Nguyên lý hoạt động của máy cắt lai laser-oxy nhiên liệu

Cắt composite bằng ngọn lửa laser thường đề cập đến “cắt oxy bằng laser"Cắt bằng laser nóng chảy" là một trong những quy trình cắt laser chính (hai quy trình còn lại là cắt bằng laser nóng chảy và cắt bằng laser hóa hơi). Nó không có nghĩa là "ngọn lửa do laser tạo ra", mà là một quy trình lai sử dụng laser làm nguồn nhiệt, được bổ sung bởi oxy tinh khiết làm khí hỗ trợ, để khởi phát phản ứng oxy hóa đốt cháy mạnh mẽ (tức là "ngọn lửa") trong kim loại (chủ yếu là vật liệu thép) trong quá trình cắt. Quy trình này tận dụng năng lượng nhiệt từ phản ứng hóa học để tăng cường đáng kể hiệu suất cắt.

Tiếp theo, chúng ta sẽ giải thích nguyên lý của nó một cách chi tiết từ nhiều khía cạnh khác nhau:

Nguyên lý cốt lõi: Sự cháy kim loại có kiểm soát bằng laser

1. Vai trò của laser (khởi phát và duy trì):

• Một chùm tia laser có mật độ năng lượng cao được hội tụ vào bề mặt phôi, khiến nhiệt độ của kim loại bị chiếu xạ nhanh chóng tăng lên đến điểm bắt lửa của nó (khoảng 1350°C đối với sắt).
• Tia laser cung cấp nguồn nhiệt liên tục, chính xác và năng lượng cao, không chỉ kích hoạt phản ứng mà quan trọng hơn là duy trì khu vực phản ứng ở nhiệt độ cao.

2. Vai trò của oxy (chất xúc tác cháy và chất hấp thụ):

• Một dòng khí oxy áp suất cao, độ tinh khiết cao được phun đồng trục với chùm tia laser vào điểm kim loại được nung nóng bởi laser.
• Sắt (Fe) đạt đến điểm bắt lửa và oxy (O₂) trải qua phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt mạnh (phản ứng cháy): 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, nhiệt lượng
• Phản ứng này giải phóng một lượng nhiệt lớn (khoảng 3-5 lần năng lượng của chính tia laser!), đây là chìa khóa để tạo ra năng lượng "hợp chất". Lượng nhiệt bổ sung này làm tăng đáng kể khả năng nóng chảy/hóa khí tổng thể.

3. Quy trình hợp tác tổng hợp:

• Làm nóng sơ bộ và đánh lửa: Tia laser trước tiên làm nóng kim loại cục bộ đến điểm đánh lửa.
• Phản ứng cháy tỏa nhiệt: khi bơm oxy vào, kim loại cháy dữ dội, tạo ra nhiệt lượng cao hơn nhiều so với nhiệt lượng mà bản thân tia laser có thể cung cấp, làm tan chảy hoặc thậm chí oxy hóa kim loại nhanh chóng và tạo thành xỉ (chủ yếu là FeO và Fe3O4).
• Thổi và tạo hình: Một vai trò quan trọng khác của dòng khí oxy áp suất cao là thổi mạnh oxit kim loại nóng chảy (xỉ) được tạo ra từ phản ứng của đường cắt như một "dao khí" để tạo thành bề mặt cắt sạch, tương đối nhẵn.

Chế độ liên tục: Tia laser di chuyển phía trước, liên tục làm nóng trước khu vực cần xử lý, và phản ứng đốt cháy diễn ra theo hướng tiêu điểm laser về phía trước và xuống dưới, cuối cùng xuyên qua phôi và tạo thành vết cắt.

Phương pháp "phối hợp" này hiệu quả như thế nào? (Ưu điểm)

1. Khả năng cắt tấm dày vượt trội:Đối với thép cacbon (như thép cacbon thấp), cắt bằng laser oxy là phương pháp tiết kiệm chi phí và nhanh nhất để cắt các tấm có độ dày trung bình và dày (thường hơn 6mm, lên đến 30mm hoặc thậm chí dày hơn). Cắt bằng laser nóng chảy thuần túy (như với nitơ) cần hoàn toàn dựa vào năng lượng laser để làm nóng chảy kim loại, bề mặt của tấm dày dường như không đủ khả năng.

2. Tốc độ cắt nhanh:Do sự bổ sung năng lượng hóa học từ phản ứng đốt cháy kim loại, tổng năng lượng đầu vào cao hơn nhiều so với năng lượng của một tia laser đơn lẻ, do đó tốc độ cắt nhanh hơn đáng kể so với cắt nóng chảy ở cùng công suất.

