Principiul mașinii de tăiere hibridă cu laser și oxigaz

Tăierea compozită cu flacără cu laser se referă de obicei la „tăiere cu oxigen cu laser„”, care este unul dintre principalele procese de tăiere cu laser (celelalte două sunt tăierea prin topire cu laser și tăierea prin vaporizare cu laser). Nu înseamnă „flacără generată de laser”, ci mai degrabă un proces hibrid care utilizează un laser ca sursă de căldură, suplimentat de oxigen pur ca gaz auxiliar, pentru a iniția o reacție de ardere oxidativă viguroasă (adică „flacără”) în metale (în principal materiale din oțel) în timpul procesului de tăiere. Acest proces valorifică energia termică din reacția chimică pentru a îmbunătăți semnificativ performanța de tăiere.

În continuare, vom explica principiul său în detaliu din mai multe perspective:

Principiul de bază: Ardere controlată a metalelor indusă de laser

1. Rolul laserului (aprindere și întreținere):

• Un fascicul laser cu densitate mare de energie este focalizat pe suprafața piesei de prelucrat, determinând creșterea rapidă a temperaturii metalului iradiat până la punctul său de aprindere (aproximativ 1350°C pentru fier).
• Fasciculul laser oferă o sursă de căldură continuă, precisă și de înaltă energie, care nu numai că aprinde reacția, dar, mai important, menține zona de reacție la o temperatură ridicată.

2. Rolul oxigenului (agent de ardere și captator):

• Un flux de oxigen de înaltă puritate și presiune înaltă este injectat coaxial împreună cu fasciculul laser pe punctul metalic încălzit de laser.
• Fierul (Fe) care ajunge la punctul de aprindere și oxigenul (O₂) suferă o reacție exotermă de oxidare violentă (combustie): 4Fe3O₂ → 2Fe2O, căldură
• Această reacție eliberează multă căldură (de aproximativ 3-5 ori energia laserului în sine!). Aceasta este cheia energiei „compuse”. Această căldură suplimentară îmbunătățește considerabil capacitatea generală de topire/gazificare.

3. Proces colaborativ compozit:

• Preîncălzire și aprindere: Laserul încălzește mai întâi metalul local până la punctul de aprindere.
• Combustie exotermă: injecție de oxigen, metalul arde violent, generând o căldură mult mai mare decât poate furniza laserul în sine, topind sau chiar oxidând rapid metalul și formând zgură (în principal FeO și Fe3O4).
• Suflare și formare: Un alt rol important al fluxului de oxigen gazos la presiune înaltă este de a sufla violent oxidul metalic topit (zgura) generat de reacția de la îmbinarea tăietoare, ca un „cutit de aer”, pentru a forma o suprafață de tăiere curată și relativ netedă.

Continuu: Fasciculul laser se deplasează în față, preîncălzește continuu noua zonă, iar reacția de ardere urmează focalizarea laserului înainte și în jos, și în final pătrunde în piesa de prelucrat și formează o tăietură.

Cum este această abordare „compusă” atât de eficientă? (Avantaj)

1. Capacitate puternică de a tăia plăci groase:Pentru oțelul carbon (cum ar fi oțelul cu conținut scăzut de carbon), tăierea cu laser prin oxigen este cea mai rentabilă și rapidă metodă pentru tăierea plăcilor medii și groase (de obicei mai mari de 6 mm, până la 30 mm sau chiar mai groase). Tăierea prin topire cu laser pură (cum ar fi cu azot) trebuie să se bazeze în întregime pe energia laserului pentru a topi metalul, iar suprafața plăcii groase pare a fi inadecvată.

2. Viteză mare de tăiere:Datorită adăugării energiei chimice a reacției de ardere a metalului, energia totală de intrare este mult mai mare decât cea a unei singure energii laser, astfel încât viteza de tăiere este semnificativ mai rapidă decât tăierea prin topire la aceeași putere.

