Načelo hibridnega lasersko-kisikovega rezalnega stroja

Rezanje kompozitov z laserskim plamenom se običajno nanaša na "lasersko rezanje s kisikom«, ki je eden glavnih postopkov laserskega rezanja (druga dva sta lasersko taljenje in lasersko uparjanje). Ne pomeni »lasersko ustvarjenega plamena«, temveč hibridni postopek, ki uporablja laser kot vir toplote, dopolnjen s čistim kisikom kot pomožnim plinom, za sprožitev močne oksidacijske reakcije zgorevanja (tj. »plamena«) v kovinah (predvsem jeklenih materialih) med postopkom rezanja. Ta postopek izkorišča toplotno energijo kemične reakcije za znatno izboljšanje učinkovitosti rezanja.

Nato bomo njegovo načelo podrobneje razložili z več vidikov:

Osnovno načelo: lasersko inducirano nadzorovano zgorevanje kovin

1. Vloga laserja (vžig in vzdrževanje):

• Laserski žarek z visoko gostoto energije se usmeri na površino obdelovanca, zaradi česar se temperatura obsevane kovine hitro dvigne do točke vžiga (približno 1350 °C za železo).
• Laserski žarek zagotavlja neprekinjen, natančen, visokoenergijski vir toplote, ki ne le sproži reakcijo, ampak, kar je še pomembneje, vzdržuje reakcijsko območje pri visoki temperaturi.

2. Vloga kisika (gorilno sredstvo in lovilec):

• Na kovinsko mesto, ki ga segreva laser, se koaksialno z laserskim žarkom vbrizga tok visokotlačnega, visoko čistega kisika.
• Železo (Fe), ki doseže točko vžiga, in kisik (O₂) se podvržeta burni oksidacijski eksotermni reakciji (zgorevanju): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, toplota
• Ta reakcija sprosti veliko toplote (približno 3-5-krat več energije kot sam laser!). To je ključ do "sestavljene" energije. Ta dodatna toplota močno poveča skupno talilna/uplinjalna zmogljivost.

3. Sestavljeni sodelovalni proces:

• Predgrevanje in vžig: Laser najprej segreje lokalno kovino do točke vžiga.
• Eksotermno gorenje: vbrizgavanje kisika, kovina silovito gori, pri čemer ustvarja veliko večjo toploto, kot jo lahko zagotovi sam laser, hitro tali ali celo oksidira kovino in tvori žlindro (predvsem FeO in Fe3O4).
• Vpihovanje in oblikovanje: Druga pomembna vloga visokotlačnega toka kisika je silovito vpihovanje staljenega kovinskega oksida (žlindre), ki nastane pri reakciji, iz rezalnega šiva kot "zračni nož", da se oblikuje čista, relativno gladka rezalna površina.

Neprekinjeno: Laserski žarek se premika naprej, neprekinjeno segreva novo območje, reakcija zgorevanja pa sledi laserskemu fokusu naprej in navzdol ter končno prodre v obdelovanec in tvori rez.

Zakaj je ta "sestavljeni" pristop tako učinkovit? (Prednost)

1. Močna sposobnost rezanja debelih plošč:Za ogljikovo jeklo (kot je nizkoogljično jeklo) je lasersko rezanje s kisikom najcenejša in najhitrejša metoda za rezanje srednje debelih in debelih plošč (običajno več kot 6 mm, do 30 mm ali celo debelejše). Čisto lasersko taljenje (na primer z dušikom) se mora za taljenje kovine v celoti zanašati na lasersko energijo, zato se zdi, da je površina debele plošče neustrezna.

2. Hitra hitrost rezanja:Zaradi dodane kemične energije reakcije zgorevanja kovine je skupni vnos energije veliko večji kot pri energiji enega samega laserja, zato je hitrost rezanja bistveno hitrejša od taljenja pri enaki moči.

