitrogênio puro (corte por fusão):

• Corte com nitrogênio: o metal é fundido por laser e o material fundido é removido com nitrogênio sob alta pressão. Não há reação de oxidação, a seção transversal fica brilhante e sem camada de óxido, porém a velocidade é lenta, o consumo de gás é alto e o custo é elevado. É adequado para aço inoxidável, alumínio, etc., e não é econômico para aço carbono de grande espessura.
• Corte com oxigênio: reação de oxidação por adição, alta velocidade, baixo custo, adequado para aço carbono, mas a seção resultante apresenta uma camada de óxido.

VS. Corte tradicional com chama (corte oxiacetilênico):

• Corte tradicional por chama: por pré-aquecimento da chama, combustão com oxigênio puro. Pré-aquecimento lento, fenda larga, baixa precisão e grande deformação térmica.
• Corte a laser com oxigênio: com laser de alta energia e precisão, pré-aquecimento rápido, a costura de corte é muito estreita (e o diâmetro do ponto do laser também), alta precisão e economia de energia.
• Com inclinação acentuada e baixo impacto térmico, esta é a versão modernizada e de alta precisão do tradicional corte a chama.

Resumo

O princípio fundamental da máquina de corte composto por chama a laser (laser-oxigênio) consiste em utilizar um feixe de laser de alta energia para iniciar e manter com precisão a violenta reação de combustão do metal (ferro) em um ambiente de oxigênio puro, combinando a energia térmica do laser com a energia química da oxidação do metal para alcançar o efeito de corte "1 1>2". Essa máquina combina perfeitamente as vantagens da alta precisão e foco do laser com as vantagens da alta eficiência e baixo custo da combustão com oxigênio, tornando-se um processo insubstituível no corte de chapas de aço carbono de média e grande espessura.