3Necesarul de energie al echipamentului este relativ scăzut:Pentru a tăia același oțel carbon, puterea laser necesară pentru tăierea cu oxigen cu laser poate fi mult mai mică decât cea a tăierii prin topire cu laser pură, reducând costurile echipamentelor și consumul de energie.

4. Calitate bună a tăierii:Pentru plăcile groase din oțel carbon, se poate obține o suprafață de tăiere cu o verticalitate bună și mai puțină zgură (stare ideală).

Caracteristicile și limitările procesului

1. Selectivitatea materialelor:

• În principal pentru metale reactive: Cel mai tipic și ideal material de aplicare este oțelul carbon.

• Nu este potrivit pentru oțel inoxidabil, aluminiu, cupru etc.:
• Oțel inoxidabil: cromul (Cr) și alte elemente vor forma oxizi cu punct de topire ridicat (cum ar fi Cr2O3), care împiedică continuarea reacției de oxidare, iar zgura nu este ușor de îndepărtat prin suflare, rezultând o suprafață de tăiere rugoasă și o aderență semnificativă a zgurii.
• Aluminiu și cupru: punctul de topire al oxizilor săi (Al2O3,CuO) este mult mai mare decât cel al substratului în sine, acoperind suprafața ca o cochilie dură, împiedicând continuarea reacției și având o reflectivitate ridicată la laser.

2. Caracteristicile suprafeței de tăiere:

• Din cauza reacției de oxidare, suprafața tăieturii va avea un strat de oxid (similar tratamentului de albastruire) și poate fi ușor rugoasă (comparativ cu partea lucioasă a tăieturii cu azot).
• Este posibil să existe o ușoară zgură suspendată în partea de jos, care trebuie redusă la minimum prin optimizarea parametrilor procesului.

3. Zona afectată termic este mai mare:Reacția violentă de oxidare va genera mai multă căldură, rezultând o zonă afectată termic a piesei de prelucrat mai lată decât cea a topirii și tăierii cu laser, iar deformarea termică generală a piesei de prelucrat poate fi puțin mai mare.

Comparație cu alte procese de tăiere

VS. Tăiere cu azot cu laser pur (tăiere prin topire):

• Tăiere cu azot: prin topirea metalului cu laser, prin suflarea topiturii cu azot la presiune înaltă. Nu există reacție de oxidare, secțiunea este lucioasă și nu există strat de oxid, dar viteza este lentă, consumul de gaz este mare și costul este ridicat. Este potrivită pentru oțel inoxidabil, aluminiu etc., dar nu este economică pentru oțelul carbon gros.
• Tăiere cu oxigen: adăugare de reacție de oxidare, viteză mare, cost redus, potrivită pentru oțel carbon, dar secțiunea are un strat de oxid.

VS. Tăiere tradițională cu flacără (tăiere oxiacetilenică):

• Flacără tradițională: prin preîncălzire cu flacără, tăiere cu combustie cu oxigen pur. Preîncălzire lentă, fantă largă, precizie redusă și deformare termică mare.
• Tăiere cu oxigen laser: cu precizie laser de înaltă energie, preîncălzire rapidă, cusătura de tăiere este foarte îngustă (și diametrul punctului laser), precizie ridicată, sma
• Panta completă, impact termic mic, este modernizarea tradițională a tăierii cu flacără, versiunea de upgrade de înaltă precizie.

Rezumat

Principiul de bază al mașinii de tăiere compozită cu flacără laser (oxigen laser) este utilizarea unui fascicul laser de înaltă energie pentru a aprinde cu precizie și a menține reacția de ardere violentă a metalului (fierului) într-un mediu cu oxigen pur și combinarea energiei termice a laserului cu energia chimică a oxidării metalului pentru a obține efectul de tăiere „1 1>2”. Aceasta combină perfect avantajele preciziei ridicate și focalizării ridicate a laserului cu avantajele eficienței ridicate și costului redus al arderii cu oxigen, ceea ce o face un proces mainstream de neînlocuit în domeniul tăierii tablei de oțel carbon de dimensiuni medii și groase.