Lazer-Oksijen Yakıtlı Hibrit Kesme Makinesinin Çalışma Prensibi

Lazer alevli kompozit kesim genellikle şu anlama gelir:lazer oksijen kesimi"Lazerle kesim", başlıca lazer kesim işlemlerinden biridir (diğer ikisi lazerle eritme kesimi ve lazerle buharlaştırma kesimidir). "Lazerle üretilen alev" anlamına gelmez, aksine bir ısı kaynağı olarak lazer kullanan ve yardımcı gaz olarak saf oksijenle desteklenen hibrit bir işlemdir; bu işlem, kesim işlemi sırasında metallerde (çoğunlukla çelik malzemelerde) güçlü bir oksidasyon yanma reaksiyonu (yani "alev") başlatır. Bu işlem, kimyasal reaksiyondan elde edilen termal enerjiyi kullanarak kesim performansını önemli ölçüde artırır.

Şimdi de bu ilkeyi çeşitli açılardan detaylı olarak açıklayacağız:

Temel Prensip: Lazerle Tetiklenen Kontrollü Metal Yanması

1. Lazerin rolü (ateşleme ve bakım):

• Yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir lazer ışını, iş parçasının yüzeyine odaklanarak, ışınlanan metalin sıcaklığının hızla tutuşma noktasına (demir için yaklaşık 1350°C) yükselmesine neden olur.
• Lazer ışını, yalnızca reaksiyonu başlatmakla kalmayıp, daha da önemlisi reaksiyon alanını yüksek sıcaklıkta tutan sürekli, hassas ve yüksek enerjili bir ısı kaynağı sağlar.

2. Oksijenin rolü (yanma ajanı ve gaz giderici):

• Yüksek basınçlı, yüksek saflıkta oksijen akımı, lazer ışınıyla eş eksenli olarak lazerle ısıtılan metal noktaya enjekte edilir.
• Tutuşma noktasına ulaşan demir (Fe) ve oksijen (O₂) şiddetli bir oksidasyon ekzotermik reaksiyonuna (yanma) girer: 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, ısı
• Bu reaksiyon çok fazla ısı açığa çıkarır (lazerin kendi enerjisinin yaklaşık 3-5 katı!), bu da "bileşik" enerjinin anahtarıdır. Bu ilave ısı, genel erime/gazlaştırma kapasitesini büyük ölçüde artırır.

3. Karmaşık iş birliği süreci:

• Ön ısıtma ve ateşleme: Lazer önce yerel metali ateşleme noktasına kadar ısıtır.
• Ekzotermik yanma: oksijen enjeksiyonu ile metal şiddetli bir şekilde yanar ve lazerin kendisinin sağlayabileceğinden çok daha yüksek ısı üretir, metali hızla eritir veya hatta oksitler ve cüruf (esas olarak FeO ve Fe3O4) oluşturur.
• Üfleme ve şekillendirme: Yüksek basınçlı oksijen gazı akışının bir diğer önemli rolü, kesme dikişinden kaynaklanan erimiş metal oksidi (cürufu) bir "hava bıçağı" gibi şiddetli bir şekilde üfleyerek temiz, nispeten pürüzsüz bir kesme yüzeyi oluşturmaktır.

Sürekli: Lazer ışını önde hareket eder, yeni alanı sürekli olarak önceden ısıtır ve yanma reaksiyonu lazer odağını ileri ve aşağı doğru takip eder ve sonunda iş parçasına nüfuz ederek bir kesik oluşturur.

Bu "bileşik" yaklaşım nasıl bu kadar verimli? (Avantaj)

1. Kalın levhaları kesme konusunda güçlü yetenek:Karbon çeliği (örneğin düşük karbonlu çelik) için, lazer oksijen kesimi, orta ve kalın levhaların (genellikle 6 mm'den fazla, 30 mm'ye kadar veya daha kalın) kesimi için en uygun maliyetli ve en hızlı yöntemdir. Saf lazer eritme kesimi (örneğin azotla) metalin eritilmesi için tamamen lazer enerjisine dayanmak zorunda olduğundan, kalın levhaların yüzeyinde yetersiz kalmaktadır.

2. Hızlı kesme hızı:Metal yanma reaksiyonunun kimyasal enerjisinin eklenmesi nedeniyle, toplam enerji girdisi tek bir lazer enerjisine göre çok daha yüksektir, bu nedenle kesme hızı aynı güç altında eritme kesimine göre önemli ölçüde daha hızlıdır.

