Принцип работы лазерно-кислородного гибридного станка для резки

Лазерная резка композитных материалов обычно подразумевает «лазерная кислородная резка«Лазерная резка» — один из основных процессов лазерной резки (два других — лазерная резка плавлением и лазерная резка испарением). Это не означает «лазерное пламя», а скорее гибридный процесс, использующий лазер в качестве источника тепла, дополненный чистым кислородом в качестве вспомогательного газа, для инициирования интенсивной реакции окисления-горения (т.е. «пламени») в металлах (в основном, в стали) во время процесса резки. Этот процесс использует тепловую энергию химической реакции для значительного повышения эффективности резки.

Далее мы подробно рассмотрим его принцип с нескольких точек зрения:

Основной принцип: контролируемое сгорание металла под действием лазера.

1. Роль лазера (зажигание и обслуживание):

• Высокоэнергетический лазерный луч фокусируется на поверхности заготовки, вызывая быстрое повышение температуры облучаемого металла до точки воспламенения (приблизительно 1350 °C для железа).
• Лазерный луч обеспечивает непрерывный, точный и высокоэнергетический источник тепла, который не только инициирует реакцию, но, что более важно, поддерживает высокую температуру в зоне реакции.

2. Роль кислорода (горючего вещества и поглотителя):

• Поток высокочистого кислорода под высоким давлением подается соосно с лазерным лучом на металлическое пятно, нагреваемое лазером.
• Железо (Fe), достигшее точки воспламенения, и кислород (O₂) подвергаются бурной экзотермической реакции окисления (горению): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, выделяется тепло.
• В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (примерно в 3-5 раз больше энергии самого лазера!). Это ключ к «комплексной» энергии. Это дополнительное тепло значительно увеличивает общую способность к плавлению/газификации.

3. Комплексный процесс сотрудничества:

• Предварительный нагрев и воспламенение: сначала лазер нагревает металл до точки воспламенения.
• Экзотермическое горение: при впрыскивании кислорода металл сгорает бурно, выделяя гораздо больше тепла, чем может обеспечить сам лазер, быстро плавя или даже окисляя металл и образуя шлак (в основном FeO и Fe3O4).
• Продувка и формовка: Еще одна важная роль потока кислорода под высоким давлением заключается в том, чтобы с силой, подобно «воздушному ножу», продувать расплавленный оксид металла (шлак), образующийся в результате реакции в режущем шве, для формирования чистой, относительно гладкой режущей поверхности.

Непрерывный режим: лазерный луч перемещается перед обрабатываемой областью, непрерывно предварительно нагревая ее, а реакция горения следует за фокусом лазера вперед и вниз, в конечном итоге проникая в заготовку и образуя разрез.

Почему этот «комплексный» подход настолько эффективен? (Преимущество)

1. Высокая способность резать толстые пластины:Для углеродистой стали (например, низкоуглеродистой) лазерная кислородная резка является наиболее экономичным и быстрым методом резки листового металла средней и большой толщины (обычно более 6 мм, до 30 мм и даже толще). Чисто лазерная резка с плавлением (например, с использованием азота) полностью полагается на энергию лазера для расплавления металла, поэтому обработка поверхности толстого листа оказывается недостаточной.

2. Высокая скорость резки:Благодаря добавлению химической энергии реакции горения металла, общий энергозатраты значительно превышают энергию одного лазерного импульса, поэтому скорость резки значительно выше, чем при резке плавлением при той же мощности.

3Потребляемая мощность оборудования относительно невелика:Для резки той же углеродистой стали мощность лазера, необходимая для кислородно-лазерной резки, может быть значительно ниже, чем при обычной лазерной резке плавлением, что снижает затраты на оборудование и энергопотребление.

4. Хорошее качество резки:Для толстых листов из углеродистой стали можно получить поверхность резания с хорошей вертикальностью и меньшим количеством шлака (идеальное состояние).

Характеристики и ограничения процесса

1. Селективность материалов:

• В первую очередь для реактивных металлов: наиболее типичным и идеальным материалом для применения является углеродистая сталь.

• Не подходит для нержавеющей стали, алюминия, меди и т. д.
• Нержавеющая сталь: хром (Cr) и другие элементы образуют оксиды с высокой температурой плавления (например, Cr2O3), которые препятствуют продолжению реакции окисления, а шлак трудно удалить, что приводит к шероховатой поверхности резания и значительному образованию шлаковых отложений.
• Алюминий и медь: температура плавления их оксидов (Al2O3, CuO) значительно выше, чем у самой подложки, образуя на поверхности твердую оболочку, препятствующую продолжению реакции и обладающую высокой отражательной способностью по отношению к лазеру.

2. Характеристики режущей поверхности:

• В результате реакции окисления на поверхности среза образуется оксидный слой (аналогичный слою после воронения), и она может быть слегка шероховатой (по сравнению с блестящей стороной среза, выполненного в атмосфере азота).
• В нижней части может оставаться небольшое количество шлака, которое необходимо минимизировать путем оптимизации параметров процесса.

3. Зона термического воздействия больше:Интенсивная реакция окисления будет генерировать больше тепла, в результате чего зона термического воздействия на заготовку окажется шире, чем при лазерной плавке и резке, а общая термическая деформация заготовки может быть несколько больше.

Сравнение с другими процессами резки

В сравнении с резкой чистым лазером с использованием азота (резка плавлением):

• Резка азотом: лазерное расплавление металла с последующим удалением расплава азотом под высоким давлением. Отсутствие окислительных реакций, ровный срез без оксидного слоя, но низкая скорость, большой расход газа и высокая стоимость. Подходит для нержавеющей стали, алюминия и т. д., но неэкономичен для толстостенной углеродистой стали.
• Кислородная резка: добавление продуктов окислительной реакции, высокая скорость, низкая стоимость, подходит для углеродистой стали, но на обрабатываемом участке образуется оксидный слой.

В сравнении с традиционной газовой резкой (кислородно-ацетиленовой резкой):

• Традиционная резка пламенем: предварительный нагрев пламенем, резка чистым кислородом. Медленный предварительный нагрев, широкая щель, низкая точность и большая термическая деформация.
• Кислородная лазерная резка: высокая точность лазерного луча, быстрый предварительный нагрев, очень узкий режущий шов (и диаметр лазерного пятна), высокая точность, малый диаметр.
• Низкий уклон, малое тепловое воздействие, представляет собой модернизированную версию традиционной газовой резки с высокой точностью.

Краткое содержание

Основной принцип работы станка для лазерной пламенной композитной (лазерно-кислородной) резки заключается в использовании высокоэнергетического лазерного луча для точного воспламенения и поддержания бурной реакции горения металла (железа) в среде чистого кислорода, а также в сочетании тепловой энергии лазера с химической энергией окисления металла для достижения эффекта резки «1 1>2». Это идеально сочетает в себе преимущества высокой точности и высокой фокусировки лазера с преимуществами высокой эффективности и низкой стоимости кислородного горения, что делает этот процесс незаменимым в области резки листовой углеродистой стали средней и большой толщины.