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氧氣在鋼材激光切割中的作用

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光切割時, 在切割區存在“輸入”能量及物質與“輸出”能量及物質的動態平衡。輸入到切割區的通常隻有激光能和加壓的切割氣噴氣流( 它可能與或不與工件起化學反應) 。本文隻考慮氧氣, 它可與鐵進行放熱反應。

切割區的輸出本質上更多, 更複雜, 可能包括切割區中產生的, 以及切割時噴射的固、液或氣態物質, 以及加壓切割氣噴氣流的廢氣。後者可能與或不與工件起化學反應( 即切割低碳鋼時, xFe+ yO→FexOy ) 。

1 在鋼材的激光氧氣切割中, 對切割區通過傳導產生的熱損耗分析

在激光切割過程中, 熱傳導損耗可通過型材吸收的熱量來測定。熱傳導損耗, 以W表示, 示於圖1。

 

圖1 令人驚異的特點是, 切割區能量損耗的實際值。所用的激光能量為800W, 但由傳導而致的熱損耗超過了這一數值, 而不是它的一部分。這裏, 能量的輸入與輸出不平衡的原因就在於氧在切割工藝中所起的作用。氧與低碳鋼和不鏽鋼中的元素結合, 同時釋放出相當多的熱量( 即, xFe+ yO →FexOy+ 熱量) 。

2 鐵的氧化

在CO2 激光- 氧氣鋼材切割過程中, 物質轉移的主要機理之一是與氧化作用相結合的熔化現象。一般性的概算表明( 作者實驗表明) , 在低碳鋼激光切割時, 約有一半離開切割區的鐵被氧化為FeO。據此, 可對這種放熱反應釋放的能量進行估算。這種能量有助於切割工藝, 並可同激光束一起產生切割線。當使用900W 的激光能量時, 氧化作用的平均熱量約為600W。

這種能量可由激光本身增加到900W,這也是輸入到切割工藝中的能量總和。正如前文所述, 當用800W 的激光能切割低碳鋼時, 切割區通過傳導的熱損耗在厚度超過2mm 時超過800W。因而, 顯而易見, 為了進行切割, 氧化過程一定要有可觀的熱量產生。這一結果表明, 氧化過程約提供了輸入到切割區40%的能量, 而激光提供了其餘的60%。對於不鏽鋼, 放出的平均氧化熱量約1200W。通常, 可以說, 由鐵的氧化作用產生的熱量提供了輸入到切割中能量的一半。

3 純度和速度

在獲得放熱能量的多少方麵, 氧氣純度起重要作用。激光氧氣切割對於氧氣噴氣流中雜質級別的微小變化顯示出令人驚異的高靈敏度。對於上麵給出的工藝一般可歸納出,如果雜質氣不引起任何負反應, 則用純度為98%的氧噴氣流進行切割與用97. 75% 的純噴氣流效果幾乎相同。但實驗表明, 不是這種情況, 並且用98%的氧氣可使切割速率降低超過50%。

 

圖2 所示是作為氧噴氣流純度函數的切割速率試驗結果。由圖中清楚表明, 當雜質含量升至10% 時, 切割過程受到顯著抑製。

氧化反應放出的熱量與切割速率之間有很大的關係, 盡管隨著純度降低切割速率下降比率更快。這可以用下麵的表1 來說明。

 

每件切割樣品的切割過程所放出的熱量。( 注: 800W的激光能與氧化作用放出的熱量一起作為輸入切割區的總能量)

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