3Nhu cầu điện năng của thiết bị tương đối thấp:Để cắt cùng loại thép carbon, công suất laser cần thiết cho phương pháp cắt bằng laser oxy có thể thấp hơn nhiều so với phương pháp cắt bằng laser nóng chảy thuần túy, giúp giảm chi phí thiết bị và tiêu thụ năng lượng.

4. Chất lượng cắt tốt:Đối với các tấm thép cacbon dày, có thể thu được bề mặt cắt có độ thẳng đứng tốt và ít xỉ (trạng thái lý tưởng).

Đặc điểm và hạn chế của quy trình

1. Tính chọn lọc vật liệu:

• Chủ yếu dùng cho các kim loại phản ứng mạnh: Vật liệu ứng dụng điển hình và lý tưởng nhất là thép cacbon.

• Không thích hợp cho thép không gỉ, nhôm, đồng, v.v.
• Thép không gỉ: crom (Cr) và các nguyên tố khác sẽ tạo thành oxit có điểm nóng chảy cao (như Cr2O3), cản trở phản ứng oxy hóa tiếp diễn, khiến xỉ khó thổi bay, dẫn đến bề mặt cắt thô ráp và hiện tượng bám xỉ nghiêm trọng.
• Nhôm và đồng: điểm nóng chảy của các oxit của chúng (Al2O3, CuO) cao hơn nhiều so với điểm nóng chảy của chính chất nền, bao phủ bề mặt như một lớp vỏ cứng, ngăn cản phản ứng tiếp diễn và có độ phản xạ cao với tia laser.

2. Đặc điểm của bề mặt cắt:

• Do phản ứng oxy hóa, bề mặt vết cắt sẽ có một lớp oxit (tương tự như phương pháp làm xanh kim loại) và có thể hơi nhám (so với mặt sáng bóng của vết cắt bằng nitơ).
• Có thể có một lượng nhỏ xỉ lắng đọng ở đáy, cần phải giảm thiểu lượng xỉ này bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình.

3. Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn:Phản ứng oxy hóa mạnh sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn, dẫn đến vùng ảnh hưởng nhiệt của phôi rộng hơn so với quá trình nóng chảy và cắt bằng laser, và biến dạng nhiệt tổng thể của phôi có thể lớn hơn một chút.

So sánh với các quy trình cắt khác

So với cắt bằng laser nitơ nguyên chất (cắt nóng chảy):

• Cắt bằng khí nitơ: bằng cách nung chảy kim loại bằng laser, sau đó thổi bay phần kim loại nóng chảy bằng khí nitơ áp suất cao. Không có phản ứng oxy hóa, mặt cắt sáng bóng và không có lớp oxit, nhưng tốc độ chậm, tiêu thụ khí lớn và chi phí cao. Phương pháp này thích hợp cho thép không gỉ, nhôm, v.v., và không kinh tế đối với thép carbon dày.
• Cắt bằng oxy: phản ứng oxy hóa, tốc độ nhanh, chi phí thấp, thích hợp cho thép cacbon, nhưng tiết diện có lớp oxit.

So với phương pháp cắt bằng ngọn lửa truyền thống (cắt bằng oxy-axetylen):

• Phương pháp cắt bằng ngọn lửa truyền thống: sử dụng ngọn lửa để làm nóng trước và cắt bằng cách đốt cháy oxy tinh khiết. Phương pháp này làm nóng chậm, khe cắt rộng, độ chính xác thấp và biến dạng nhiệt lớn.
• Cắt bằng laser oxy: với độ chính xác cao của laser năng lượng cao, làm nóng nhanh, đường cắt rất hẹp (và đường kính điểm laser), độ chính xác cao, nhỏ gọn.
• Độ dốc thấp, tác động nhiệt nhỏ, là phiên bản nâng cấp hiện đại hóa, độ chính xác cao của phương pháp cắt bằng ngọn lửa truyền thống.

Bản tóm tắt

Nguyên lý cốt lõi của máy cắt hỗn hợp ngọn lửa laser (laser oxy) là sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để đốt cháy và duy trì chính xác phản ứng cháy mạnh của kim loại (sắt) trong môi trường oxy tinh khiết, kết hợp năng lượng nhiệt của laser với năng lượng hóa học của quá trình oxy hóa kim loại để đạt được hiệu quả cắt “1 1>2”. Nó kết hợp hoàn hảo ưu điểm về độ chính xác cao và khả năng tập trung cao của laser với ưu điểm về hiệu quả cao và chi phí thấp của quá trình đốt cháy bằng oxy, trở thành một quy trình chủ đạo không thể thiếu trong lĩnh vực cắt thép tấm cacbon trung bình và dày.