Laser-happipolttoainehybridileikkauskoneen periaate

Laserliekkikomposiittileikkaus viittaa yleensä "laserhappileikkaus”, joka on yksi tärkeimmistä laserleikkausprosesseista (kaksi muuta ovat lasersulatusleikkaus ja laserhöyrystysleikkaus). Se ei tarkoita ”laserilla tuotettua liekkiä”, vaan pikemminkin hybridiprosessia, jossa laseria käytetään lämmönlähteenä ja puhdasta happea apukaasuna voimakkaan hapettumispalamisreaktion (eli ”liekin”) käynnistämiseksi metalleissa (pääasiassa teräsmateriaaleissa) leikkausprosessin aikana. Tämä prosessi hyödyntää kemiallisen reaktion lämpöenergiaa leikkaustehon merkittäväksi parantamiseksi.

Seuraavaksi selitämme sen periaatetta yksityiskohtaisesti useista näkökulmista:

Ydinperiaate: Laserilla indusoitu kontrolloitu metallin palaminen

1. Laserin rooli (sytytys ja ylläpito):

• Suurienerginen lasersäde kohdistetaan työkappaleen pintaan, jolloin säteilytetyn metallin lämpötila nousee nopeasti syttymispisteeseensä (noin 1350 °C raudalle).
• Lasersäde tarjoaa jatkuvan, tarkan ja tehokkaan lämmönlähteen, joka ei ainoastaan ​​sytytä reaktiota, vaan mikä tärkeämpää, pitää reaktioalueen korkeassa lämpötilassa.

2. Hapen rooli (palamisaine ja puhdistaja):

• Yksi korkeapaineisen, erittäin puhtaan hapen virta ruiskutetaan koaksiaalisesti lasersäteen kanssa laserin lämmittämään metallipisteeseen.
• Syttymispisteeseen saavuttava rauta (Fe) ja happi (O₂) käyvät läpi voimakkaan hapettumisreaktion, eksotermisen reaktion (palamisen): 4Fe3O₂ → 2Fe2O, lämpö
• Tämä reaktio vapauttaa paljon lämpöä (noin 3–5 kertaa laserin itsensä energian!). Tämä on avain "yhdistelmäenergiaan". Tämä lisälämpö parantaa huomattavasti kokonaissulatus-/kaasutuskapasiteettia.

3. Yhdistetty yhteistyöprosessi:

• Esilämmitys ja sytytys: Laser lämmittää ensin paikallisen metallin sytytyspisteeseen.
• Eksoterminen palaminen: hapen ruiskutus, metalli palaa voimakkaasti ja tuottaa paljon suurempaa lämpöä kuin mitä laser itse pystyy tuottamaan, sulattaa tai jopa hapettaa metallin nopeasti ja muodostaa kuonaa (pääasiassa FeO:ta ja Fe3O4:ää).
• Puhallus ja muovaus: Korkeapaineisen happikaasuvirtauksen toinen tärkeä tehtävä on puhaltaa reaktiossa syntyvää sulaa metallioksidia (kuonaa) voimakkaasti leikkaussaumasta kuin "ilmaveitsi", jolloin muodostuu puhdas ja suhteellisen sileä leikkauspinta.

Jatkuva: Lasersäde liikkuu eteenpäin, esilämmittää jatkuvasti uutta aluetta, ja palamisreaktio seuraa laserin tarkennusta eteen- ja alaspäin ja lopulta tunkeutuu työkappaleeseen muodostaen leikkauksen.

Miten tämä "yhdistelmälähestymistapa" on niin tehokas? (Etu)

1. Vahva kyky leikata paksuja levyjä:Hiiliteräkselle (kuten vähähiiliselle teräkselle) laserleikkaus on kustannustehokkain ja nopein menetelmä keskipaksujen ja paksujen levyjen (yleensä yli 6 mm, jopa 30 mm tai jopa paksumpien) leikkaamiseen. Puhtaassa lasersulatusleikkauksessa (kuten typellä) metallin sulattamiseen tarvitaan kokonaan laserenergiaa, joten paksun levyn pinta ei näytä olevan riittävä.

2. Nopea leikkausnopeus:Metallin palamisreaktion kemiallisen energian lisäämisen vuoksi kokonaisenergiansyöttö on paljon suurempi kuin yksittäisen laserin energian, joten leikkausnopeus on huomattavasti nopeampi kuin sulatusleikkaus samalla teholla.

