Principe van een laser-autogeen hybride snijmachine

Lasersnijden van composietmaterialen verwijst meestal naar "laser-zuurstofsnijden", wat een van de belangrijkste lasersnijprocessen is (de andere twee zijn lasersmelten en laserverdampen). Het betekent niet "door laser gegenereerde vlam", maar eerder een hybride proces dat een laser als warmtebron gebruikt, aangevuld met zuivere zuurstof als hulpgas, om een ​​krachtige oxidatieverbrandingsreactie (oftewel "vlam") in metalen (voornamelijk staal) te initiëren tijdens het snijproces. Dit proces benut de thermische energie van de chemische reactie om de snijprestaties aanzienlijk te verbeteren.

Vervolgens zullen we het principe ervan vanuit verschillende perspectieven in detail toelichten:

Kernprincipe: Lasergestuurde, gecontroleerde metaalverbranding

1. De rol van de laser (ontsteking en onderhoud):

• Een laserstraal met een hoge energiedichtheid wordt op het oppervlak van het werkstuk gericht, waardoor de temperatuur van het bestraalde metaal snel stijgt tot het ontbrandingspunt (ongeveer 1350 °C voor ijzer).
• De laserstraal levert een continue, nauwkeurige, hoogenergetische warmtebron die niet alleen de reactie ontsteekt, maar vooral het reactiegebied op een hoge temperatuur houdt.

2. Rol van zuurstof (verbrandingsmiddel en zuurstofvanger):

• Een stroom zuurstof onder hoge druk en hoge zuiverheid wordt coaxiaal met de laserstraal geïnjecteerd op de door de laser verwarmde metalen plek.
• Het ijzer (Fe) dat het ontstekingspunt bereikt en zuurstof (O₂) ondergaan een heftige, exotherme oxidatiereactie (verbranding): 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O, warmte
• Bij deze reactie komt veel warmte vrij (ongeveer 3-5 keer de energie van de laser zelf!). Dit is de sleutel tot "samengestelde" energie. Deze extra warmte verhoogt het algehele smelt-/vergassingsvermogen aanzienlijk.

3. Samengesteld samenwerkingsproces:

• Voorverwarmen en ontsteken: De laser verwarmt eerst het metaal tot het ontstekingspunt.
• Verbranding exotherm: door injectie van zuurstof verbrandt het metaal heftig, waardoor veel meer warmte ontstaat dan de laser zelf kan leveren. Dit zorgt ervoor dat het metaal snel smelt of zelfs oxideert en slak vormt (voornamelijk FeO en Fe3O4).
• Blazen en vormen: Een andere belangrijke functie van de hogedruk-zuurstofgasstroom is het krachtig wegblazen van het gesmolten metaaloxide (slak) dat ontstaat door de reactie in de snijnaad, als een soort "luchtmes", om een ​​schoon en relatief glad snijoppervlak te vormen.

Continu proces: De laserstraal beweegt naar voren, verwarmt continu het nieuwe gebied voor, en de verbrandingsreactie volgt de laserfocus naar voren en naar beneden, waarna de laser uiteindelijk het werkstuk binnendringt en een snede vormt.

Hoe komt het dat deze "samengestelde" aanpak zo efficiënt is? (Voordeel)

1. Sterk vermogen om dikke platen te snijden:Voor koolstofstaal (zoals koolstofarm staal) is lasersnijden met zuurstof de meest kosteneffectieve en snelste methode voor het snijden van middelgrote en dikke platen (meestal meer dan 6 mm, tot 30 mm of zelfs dikker). Bij puur lasersmelten (zoals met stikstof) is de laserenergie de enige manier om het metaal te smelten, waardoor de snijkant van dikke platen onvoldoende geschikt lijkt.

2. Hoge snijsnelheid:Door de toevoeging van chemische energie uit de metaalverbrandingsreactie is de totale energie-input veel hoger dan die van een enkele laser, waardoor de snijsnelheid aanzienlijk hoger ligt dan bij smelten en snijden met hetzelfde vermogen.