3Ekipmanların güç gereksinimleri nispeten düşüktür:Aynı karbon çeliğini kesmek için, lazer oksijen kesiminde gereken lazer gücü, saf lazer eritme kesimine göre çok daha düşük olabilir; bu da ekipman maliyetlerini ve enerji tüketimini azaltır.

4. İyi kesim kalitesi:Kalın karbon çelik levhalar için, iyi dikeyliğe sahip ve daha az cüruf içeren (ideal durum) bir kesme yüzeyi elde edilebilir.

Süreç özellikleri ve sınırlamaları

1. Malzeme seçiciliği:

• Özellikle reaktif metaller için: En tipik ve ideal uygulama malzemesi karbon çeliğidir.

• Paslanmaz çelik, alüminyum, bakır vb. için uygun değildir:
• Paslanmaz çelik: Krom (Cr) ve diğer elementler, yüksek erime noktasına sahip oksitler (örneğin Cr2O3) oluşturur; bu da oksidasyon reaksiyonunun devam etmesini engeller ve cürufun kolayca uzaklaştırılmasını zorlaştırarak pürüzlü kesim yüzeyi ve ciddi cüruf birikmesine neden olur.
• Alüminyum ve bakır: oksitlerinin (Al2O3, CuO) erime noktası, alt tabakanın erime noktasından çok daha yüksektir; yüzeyi sert bir kabuk gibi kaplayarak reaksiyonun devam etmesini engeller ve lazer ışınlarını yüksek oranda yansıtır.

2. Kesme yüzeyinin özellikleri:

• Oksidasyon reaksiyonu nedeniyle, kesilen yüzeyde (mavileştirme işlemine benzer şekilde) bir oksit tabakası oluşacak ve (nitrojenle kesilen yüzeyin parlak tarafına kıyasla) biraz pürüzlü olabilir.
• Dipte az miktarda cüruf kalmış olabilir; bu, işlem parametrelerinin optimize edilmesiyle en aza indirilmelidir.

3. Isıdan etkilenen bölge daha büyüktür:Şiddetli oksidasyon reaksiyonu daha fazla ısı üretecek, bu da iş parçasının ısıdan etkilenen bölgesinin lazer eritme ve kesmeye göre daha geniş olmasına ve iş parçasının genel termal deformasyonunun biraz daha büyük olmasına neden olacaktır.

Diğer kesme işlemleriyle karşılaştırma

VS. Saf lazer nitrojen kesimi (eritme kesimi):

• Azotla kesme: Metalin lazerle eritilmesi ve erimiş malzemenin yüksek basınçlı azotla uzaklaştırılması işlemidir. Oksidasyon reaksiyonu olmaz, kesit parlak ve oksit tabakası oluşmaz, ancak hızı yavaş, gaz tüketimi yüksek ve maliyeti fazladır. Paslanmaz çelik, alüminyum vb. için uygundur, ancak kalın karbon çelik için ekonomik değildir.
• Oksijenle kesme: Oksidasyon reaksiyonu ilavesiyle, yüksek hız, düşük maliyet, karbon çeliği için uygundur, ancak kesitte oksit tabakası bulunur.

VS. Geleneksel alevle kesme (oksiasetilenle kesme):

• Geleneksel alevle kesim: Alevle ön ısıtma, saf oksijenle yanma yoluyla kesim. Yavaş ön ısıtma, geniş yarık, düşük hassasiyet ve büyük termal deformasyon.
• Lazer oksijen kesimi: Yüksek enerjili lazer hassasiyeti, hızlı ön ısıtma, çok dar kesim dikişi (ve lazer nokta çapı), yüksek hassasiyet, küçük boyutlar.
• Eğimli yüzeylerde düşük ısı etkisi sağlayan, geleneksel alevle kesme yönteminin modernleştirilmiş, yüksek hassasiyetli geliştirilmiş versiyonudur.

Özet

Lazer alev kompozit (lazer oksijen) kesme makinesinin temel prensibi, yüksek enerjili bir lazer ışını kullanarak saf oksijen ortamında metalin (demir) şiddetli yanma reaksiyonunu hassas bir şekilde başlatmak ve sürdürmek, lazerin termal enerjisini metal oksidasyonunun kimyasal enerjisiyle birleştirerek "1 1>2" kesme etkisini elde etmektir. Lazerin yüksek hassasiyet ve yüksek odaklanma avantajlarını, oksijen yanmasının yüksek verimlilik ve düşük maliyet avantajlarıyla mükemmel bir şekilde birleştirerek, orta ve kalın karbon çelik levha kesimi alanında yeri doldurulamaz bir ana akım proses haline gelmiştir.