3Laitteiden tehovaatimukset ovat suhteellisen alhaiset:Saman hiiliteräksen leikkaamiseen laserhappileikkaukseen tarvittava laserteho voi olla paljon pienempi kuin puhtaassa lasersulatusleikkauksessa, mikä vähentää laitekustannuksia ja energiankulutusta.

4. Hyvä leikkauslaatu:Hiiliteräksestä valmistetuille paksuille levyille voidaan saada leikkauspinta, jolla on hyvä pystysuuntaisuus ja vähemmän kuonaa (ihanteellinen tila).

Prosessin ominaisuudet ja rajoitukset

1. Materiaalinen selektiivisyys:

• Ensisijaisesti reaktiivisille metalleille: Tyypillisin ja ihanteellisin käyttömateriaali on hiiliteräs.

• Ei sovellu ruostumattomalle teräkselle, alumiinille, kuparille jne.:
• Ruostumaton teräs: kromi (Cr) ja muut alkuaineet muodostavat korkean sulamispisteen omaavia oksideja (kuten Cr2O3), jotka estävät hapettumisreaktion jatkumisen, eikä kuonaa ole helppo puhaltaa pois, mikä johtaa karkeaan leikkauspintaan ja vakavaan kuonakertymään.
• Alumiini ja kupari: niiden oksidien (Al2O3, CuO) sulamispiste on paljon korkeampi kuin itse substraatin, mikä peittää pinnan kovan kuoren tavoin estäen reaktion jatkumisen ja heijastaa laseria tehokkaasti.

2. Leikkauspinnan ominaisuudet:

• Hapettumisreaktion vuoksi leikkauksen pinnalla on oksidikerros (samanlainen kuin sinistyskäsittelyssä) ja se voi olla hieman karhea (verrattuna typpileikkauksen kirkkaaseen puoleen).
• Pohjalla saattaa olla hieman kuonaa, joka on minimoitava optimoimalla prosessiparametreja.

3. Lämpövaikutusalue on suurempi:Voimakas hapettumisreaktio tuottaa enemmän lämpöä, minkä seurauksena työkappaleen lämpövaikutusalue on leveämpi kuin lasersulatuksessa ja -leikkauksessa, ja työkappaleen kokonaislämpömuodonmuutos voi olla hieman suurempi.

Vertailu muihin leikkausprosesseihin

VS. Puhdas lasertyppileikkaus (sulatusleikkaus):

• Typpileikkaus: Lasersulattamalla metallia puhalletaan pois korkeapaineisella typellä. Ei hapettumisreaktiota, poikkileikkaus on kirkas eikä oksidikerrosta ole, mutta nopeus on hidas, kaasunkulutus on suuri ja kustannukset ovat korkeat. Soveltuu ruostumattomalle teräkselle, alumiinille jne., eikä se ole taloudellinen paksulle hiiliteräkselle.
• Happileikkaus: hapetusreaktion lisäys, nopea nopeus, edullinen, sopii hiiliteräkselle, mutta poikkileikkauksessa on oksidikerros.

VS. Perinteinen liekkileikkaus (oksiasetyleenileikkaus):

• Perinteinen liekki: liekin esilämmitys, puhtaan hapen polttoleikkaus. Hidas esilämmitys, leveä rako, alhainen tarkkuus ja suuri lämpömuodonmuutos.
• Laserhappileikkaus: korkeaenergisellä lasertarkkuudella, nopealla esilämmityksellä, leikkaussauma on erittäin kapea (ja laserpisteen halkaisija), korkea tarkkuus, pieni
• ll-kaltevuus, pieni lämpövaikutus, on perinteinen liekkileikkauksen modernisointi, erittäin tarkka päivitysversio.

Yhteenveto

Laserliekkikomposiitti- (laserhappi) leikkauskoneen ydinperiaate on käyttää korkeaenergistä lasersädettä metallin (raudan) voimakkaan palamisreaktion tarkkaan sytyttämiseen ja ylläpitämiseen puhtaassa happiympäristössä sekä yhdistää laserin lämpöenergia metallin hapettumisen kemialliseen energiaan, jolloin saavutetaan "1 1>2" leikkausvaikutus. Se yhdistää täydellisesti laserin korkean tarkkuuden ja korkean fokusoinnin edut happipolton korkeaan hyötysuhteeseen ja alhaisiin kustannuksiin, mikä tekee siitä korvaamattoman valtavirran prosessin keskipaksujen ja paksujen hiiliteräslevyjen leikkauksessa.