Princippet for laser-oxyfuel hybridskæremaskine

Laserflammeskæring af kompositmaterialer refererer normalt til "laser oxygenskæring", som er en af ​​de vigtigste laserskæringsprocesser (de to andre er lasersmelteskæring og laserfordampningsskæring). Det betyder ikke "lasergenereret flamme", men snarere en hybridproces, der bruger en laser som varmekilde suppleret med ren ilt som hjælpegas til at starte en kraftig oxidationsforbrændingsreaktion (dvs. "flamme") i metaller (primært stålmaterialer) under skæreprocessen. Denne proces udnytter den termiske energi fra den kemiske reaktion til at forbedre skæreydelsen betydeligt.

Dernæst vil vi forklare dens princip i detaljer fra flere perspektiver:

Kerneprincip: Laserinduceret kontrolleret metalforbrænding

1. Laserens rolle (tænding og vedligeholdelse):

• En laserstråle med høj energitæthed fokuseres på emnets overflade, hvilket får temperaturen af ​​det bestrålede metal til hurtigt at stige til dets antændelsespunkt (ca. 1350 °C for jern).
• Laserstrålen leverer en kontinuerlig, præcis varmekilde med høj energi, der ikke blot antænder reaktionen, men endnu vigtigere holder reaktionsområdet ved en høj temperatur.

2. Iltens rolle (forbrændingsmiddel og opsamlingsmiddel):

• En strøm af højtryks-ilt med høj renhed injiceres koaksialt sammen med laserstrålen på det metalpunkt, der opvarmes af laseren.
• Jernet (Fe), der når antændelsespunktet, og ilten (O₂) gennemgår en voldsom oxidationsreaktion (forbrænding): 4Fe3O₂ → 2Fe2O, varme
• Denne reaktion frigiver en masse varme (cirka 3-5 gange laserens egen energi!). Dette er nøglen til "sammensat" energi. Denne ekstra varme forbedrer den samlede smelte-/forgasningskapacitet betydeligt.

3. Sammensat samarbejdsproces:

• Forvarmning og antændelse: Laseren opvarmer først det lokale metal til antændelsespunktet.
• Forbrænding eksotermisk: iltindsprøjtning, metallet brænder voldsomt og genererer meget højere varme, end laseren selv kan give, hvilket hurtigt smelter eller endda oxiderer metallet og danner slagge (primært FeO og Fe3o4).
• Blæsning og formning: En anden vigtig rolle for højtryks-iltgasstrømmen er at blæse det smeltede metaloxid (slagge), der genereres ved reaktionen, voldsomt fra skæresømmen som en "luftkniv" for at danne en ren, relativt glat skæreoverflade.

Kontinuerlig: Laserstrålen bevæger sig foran, forvarmer kontinuerligt det nye område, og forbrændingsreaktionen følger laserfokus fremad og nedad og trænger til sidst ind i emnet og danner et snit.

Hvordan er denne "sammensatte" tilgang så effektiv? (Fordel)

1. Stærk evne til at skære tykke plader:For kulstofstål (såsom lavkulstofstål) er laseroxygenskæring den mest omkostningseffektive og hurtigste metode til at skære mellemstore og tykke plader (normalt mere end 6 mm, op til 30 mm eller endda tykkere). Ren lasersmelteskæring (såsom med nitrogen) skal udelukkende være afhængig af laserenergi for at smelte metallet, og overfladen på en tyk plade synes at være utilstrækkelig.

2. Hurtig skærehastighed:På grund af tilsætningen af ​​kemisk energi fra metalforbrændingsreaktionen er den samlede energitilførsel meget højere end for en enkelt laser, så skærehastigheden er betydeligt hurtigere end smelteskæring med samme effekt.

3Udstyrets strømforbrug er relativt lavt:For at skære det samme kulstofstål kan den lasereffekt, der kræves til laseroxygenskæring, være meget lavere end for ren lasersmelteskæring, hvilket reducerer udstyrsomkostninger og energiforbrug.

4. God skærekvalitet:For tykke plader af kulstofstål kan der opnås en skæreflade med god vertikalitet og mindre slagge (ideel tilstand).

Procesegenskaber og begrænsninger

1. Materialeselektivitet:

• Primært til reaktive metaller: Det mest typiske og ideelle anvendelsesmateriale er kulstofstål.

• Ikke egnet til rustfrit stål, aluminium, kobber osv.:
• Rustfrit stål: Krom (Cr) og andre elementer vil danne oxider med højt smeltepunkt (såsom Cr2O3), som hindrer oxidationsreaktionen i at fortsætte, og slaggen blæses ikke let væk, hvilket resulterer i en ru skæreoverflade og alvorlig slaggeophængning.
• Aluminium og kobber: Smeltepunktet for dets oxider (Al₂O₃,CuO) er meget højere end for selve substratet, hvilket dækker overfladen som en hård skal, forhindrer reaktionen i at fortsætte og har høj reflektionsevne over for laser.

2. Skærefladens egenskaber:

• På grund af oxidationsreaktionen vil overfladen af ​​snittet have et oxidlag (svarende til blånelsesbehandlingen) og kan være en smule ru (sammenlignet med den lyse side af nitrogensnittet).
• Der kan være en smule slagge hængende i bunden, hvilket skal minimeres ved at optimere procesparametrene.

3. Den varmepåvirkede zone er større:Den voldsomme oxidationsreaktion vil generere mere varme, hvilket resulterer i, at emnets varmepåvirkede zone bliver bredere end lasersmeltningen og -skæringen, og den samlede termiske deformation af emnet kan være en smule større.

Sammenligning med andre skæreprocesser

VS. Ren lasernitrogenskæring (smelteskæring):

• Nitrogenskæring: Ved lasersmeltning af metal, hvor smelten blæses væk med højtryksnitrogen. Der er ingen oxidationsreaktion, sektionen er blank og intet oxidlag, men hastigheden er lav, gasforbruget er stort og omkostningerne er høje. Det er velegnet til rustfrit stål, aluminium osv., og det er ikke økonomisk for tykt kulstofstål.
• Oxygenskæring: oxidationsreaktion, hurtig hastighed, lav pris, egnet til kulstofstål, men sektionen har et oxidlag.

VS. Traditionel flammeskæring (oxyacetylenskæring):

• Traditionel flamme: ved flammeforvarmning, skæring med ren iltforbrænding. Langsom forvarmning, bred spalte, lav præcision og stor termisk deformation.
• Laseroxygenskæring: med højenergilaserpræcision, hurtig forvarmning, skæresømmen er meget smal (og laserpunktdiameter), høj præcision, lille
• ll hældning, lille termisk påvirkning, er den traditionelle flammeskæringsmodernisering, højpræcisionsopgraderingsversion.

Oversigt

Kerneprincippet bag laserflammekomposit (laseroxygen) skæremaskinen er at bruge en højenergilaserstråle til præcist at antænde og opretholde den voldsomme forbrændingsreaktion af metal (jern) i et rent oxygenmiljø og kombinere laserens termiske energi med den kemiske energi fra metaloxidation for at opnå en "1 1> 2" skæreeffekt. Den kombinerer perfekt fordelene ved høj præcision og høj laserfokus med fordelene ved høj effektivitet og lave omkostninger ved oxygenforbrænding, hvilket gør den til en uerstattelig mainstream-proces inden for skæring af mellemtykke og tykke kulstofstålplader.