레이저-산소연료 하이브리드 절단기의 원리

레이저 화염 복합재 절단은 일반적으로 "레이저 산소 절단레이저 절단 공정의 주요 유형 중 하나인 "산화-연소(O2-O2)"는 (다른 두 가지는 레이저 용융 절단과 레이저 증발 절단입니다.) "O2-O2"는 "레이저로 생성된 화염"을 의미하는 것이 아니라, 레이저를 열원으로 사용하고 순수 산소를 보조 가스로 사용하여 절단 과정에서 금속(주로 강철) 내에서 강력한 산화 연소 반응(즉, "화염")을 발생시키는 하이브리드 공정입니다. 이 공정은 화학 반응에서 발생하는 열에너지를 활용하여 절단 성능을 크게 향상시킵니다.

다음으로, 여러 관점에서 그 원리를 자세히 설명하겠습니다.

핵심 원리: 레이저 유도 제어 금속 연소

1. 레이저의 역할(점화 및 유지 관리):

• 고에너지 밀도의 레이저 빔이 공작물 표면에 집중되면 조사된 금속의 온도가 발화점(철의 경우 약 1350°C)까지 급격히 상승합니다.
• 레이저 빔은 반응을 점화시킬 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 반응 영역을 고온으로 유지하는 데 필요한 지속적이고 정밀하며 고에너지의 열원을 제공합니다.

2. 산소의 역할 (연소 촉진제 및 가스 제거제):

• 고압, 고순도 산소 기류 1개가 레이저 빔과 동축으로 레이저에 의해 가열된 금속 지점에 주입됩니다.
• 발화점에 도달한 철(Fe)과 산소(O₂)는 격렬한 산화 발열 반응(연소)을 일으킵니다: 4Fe 3O₂ → 2Fe2O, 열 발생
• 이 반응은 엄청난 열(레이저 자체 에너지의 약 3~5배!)을 방출합니다. 이것이 바로 "복합" 에너지의 핵심입니다. 이 추가적인 열은 전체적인 용융/기화 능력을 크게 향상시킵니다.

3. 복합적인 협업 프로세스:

• 예열 및 점화: 레이저는 먼저 해당 금속 표면을 점화점까지 가열합니다.
• 연소는 발열 반응입니다. 산소가 주입되면 금속이 격렬하게 연소하여 레이저 자체에서 제공할 수 있는 열보다 훨씬 높은 열을 발생시키고, 금속을 빠르게 녹이거나 산화시키며, 슬래그(주로 FeO 및 Fe3O4)를 형성합니다.
• 송풍 및 성형: 고압 산소 가스 흐름의 또 다른 중요한 역할은 절삭 이음매에서 반응으로 생성된 용융 금속 산화물(슬래그)을 마치 "에어 나이프"처럼 격렬하게 불어내어 깨끗하고 비교적 매끄러운 절삭면을 형성하는 것입니다.

연속식: 레이저 빔이 앞쪽으로 이동하면서 새로운 영역을 지속적으로 예열하고, 연소 반응은 레이저 초점을 따라 앞쪽과 아래쪽으로 진행하여 최종적으로 공작물을 관통하고 절단면을 형성합니다.

이러한 "복합" 접근 방식이 어떻게 그렇게 효율적일까요? (장점)

1. 두꺼운 판재를 절단하는 뛰어난 능력:탄소강(저탄소강 등)의 경우, 레이저 산소 절단은 중간 및 두꺼운 판재(일반적으로 6mm 이상, 최대 30mm 또는 그 이상)를 절단하는 데 가장 비용 효율적이고 빠른 방법입니다. 순수 레이저 용융 절단(예: 질소 사용)은 금속을 녹이기 위해 전적으로 레이저 에너지에 의존해야 하므로 두꺼운 판재의 표면 절단에는 적합하지 않은 것으로 나타났습니다.

2. 빠른 절단 속도:금속 연소 반응의 화학 에너지가 추가됨에 따라 총 에너지 투입량이 단일 레이저 에너지보다 훨씬 높아지므로 동일한 출력에서 ​​용융 절단보다 절단 속도가 훨씬 빠릅니다.

