Принцип хибридне машине за сечење ласером и кисеоником

Ласерско сечење композитних материјала обично се односи на „ласерско сечење кисеоником„“, што је један од главних процеса ласерског сечења (друга два су ласерско сечење топљењем и ласерско сечење испаравањем). То не значи „ласерски генерисан пламен“, већ хибридни процес који користи ласер као извор топлоте, допуњен чистим кисеоником као помоћним гасом, за покретање снажне реакције оксидационог сагоревања (тј. „пламена“) у металима (углавном челичним материјалима) током процеса сечења. Овај процес користи топлотну енергију из хемијске реакције да би значајно побољшао перформансе сечења.

Затим ћемо детаљно објаснити његов принцип из неколико перспектива:

Основни принцип: Ласерски индуковано контролисано сагоревање метала

1. Улога ласера ​​(паљење и одржавање):

• Ласерски зрак високе густине енергије фокусира се на површину радног предмета, што узрокује да температура озраченог метала брзо порасте до тачке паљења (приближно 1350°C за гвожђе).
• Ласерски зрак обезбеђује континуирани, прецизни, високоенергетски извор топлоте који не само да покреће реакцију, већ, што је још важније, одржава подручје реакције на високој температури.

2. Улога кисеоника (средство за сагоревање и чистач):

• Један млаз кисеоника високог притиска и високе чистоће се коаксијално убризгава ласерским снопом на металну тачку коју загрева ласер.
• Гвожђе (Fe) које достигне тачку паљења и кисеоник (O₂) подлежу бурној оксидационој егзотермној реакцији (сагоревању): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, топлота
• Ова реакција ослобађа много топлоте (око 3-5 пута већу енергију од самог ласера!). То је кључ за „сложену“ енергију. Ова додатна топлота значајно побољшава укупни капацитет топљења/гасификације.

3. Сложени колаборативни процес:

• Предгревање и паљење: Ласер прво загрева локални метал до тачке паљења.
• Егзотермно сагоревање: убризгавање кисеоника, метал бурно гори, стварајући много већу топлоту него што сам ласер може да обезбеди, брзо топећи или чак оксидујући метал и формирајући згуру (углавном FeO и Fe3O4).
• Дување и обликовање: Још једна важна улога протока кисеоника под високим притиском је да се растопљени метални оксид (згура) настао реакцијом из шава сечења снажно, попут „ваздушног ножа“, избацује из шава сечења како би се формирала чиста, релативно глатка површина сечења.

Континуирано: Ласерски зрак се креће напред, континуирано загрева нову област, а реакција сагоревања прати ласерски фокус напред и надоле, и коначно продире у радни предмет и формира рез.

Како је овај „сложени“ приступ тако ефикасан? (Предност)

1. Јака способност сечења дебелих плоча:За угљенични челик (као што је нискоугљенични челик), ласерско сечење кисеоником је најисплативија и најбржа метода за сечење средњих и дебелих плоча (обично више од 6 мм, до 30 мм или чак дебље). Чисто ласерско сечење топљењем (као што је азот) мора се у потпуности ослањати на ласерску енергију за топљење метала, док површина дебеле плоче изгледа неадекватна.

2. Велика брзина сечења:Због додавања хемијске енергије реакције сагоревања метала, укупни улаз енергије је много већи од енергије једног ласера, тако да је брзина сечења знатно већа од сечења топљењем под истом снагом.

3Захтеви за напајање опреме су релативно ниски:За сечење истог угљеничног челика, снага ласера ​​потребна за ласерско сечење кисеоником може бити много мања од оне код чистог ласерског сечења топљењем, смањујући трошкове опреме и потрошњу енергије.

4. Добар квалитет сечења:За дебље плоче од угљеничног челика може се добити површина сечења са добром вертикалношћу и мање згуре (идеално стање).

Карактеристике и ограничења процеса

1. Селективност материјала:

• Првенствено за реактивне метале: Најтипичнији и идеални материјал за примену је угљенични челик.

• Није погодно за нерђајући челик, алуминијум, бакар итд.:
• Нерђајући челик: хром (Cr) и други елементи формирају оксиде високе тачке топљења (као што је Cr2O3), који спречавају наставак оксидационе реакције, а згура се не може лако одувати, што доводи до грубе површине реза и озбиљног задржавања згуре.
• Алуминијум и бакар: тачка топљења његових оксида (Al₂O₃, CuO) је много виша од тачке топљења саме подлоге, покривајући површину попут тврде љуске, спречавајући наставак реакције и имајући високу рефлективност према ласеру.

2. Карактеристике површине резања:

• Због оксидационе реакције, површина реза ће имати оксидни слој (слично третману плављењем) и може бити благо храпава (у поређењу са светлом страном азотног реза).
• На дну може бити мало згуре, што треба минимизирати оптимизацијом параметара процеса.

3. Зона под утицајем топлоте је већа:Бурна оксидациона реакција ће генерисати више топлоте, што ће резултирати тиме да је зона утицаја топлоте на радном предмету шира од зоне топљења и сечења ласером, а укупна термичка деформација радног предмета може бити нешто већа.

Поређење са другим процесима резања

У СУПРОТСТВУ сечења чистим ласерским азотом (сечење топљењем):

• Сечење азотом: ласерским топљењем метала, одувавањем растопа азотом под високим притиском. Нема оксидационе реакције, пресек је светао и без оксидног слоја, али је брзина спора, потрошња гаса велика, а трошкови високи. Погодно је за нерђајући челик, алуминијум итд., а није економично за дебели угљенични челик.
• Резање кисеоником: додавање оксидационе реакције, велика брзина, ниска цена, погодно за угљенични челик, али део има оксидни слој.

У СУПРОТУ Традиционалном сечењу пламеном (сечење оксиацетиленом):

• Традиционални пламен: прегревање пламеном, сечење сагоревањем чистог кисеоника. Споро прегревање, широк прорез, ниска прецизност и велика термичка деформација.
• Ласерско сечење кисеоником: са високоенергетском ласерском прецизношћу, брзим предгревањем, шавом сечења је веома узак (и пречником ласерске тачке), високом прецизношћу, малим
• Нагиб ll, мали термички утицај, је традиционална модернизација сечења пламеном, верзија за надоградњу високе прецизности.

Резиме

Основни принцип машине за сечење композитних материјала ласерским пламеном (ласерски кисеоник) јесте коришћење високоенергетског ласерског зрака за прецизно паљење и одржавање бурне реакције сагоревања метала (гвожђа) у окружењу чистог кисеоника, и комбиновање топлотне енергије ласера ​​са хемијском енергијом оксидације метала како би се постигао ефекат сечења „1 1> 2“. Савршено комбинује предности високе прецизности и високог фокуса ласера ​​са предностима високе ефикасности и ниске цене сагоревања кисеоника, што га чини незаменљивим главним поступком у области сечења лимова средњег и дебелог угљеничног челика.