3Het stroomverbruik van de apparatuur is relatief laag:Om hetzelfde koolstofstaal te snijden, kan het benodigde laservermogen voor laser-zuurstofsnijden veel lager zijn dan dat van puur laser-smelten, waardoor de apparatuurkosten en het energieverbruik worden verlaagd.

4. Goede snijkwaliteit:Bij dikke koolstofstalen platen kan een snijvlak met een goede verticaliteit en minder slakvorming (ideale toestand) worden verkregen.

Proceskenmerken en -beperkingen

1. Materiaalselectiviteit:

• Vooral voor reactieve metalen: het meest typische en ideale toepassingsmateriaal is koolstofstaal.

• Niet geschikt voor roestvrij staal, aluminium, koper, enz.:
• Roestvast staal: chroom (Cr) en andere elementen vormen oxiden met een hoog smeltpunt (zoals Cr2O3), die de oxidatiereactie belemmeren en ervoor zorgen dat de slak moeilijk weg te blazen is. Dit resulteert in een ruw snijoppervlak en ernstige slakophoping.
• Aluminium en koper: het smeltpunt van hun oxiden (Al2O3, CuO) ligt veel hoger dan dat van het substraat zelf, waardoor het oppervlak als een harde schil wordt bedekt die voorkomt dat de reactie doorgaat, en ze hebben een hoge reflectiviteit voor laserlicht.

2. Kenmerken van het snijvlak:

• Door de oxidatiereactie zal het oppervlak van de snede een oxidelaag hebben (vergelijkbaar met de blauwbehandeling) en mogelijk iets ruwer aanvoelen (in vergelijking met de glanzende kant van de stikstofsnede).
• Er kan zich een kleine hoeveelheid slak op de bodem bevinden, die tot een minimum beperkt moet worden door de procesparameters te optimaliseren.

3. De door hitte beïnvloede zone is groter:De heftige oxidatiereactie genereert meer warmte, waardoor de door warmte beïnvloede zone van het werkstuk breder is dan bij laserlassen en -snijden, en de algehele thermische vervorming van het werkstuk mogelijk iets groter is.

Vergelijking met andere snijprocessen

VS. Zuiver lasersnijden met stikstof (smeltend snijden):

• Stikstofsnijden: metaal wordt met een laser gesmolten en vervolgens met stikstof onder hoge druk weggeblazen. Er vindt geen oxidatiereactie plaats, het snijvlak is helder en er vormt zich geen oxidatielaag. De snelheid is echter laag, het gasverbruik is groot en de kosten zijn hoog. Het is geschikt voor roestvrij staal, aluminium, enz., maar niet economisch voor dik koolstofstaal.
• Zuurstofsnijden: toevoeging van oxidatiereactie, hoge snelheid, lage kosten, geschikt voor koolstofstaal, maar het werkstuk heeft een oxidelaag.

VS. Traditioneel snijden met een vlam (autogeen snijden):

• Traditioneel vlamsnijden: door middel van vlamvoorverwarming en verbranding van zuivere zuurstof. Langzame voorverwarming, brede snede, lage precisie en grote thermische vervorming.
• Laser-zuurstofsnijden: met precisie dankzij hoogenergetische lasers, snelle voorverwarming, zeer smalle snijnaad (en kleine laserstraaldiameter), hoge precisie, klein
• Met een hellingshoek van ll en een geringe thermische impact is dit de gemoderniseerde, zeer nauwkeurige upgradeversie van traditioneel vlamsnijden.

Samenvatting

Het kernprincipe van de laser-zuurstof snijmachine is het gebruik van een hoogenergetische laserstraal om de heftige verbrandingsreactie van metaal (ijzer) in een zuivere zuurstofomgeving nauwkeurig te ontsteken en in stand te houden. De thermische energie van de laser wordt gecombineerd met de chemische energie van de metaaloxidatie om een ​​"1 1>2"-snij-effect te bereiken. Deze machine combineert perfect de voordelen van hoge precisie en hoge focus van lasers met de voordelen van hoge efficiëntie en lage kosten van zuurstofverbranding, waardoor het een onmisbaar standaardproces is geworden voor het snijden van middelzware en dikke koolstofstalen platen.