Princíp laserovo-oxygenového hybridného rezacieho stroja

Rezanie kompozitných materiálov laserovým plameňom sa zvyčajne vzťahuje na „laserové rezanie kyslíkom„“, čo je jeden z hlavných procesov laserového rezania (ďalšie dva sú rezanie laserovým tavením a rezanie laserovým odparovaním). Neznamená to „laserom generovaný plameň“, ale skôr hybridný proces, ktorý využíva laser ako zdroj tepla doplnený čistým kyslíkom ako pomocným plynom na spustenie intenzívnej oxidačno-horivej reakcie (t. j. „plameňa“) v kovoch (najmä oceľových materiáloch) počas procesu rezania. Tento proces využíva tepelnú energiu z chemickej reakcie na výrazné zlepšenie rezného výkonu.

Ďalej si podrobne vysvetlíme jeho princíp z niekoľkých hľadísk:

Základný princíp: Laserom indukované riadené spaľovanie kovu

1. Úloha laseru (zapálenie a údržba):

• Laserový lúč s vysokou hustotou energie je zaostrený na povrch obrobku, čo spôsobuje rýchly nárast teploty ožiareného kovu na bod vznietenia (približne 1350 °C pre železo).
• Laserový lúč poskytuje nepretržitý, presný, vysokoenergetický zdroj tepla, ktorý nielen zapaľuje reakciu, ale čo je dôležitejšie, udržiava reakčnú oblasť na vysokej teplote.

2. Úloha kyslíka (horľavého činidla a lapača):

• Prúd vysokotlakového, vysoko čistého kyslíka sa koaxiálne vstrekuje s laserovým lúčom na kovový bod zahrievaný laserom.
• Železo (Fe), ktoré dosiahne bod vznietenia, a kyslík (O₂) podliehajú prudkej oxidačnej exotermickej reakcii (horeniu): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, teplo
• Táto reakcia uvoľňuje veľa tepla (asi 3-5-krát viac energie ako samotný laser!). To je kľúč k „zloženej“ energii. Toto dodatočné teplo výrazne zvyšuje celkovú kapacitu tavenia/splyňovania.

3. Kompozitný kolaboratívny proces:

• Predhrev a zapálenie: Laser najprv zahreje lokálny kov do bodu zapálenia.
• Exotermické horenie: vstrekovanie kyslíka, kov prudko horí, generuje oveľa viac tepla, ako dokáže poskytnúť samotný laser, rýchlo taví alebo dokonca oxiduje kov a tvorí trosku (hlavne FeO a Fe3O4).
• Fúkanie a tvarovanie: Ďalšou dôležitou úlohou prúdu kyslíka pod vysokým tlakom je prudko fúkať roztavený oxid kovu (trosku) vznikajúci reakciou z rezného švu ako „vzduchový nôž“, čím sa vytvorí čistý, relatívne hladký rezný povrch.

Kontinuálne: Laserový lúč sa pohybuje vpredu, kontinuálne predhrieva novú oblasť a reakcia spaľovania sleduje laserové zaostrenie dopredu a dole a nakoniec preniká do obrobku a vytvára rez.

V čom je tento „zložený“ prístup taký efektívny? (Výhoda)

1. Silná schopnosť rezať hrubé plechy:Pre uhlíkovú oceľ (ako napríklad nízkouhlíkovú oceľ) je rezanie laserom kyslíkom najefektívnejšou a najrýchlejšou metódou rezania stredne hrubých a hrubých plechov (zvyčajne viac ako 6 mm, až do 30 mm alebo aj hrubších). Čisté rezanie laserom tavením (napríklad dusíkom) sa musí na roztavenie kovu spoliehať výlučne na laserovú energiu, pričom povrch hrubého plechu sa javí ako nedostatočný.

2. Rýchla rýchlosť rezania:Vďaka pridaniu chemickej energie reakcie spaľovania kovu je celkový vstup energie oveľa vyšší ako pri energii jedného laseru, takže rýchlosť rezania je výrazne vyššia ako rezanie tavením pri rovnakom výkone.