3Zahteve glede moči opreme so relativno nizke:Za rezanje istega ogljikovega jekla je lahko laserska moč, potrebna za lasersko rezanje s kisikom, precej nižja kot pri čistem laserskem taljenju, kar zmanjša stroške opreme in porabo energije.

4. Dobra kakovost rezanja:Pri debelih ploščah iz ogljikovega jekla je mogoče doseči rezalno površino z dobro navpičnostjo in manj žlindre (idealno stanje).

Značilnosti in omejitve procesa

1. Selektivnost materiala:

• Predvsem za reaktivne kovine: Najbolj tipičen in idealen material za uporabo je ogljikovo jeklo.

• Ni primerno za nerjaveče jeklo, aluminij, baker itd.:
• Nerjaveče jeklo: krom (Cr) in drugi elementi tvorijo okside z visokim tališčem (kot je Cr2O3), ki ovirajo nadaljevanje oksidacijske reakcije, žlindre pa ni enostavno odpihniti, kar povzroči grobo rezalno površino in močno nabiranje žlindre.
• Aluminij in baker: tališče njegovih oksidov (Al2O3,CuO) je veliko višje od tališča samega substrata, ki prekriva površino kot trda lupina, preprečuje nadaljevanje reakcije in ima visoko odbojnost laserja.

2. Značilnosti rezalne površine:

• Zaradi oksidacijske reakcije bo površina reza imela oksidno plast (podobno kot pri obdelavi z modrilo) in je lahko nekoliko hrapava (v primerjavi s svetlo stranjo reza z dušikom).
• Na dnu se lahko nabira rahla žlindra, ki jo je treba zmanjšati z optimizacijo procesnih parametrov.

3. Območje, na katero vpliva toplota, je večje:Zaradi burne oksidacijske reakcije se bo ustvarilo več toplote, zaradi česar bo območje obdelovanca, na katerega vpliva toplota, širše kot pri laserskem taljenju in rezanju, skupna toplotna deformacija obdelovanca pa bo lahko nekoliko večja.

Primerjava z drugimi postopki rezanja

V primerjavi s čistim laserskim rezanjem z dušikom (rezanje s taljenjem):

• Rezanje z dušikom: lasersko taljenje kovine, odpihovanje taline z visokotlačnim dušikom. Brez oksidacijske reakcije, rez je svetel in brez oksidne plasti, vendar je hitrost počasna, poraba plina velika in stroški visoki. Primerno je za nerjaveče jeklo, aluminij itd., vendar ni ekonomično za debelo ogljikovo jeklo.
• Rezanje s kisikom: dodatek oksidacijske reakcije, visoka hitrost, nizki stroški, primerno za ogljikovo jeklo, vendar ima odsek oksidno plast.

V primerjavi s tradicionalnim plamenskim rezanjem (rezanje s kisikom in acetilenom):

• Tradicionalni plamen: s predgrevanjem plamena, rezanje s čistim kisikom. Počasno predgrevanje, široka reža, nizka natančnost in velika toplotna deformacija.
• Lasersko rezanje s kisikom: z visokoenergijsko lasersko natančnostjo, hitrim predgrevanjem, zelo ozkim rezalnim šivom (in premerom laserske točke), visoko natančnostjo, majhnim
• Naklon ll, majhen toplotni vpliv, je tradicionalna posodobitev plamenskega rezanja, visoko natančna nadgradnja.

Povzetek

Osnovno načelo laserskega rezalnega stroja za kompozite (laserski kisik) je uporaba visokoenergijskega laserskega žarka za natančno vžiganje in vzdrževanje burne reakcije zgorevanja kovine (železa) v okolju s čistim kisikom ter kombinacija toplotne energije laserja s kemično energijo oksidacije kovine za doseganje učinka rezanja "1 1> 2". Popolnoma združuje prednosti visoke natančnosti in visokega fokusa laserja s prednostmi visoke učinkovitosti in nizkih stroškov zgorevanja kisika, zaradi česar je nenadomestljiv glavni postopek na področju rezanja srednje debelih in debelih pločevin iz ogljikovega jekla.