3장비의 전력 요구량은 비교적 낮습니다.동일한 탄소강을 절단하는 데 있어 레이저 산소 절단에 필요한 레이저 출력은 순수 레이저 용융 절단보다 훨씬 낮을 수 있어 장비 비용과 에너지 소비를 절감할 수 있습니다.

4. 우수한 절삭 품질:탄소강 후판의 경우, 수직도가 우수하고 슬래그가 적은 절단면(이상적인 상태)을 얻을 수 있습니다.

공정 특성 및 한계

1. 재료 선택성:

• 주로 반응성이 높은 금속에 사용되며, 가장 일반적이고 이상적인 적용 재료는 탄소강입니다.

• 스테인리스강, 알루미늄, 구리 등에는 적합하지 않습니다.
• 스테인리스강의 경우, 크롬(Cr) 및 기타 원소들이 고융점 산화물(예: Cr2O3)을 형성하여 산화 반응의 진행을 방해하고 슬래그가 잘 날아가지 않아 절단면이 거칠어지고 슬래그가 심하게 쌓입니다.
• 알루미늄과 구리: 이들의 산화물(Al2O3, CuO)의 융점은 기판 자체의 융점보다 훨씬 높아 표면을 단단한 껍질처럼 덮어 반응이 계속되는 것을 방지하고 레이저에 대한 높은 반사율을 나타냅니다.

2. 절삭면의 특징:

• 산화 반응으로 인해 절단면 표면에 산화층이 형성되며(청색 처리와 유사), 질소 도금 처리된 표면의 밝은 면에 비해 약간 거칠어질 수 있습니다.
• 바닥에 약간의 슬래그가 남아 있을 수 있는데, 이는 공정 매개변수를 최적화하여 최소화해야 합니다.

3. 열영향부가 더 넓습니다.격렬한 산화 반응은 더 많은 열을 발생시켜 공작물의 열영향부가 레이저 용융 및 절단보다 넓어지고, 공작물의 전체적인 열 변형이 약간 더 커질 수 있습니다.

다른 절삭 공정과의 비교

VS. 순수 레이저 질소 절단(용융 절단):

• 질소 절단: 레이저로 금속을 녹인 후 고압 질소로 용융물을 불어내는 방식입니다. 산화 반응이 없어 절단면이 깨끗하고 산화층이 생기지 않지만, 절단 속도가 느리고 가스 소모량이 많아 비용이 높습니다. 스테인리스강, 알루미늄 등에 적합하며, 두꺼운 탄소강에는 경제적이지 않습니다.
• 산소 절단: 산화 반응 첨가, 빠른 속도, 저렴한 비용, 탄소강에 적합하나, 절단면에 산화층이 있는 경우.

VS. 기존 화염 절단(산소아세틸렌 절단):

• 전통적인 화염 절단 방식: 화염 예열, 순수 산소 연소 절단. 예열 속도가 느리고, 절단면이 넓으며, 정밀도가 낮고 열 변형이 큽니다.
• 레이저 산소 절단: 고에너지 레이저의 정밀도, 빠른 예열, 매우 좁은 절단면(및 레이저 스팟 직경), 높은 정밀도, 작은 크기
• 경사각이 작고 열 충격이 적으며, 전통적인 화염 절단 방식을 현대화하고 정밀도를 높인 업그레이드 버전입니다.

요약

레이저 화염 복합(레이저 산소) 절단기의 핵심 원리는 고에너지 레이저 빔을 사용하여 순수 산소 환경에서 금속(철)의 격렬한 연소 반응을 정밀하게 점화 및 유지하고, 레이저의 열에너지와 금속 산화의 화학에너지를 결합하여 "1:1>2" 절단 효과를 구현하는 것입니다. 이 기술은 레이저의 고정밀 및 고집중 특성과 산소 연소의 고효율 및 저비용 특성을 완벽하게 결합하여 중후판 탄소강판 절단 분야에서 없어서는 안 될 주류 공정으로 자리 잡았습니다.