激光火焰復合切割，通常指的是 “激光氧氣切割” ，它是激光切割的一種主要工藝（另外兩種是激光熔化切割和激光氣化切割）。它不是指用“激光產生火焰”，而是指用激光作為熱源，并輔以純氧作為輔助氣體，在切割過程中引發金屬（主要是鋼鐵材料）的劇烈氧化燃燒反應（即“火焰”），利用化學反應熱能來大幅提升切割能力的一種復合工藝。

下面我們從幾個層面來詳細解釋其原理：

核心原理：激光 + 可控的金屬燃燒

1. 激光的角色（點火與維持）：

   · 高能量密度的激光束聚焦在工件表面，使被照射點金屬的溫度迅速升高到燃點（對于鐵，約1350°C）。

   · 激光束提供了一個持續、精確、高能量的熱源，不僅點燃反應，更重要的是維持反應區域處于高溫狀態。

2. 氧氣的角色（燃燒劑與清除劑）：

   · 一股高壓、高純度的氧氣流與激光束同軸噴射到被激光加熱的金屬點上。

   · 達到燃點的鐵（Fe）與氧氣（O?）發生劇烈的氧化放熱反應（燃燒）： 4Fe + 3O? → 2Fe?O? + 熱量

   · 這個反應釋放出大量的熱量（大約是激光自身能量的3-5倍?。?，這是“復合”能量的關鍵。這部分額外熱量極大地增強了總的熔化/氣化能力。

3. 復合協同過程：

   · 預熱與點火：激光先將局部金屬加熱到燃點。

   · 燃燒放熱：氧氣注入，金屬劇烈燃燒，產生遠高于激光自身能提供的熱量，迅速熔化甚至氣化金屬，并形成熔渣（主要為FeO和Fe?O?）。

   · 吹除與成形：高壓氧氣流的另一個重要作用是，像“風刀”一樣將反應生成的熔融金屬氧化物（熔渣）從切縫中猛烈地吹除，形成干凈、相對光滑的切割面。

   · 持續進行：激光束在前方移動，持續預熱新的區域，燃燒反應跟隨激光焦點向前和向下傳播，最終穿透工件并形成切割。

為何這種“復合”方式如此高效？（優勢）

1. 切割厚板能力極強：對于碳鋼（如低碳鋼），激光氧氣切割是切割中厚板（通常指6mm以上，可達30mm甚至更厚）性價比最高、速度最快的方法。純激光熔化切割（如用氮氣）需要完全依靠激光能量來熔化金屬，面對厚板時顯得力不從心。

2. 切割速度快：由于有金屬燃燒反應的化學能加成，總能量輸入遠高于單一激光能量，因此切割速度顯著快于同功率下的熔化切割。

3. 設備功率要求相對較低：要切割同樣厚度的碳鋼，激光氧氣切割所需的激光器功率可以比純激光熔化切割低很多，降低了設備成本和能耗。

4. 切割質量好：對于碳鋼厚板，能獲得垂直度好、掛渣較少（理想狀態下）的切割面。

工藝特點與局限性

1. 材料選擇性：

   · 主要適用于活性金屬：最典型、最理想的應用材料是碳鋼。

   · 不適用于不銹鋼、鋁、銅等：

     · 不銹鋼：其中的鉻（Cr）等元素會形成高熔點的氧化物（如Cr?O?），阻礙氧化反應持續進行，且熔渣粘稠不易吹走，導致切割面粗糙、掛渣嚴重。

     · 鋁、銅：其氧化物（Al?O?, CuO）熔點遠高于基體本身，會像一層硬殼覆蓋表面，阻止反應繼續進行，且對激光反射率高。

2. 切割面特征：

   · 由于是氧化反應，切口表面會有一層氧化層（類似發藍處理），且可能略顯粗糙（相比氮氣切割的亮面）。

   · 底部可能會有輕微的掛渣，需要通過工藝參數優化來最小化。

3. 熱影響區較大：劇烈的氧化反應會產生更多熱量，導致工件熱影響區比激光熔化切割更寬，工件整體熱變形可能稍大。

與其他切割工藝的對比

· vs. 純激光氮氣切割（熔化切割）：

  · 氮氣切割：靠激光熔化金屬，用高壓氮氣吹走熔融物。無氧化反應，切面光亮無氧化層，但速度慢、耗氣量大、成本高，適合不銹鋼、鋁等，對厚碳鋼不經濟。

  · 氧氣切割：有氧化反應加成，速度快、成本低，適合碳鋼，但切面有氧化層。

· vs. 傳統火焰切割（氧乙炔切割）：

  · 傳統火焰：靠火焰預熱，純氧燃燒切割。預熱慢、割縫寬、精度低、熱變形大。

  · 激光氧氣切割：用高能激光精準、快速預熱，割縫極窄（與激光光斑直徑相當）、精度高、坡度小、熱影響區小，是傳統火焰切割的現代化、高精度升級版。

總結

激光火焰復合（激光氧氣）切割機的核心原理，是利用高能激光束精確點燃并維持金屬（鐵）在純氧環境中的劇烈燃燒反應，將激光的熱能和金屬氧化的化學能結合起來，實現“1+1>2”的切割效果。 它完美地結合了激光的高精度、高聚焦優勢和氧氣燃燒的高效、低成本優勢，使其成為中厚碳鋼板材切割領域不可替代的主流工藝。