3Požiadavky na výkon zariadenia sú relatívne nízke:Na rezanie rovnakej uhlíkovej ocele môže byť laserový výkon potrebný na rezanie laserovým kyslíkom oveľa nižší ako pri čistom rezaní laserovým tavením, čo znižuje náklady na zariadenie a spotrebu energie.

4. Dobrá kvalita rezu:Pri hrubých plechoch z uhlíkovej ocele je možné dosiahnuť reznú plochu s dobrou zvislosťou a menším množstvom trosky (ideálny stav).

Charakteristiky a obmedzenia procesu

1. Selektivita materiálu:

• Predovšetkým pre reaktívne kovy: Najtypickejším a ideálnym aplikačným materiálom je uhlíková oceľ.

• Nie je vhodné pre nehrdzavejúcu oceľ, hliník, meď atď.:
• Nerezová oceľ: chróm (Cr) a ďalšie prvky tvoria oxidy s vysokou teplotou topenia (ako napríklad Cr2O3), ktoré bránia pokračovaniu oxidačnej reakcie a troska sa ťažko odfúkne, čo vedie k drsnému reznému povrchu a silnému zachytávaniu trosky.
• Hliník a meď: bod topenia ich oxidov (Al2O3, CuO) je oveľa vyšší ako bod topenia samotného substrátu, pokrýva povrch ako tvrdá škrupina, bráni pokračovaniu reakcie a má vysokú odrazivosť laseru.

2. Charakteristiky reznej plochy:

• V dôsledku oxidačnej reakcie bude mať povrch rezu vrstvu oxidu (podobne ako pri modrom ošetrení) a môže byť mierne drsný (v porovnaní so svetlou stranou rezu dusíkom).
• Na dne sa môže nachádzať mierne množstvo trosky, ktoré je potrebné minimalizovať optimalizáciou procesných parametrov.

3. Zóna ovplyvnená teplom je väčšia:Prudká oxidačná reakcia bude generovať viac tepla, čoho výsledkom bude, že tepelne ovplyvnená zóna obrobku bude širšia ako pri tavení a rezaní laserom a celková tepelná deformácia obrobku môže byť o niečo väčšia.

Porovnanie s inými procesmi rezania

VS. Rezanie čistým laserom dusíkom (tavné rezanie):

• Rezanie dusíkom: laserové tavenie kovu, odfúknutie taveniny vysokotlakovým dusíkom. Nedochádza k oxidačnej reakcii, rez je lesklý a bez oxidovej vrstvy, ale rýchlosť je pomalá, spotreba plynu je veľká a náklady sú vysoké. Je vhodné pre nehrdzavejúcu oceľ, hliník atď. a nie je ekonomické pre hrubú uhlíkovú oceľ.
• Rezanie kyslíkom: pridanie oxidačnej reakcie, vysoká rýchlosť, nízke náklady, vhodné pre uhlíkovú oceľ, ale časť má oxidovú vrstvu.

VS. Tradičné rezanie plameňom (rezanie kyslíkom a acetylénom):

• Tradičný plameň: predhrievanie plameňom, rezanie čistým kyslíkom. Pomalé predhrievanie, široká štrbina, nízka presnosť a veľká tepelná deformácia.
• Rezanie laserovým kyslíkom: s presnosťou vysokoenergetického laseru, rýchlym predhrievaním, veľmi úzkym rezným švom (a priemerom laserového bodu), vysokou presnosťou, malým
• Sklon ll, malý tepelný náraz, je tradičná modernizácia rezania plameňom, verzia s vysokou presnosťou.

Zhrnutie

Hlavným princípom rezacieho stroja na kompozitné materiály s laserovým plameňom (laserový kyslík) je použitie vysokoenergetického laserového lúča na presné zapálenie a udržanie prudkej reakcie spaľovania kovu (železa) v prostredí čistého kyslíka a kombinácia tepelnej energie laseru s chemickou energiou oxidácie kovu na dosiahnutie rezacieho efektu „1 1> 2“. Dokonale kombinuje výhody vysokej presnosti a vysokého zaostrenia laseru s výhodami vysokej účinnosti a nízkych nákladov na spaľovanie kyslíka, vďaka čomu je nenahraditeľným hlavným procesom v oblasti rezania stredne hrubých a hrubých plechov z uhlíkovej ocele.