Принцип роботи гібридної лазерно-киснево-паливної різальної машини

Лазерне полум'яне різання композитів зазвичай стосується «лазерне кисневе різання«», що є одним з основних процесів лазерного різання (два інші - це лазерне плавлення та лазерне випаровування). Це не означає «полум'я, згенероване лазером», а радше гібридний процес, який використовує лазер як джерело тепла, доповнений чистим киснем як допоміжним газом, для ініціювання енергійної реакції окислювального горіння (тобто «полум'я») у металах (переважно сталевих матеріалах) під час процесу різання. Цей процес використовує теплову енергію хімічної реакції для значного підвищення продуктивності різання.

Далі ми детально пояснимо його принцип з кількох точок зору:

Основний принцип: лазерно-індуковане контрольоване горіння металу

1. Роль лазера (запалювання та обслуговування):

• Лазерний промінь високої щільності енергії фокусується на поверхні заготовки, що призводить до швидкого підвищення температури опроміненого металу до точки займання (приблизно 1350°C для заліза).
• Лазерний промінь забезпечує безперервне, точне, високоенергетичне джерело тепла, яке не тільки запалює реакцію, але й, що ще важливіше, підтримує високу температуру в зоні реакції.

2. Роль кисню (агент горіння та поглинач):

• Потік високочистого кисню високого тиску коаксіально впорскується з лазерним променем на металеву пляму, нагріту лазером.
• Залізо (Fe), яке досягає точки займання, та кисень (O₂) вступають у бурхливу екзотермічну реакцію окислення (горіння): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, виділення тепла
• Ця реакція вивільняє багато тепла (приблизно в 3-5 разів більше енергії, ніж у самого лазера!). Це ключ до «складної» енергії. Це додаткове тепло значно підвищує загальну здатність до плавлення/газифікації.

3. Складений процес співпраці:

• Попередній нагрів та запалювання: Лазер спочатку нагріває локальний метал до точки займання.
• Екзотермічний процес горіння: при введенні кисню метал сильно горить, виробляючи набагато більше тепла, ніж може забезпечити сам лазер, швидко плавлячи або навіть окислюючи метал та утворюючи шлак (головним чином FeO та Fe3O4).
• Видування та формування: Ще однією важливою роллю потоку кисневого газу високого тиску є сильне видування розплавленого оксиду металу (шлаку), що утворюється в результаті реакції, з ріжучого шва, подібно до «повітряного ножа», для формування чистої, відносно гладкої поверхні різу.

Безперервний: Лазерний промінь рухається попереду, безперервно нагріває нову область, а реакція горіння слідує за фокусом лазера вперед і вниз, і нарешті проникає в заготовку та утворює розріз.

Чим такий ефективний цей «складний» підхід? (Перевага)

1. Висока здатність різати товсті пластини:Для вуглецевої сталі (наприклад, низьковуглецевої сталі) лазерне різання киснем є найекономічнішим та найшвидшим методом різання середніх та товстих пластин (зазвичай більше 6 мм, до 30 мм або навіть товстіших). Чисте лазерне різання плавленням (наприклад, азотом) повністю залежить від лазерної енергії для плавлення металу, тому поверхня товстого листа виявляється недостатньою.

2. Висока швидкість різання:Завдяки додаванню хімічної енергії реакції горіння металу, загальна енергія, що підводиться, набагато вища, ніж у окремого лазера, тому швидкість різання значно вища, ніж різання плавленням за тієї ж потужності.

3Вимоги до потужності обладнання відносно низькі:Для різання тієї ж вуглецевої сталі потужність лазера, необхідна для лазерного кисневого різання, може бути значно нижчою, ніж для чистого лазерного різання плавленням, що зменшує витрати на обладнання та споживання енергії.

4. Гарна якість різання:Для товстих листів з вуглецевої сталі можна отримати поверхню різання з хорошою вертикальністю та меншим утворенням шлаку (ідеальний стан).

Характеристики та обмеження процесу

1. Вибірковість матеріалу:

• В першу чергу для реакційноздатних металів: найтиповішим та ідеальним матеріалом для застосування є вуглецева сталь.

• Не підходить для нержавіючої сталі, алюмінію, міді тощо:
• Нержавіюча сталь: хром (Cr) та інші елементи утворюють оксиди з високою температурою плавлення (такі як Cr2O3), які перешкоджають продовженню реакції окислення, а шлак важко здувати, що призводить до шорсткої поверхні різання та значного накопичення шлаку.
• Алюміній та мідь: температура плавлення їх оксидів (Al2O3,CuO) значно вища, ніж у самої підкладки, покриваючи поверхню твердою оболонкою, запобігаючи продовженню реакції та маючи високу відбивну здатність для лазера.

2. Характеристики поверхні різання:

• Через реакцію окислення поверхня зрізу матиме шар оксиду (подібно до обробки воронінням) і може бути трохи шорсткою (порівняно зі світлою стороною азотного зрізу).
• На дні може бути невеликий відкладення шлаку, яке необхідно мінімізувати, оптимізувавши параметри процесу.

3. Зона термічного впливу більша:Бурхлива реакція окислення генеруватиме більше тепла, в результаті чого зона термічного впливу заготовки буде ширшою, ніж зона лазерного плавлення та різання, а загальна теплова деформація заготовки може бути дещо більшою.

Порівняння з іншими процесами різання

ПРОТИ чистого лазерного азотного різання (різання плавленням):

• Різання азотом: лазерне плавлення металу з видуванням розплаву азотом під високим тиском. Реакція окислення відсутня, зріз блискучий та без оксидного шару, але швидкість низька, витрата газу велика, а вартість висока. Підходить для нержавіючої сталі, алюмінію тощо, але неекономічний для товстої вуглецевої сталі.
• Кисневе різання: додавання реакції окислення, висока швидкість, низька вартість, підходить для вуглецевої сталі, але переріз має оксидний шар.

ПРОТИ традиційного полум'яного різання (киснево-ацетиленового різання):

• Традиційне полум'я: шляхом попереднього нагрівання полум'ям, різання чистим киснем. Повільний попередній нагрівання, широка щілина, низька точність та велика термічна деформація.
• Лазерне різання киснем: з високоенергетичною лазерною точністю, швидким попереднім нагріванням, дуже вузьким різальним швом (і діаметром лазерної плями), високою точністю, малим розміром
• Нахил ll, невеликий тепловий вплив, є традиційною модернізацією полум'яного різання, високоточною версією для оновлення.

Короткий зміст

Основний принцип роботи лазерного полум'яного (лазерно-кисневого) різального верстата для композитного різання полягає у використанні високоенергетичного лазерного променя для точного запалювання та підтримки бурхливої ​​реакції горіння металу (заліза) в середовищі чистого кисню, а також у поєднанні теплової енергії лазера з хімічною енергією окислення металу для досягнення ефекту різання «1 1> 2». Він ідеально поєднує переваги високої точності та високої фокусування лазера з перевагами високої ефективності та низької вартості спалювання кисню, що робить його незамінним основним процесом у галузі різання листів вуглецевої сталі середньої та товстої товщини.