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1、低温与特气1997Ä433氧气在钢材激光切割中的作用AIvarson讨论了在激光氧气切割中出现的热传导损耗问题,由热传导损耗引起的与氧气有关的问题,以及氧气在切割工艺中的作用。也说明了氧气压力及氧气纯度在该工艺中所起的重要作用。关键词:氧气切割作用激光切割时,在切割区存在“输入”能图1令人惊异的特点是,切割区能量损量及物质与“输出”能量及物质的动态平衡。耗的实际值。所用的激光能量为800W,但由输入到切割区的通常只有激光能和加压的切传导而致的热损耗超过了这一数值,而不是割气喷气流(它可能与或不与工
2、件起化学反它的一部分。这里,能量的输入与输出不平应)。本文只考虑氧气,它可与铁进行放热反衡的原因就在于氧在切割工艺中所起的作应。用。氧与低碳钢和不锈钢中的元素结合,同切割区的输出本质上更多,更复杂,可时释放出相当多的热量(即,xFe+yO→能包括切割区中产生的,以及切割时喷射的FexOy+热量)。固、液或气态物质,以及加压切割气喷气流2铁的氧化的废气。后者可能与或不与工件起化学反应(即切割低碳钢时,xFe+yO→FexOy)。在CO2激光-氧气钢材切割过程中,物质转移的主要机理之一是与氧化作用相结
3、合1在钢材的激光氧气切割中,对的熔化现象。一般性的概算表明(作者实验切割区通过传导产生的热损表明),在低碳钢激光切割时,约有一半离开耗分析切割区的铁被氧化为FeO。据此,可对这种放热反应释放的能量进行估算。这种能量有在激光切割过程中,热传导损耗可通过助于切割工艺,并可同激光束一起产生切割型材吸收的热量来测定。热传导损耗,以W线。当使用900W的激光能量时,氧化作用的表示,示于图1。平均热量约为600W。这种能量可由激光本身增加到900W,这也是输入到切割工艺中的能量总和。正如前文所述,当用800W
4、的激光能切割低碳钢时,切割区通过传导的热损耗在厚度超过2mm时超过800W。因而,显而易见,为了进行切割,氧化过程一定要有可观的热量产生。这一结果表明,氧化过程约提供了输入图1随低碳钢和不锈钢材料厚度而变的热传导损到切割区40%的能量,而激光提供了其余的耗(以W表示)。60%。对于不锈钢,放出的平均氧化热量约34低温与特气1997Ä41200W。通常,可以说,由铁的氧化作用产生能量)的热量提供了输入到切割中能量的一半。4边界层形成3纯度和速度在获得放热能量的多少方面,氧气纯度如果氧气流受到其它气体
5、的污染,则在起重要作用。激光氧气切割对于氧气喷气流氧气输送中会产生不利影响,这会阻止氧化中杂质级别的微小变化显示出令人惊异的高反应。当氧气与铁起氧化反应而优先消耗时,灵敏度。对于上面给出的工艺一般可归纳出,氮气就留在界面4(切割面)并开始形成如图如果杂质气不引起任何负反应,则用纯度为3所示的边界层。98%的氧喷气流进行切割与用97.75%的纯喷气流效果几乎相同。但实验表明,不是这种情况,并且用98%的氧气可使切割速率降低超过50%。图2所示是作为氧喷气流纯度函数的切割速率试验结果。由图中清楚表明,
6、当杂质含量升至10%时,切割过程受到显著抑制。图3在切割区气一液界面上形成氮阻挡层的示意图该边界层厚度为D,它对氧进入铁中的扩散速率有直接影响。图4给出边界层厚度对O2扩散速率的影响。扩散速率的显著降低对氧化反应速率有直接影响,因而也影响了反应向切割区提供的热量。在激光切割情况下,D实际值的确定十图2对于2.0mm厚的低碳钢,作为氧气纯度函数分困难,但是如果氧切割喷气流受到污染,则的切割速率可以肯定,D会快速增长。氧化反应放出的热量与切割速率之间有很大的关系,尽管随着纯度降低切割速率下降比率更快。
7、这可以用下面的表1来说明。表1切割氧气放出热量放出热采样速率纯度/%W量比较/%m/minA99.9985.7806100B99.755.0474993C99.54.571489D99.03.659574图4边界层厚度(D)对氧气扩散速率的影响,jO2E98.02.7647959F97.02.143954由此可得出以下结论:G95.01.2325401.切割速率与氧化反应速率有关。H93.00.921126I90.00.7242302.反应速率与O2扩散速率成正比。每件切割样品的切割过程所放出的热
8、量。(注:800W3.扩散速率与氮阻挡层厚度成反比。的激光能与氧化作用放出的热量一起作为输入切割区的总4.阻挡层厚度与“氮累积率”成正比。低温与特气1997Ä4355.如果希望有高速率的切割则必须使～E表示。用高纯度的氧,同时也会获得高质量的切割。在A区中,对于高质量切割来说,氧气压力太低,在低碳钢切割中,有效切割面的5优质切割区确定有赖于两个因素:(1)在切割面必须有足够的氧气供给铁的氧化反应;(2)在切割区范围之外的熔化材料的质量流由氧喷气流影响切割工艺的不仅仅是氧的纯度,氧的
