Prinsipp for laser-oksyfuel hybrid skjæremaskin

Laserskjæring av komposittflamme refererer vanligvis til «laseroksygenskjæring”, som er en av de viktigste laserskjæreprosessene (de to andre er lasersmelteskjæring og laserfordampningsskjæring). Det betyr ikke «lasergenerert flamme», men snarere en hybridprosess som bruker en laser som varmekilde, supplert med rent oksygen som hjelpegass, for å starte en kraftig oksidasjonsforbrenningsreaksjon (dvs. «flamme») i metaller (hovedsakelig stålmaterialer) under skjæreprosessen. Denne prosessen utnytter den termiske energien fra den kjemiske reaksjonen for å forbedre skjæreytelsen betydelig.

Deretter vil vi forklare prinsippet i detalj fra flere perspektiver:

Kjerneprinsipp: Laserindusert kontrollert metallforbrenning

1. Laserens rolle (tenning og vedlikehold):

• En laserstråle med høy energitetthet fokuseres på arbeidsstykkets overflate, noe som får temperaturen på det bestrålte metallet til raskt å stige til antennelsespunktet (omtrent 1350 °C for jern).
• Laserstrålen gir en kontinuerlig, presis varmekilde med høy energi som ikke bare tenner reaksjonen, men enda viktigere, holder reaksjonsområdet ved en høy temperatur.

2. Oksygenets rolle (forbrenningsmiddel og fjerner stoffer):

• En strøm av høytrykks-, høyrenhetsoksygen injiseres koaksialt med laserstrålen på metallpunktet som er varmet opp av laseren.
• Jernet (Fe) som når tennpunktet og oksygenet (O₂) gjennomgår en voldsom oksidasjonseksotermisk reaksjon (forbrenning): 4Fe3O₂ → 2Fe2O, varme
• Denne reaksjonen frigjør mye varme (omtrent 3–5 ganger energien til selve laseren!). Dette er nøkkelen til «sammensatt» energi. Denne ekstra varmen forbedrer den totale smelte-/gassifiseringskapasiteten betraktelig.

3. Sammensatt samarbeidsprosess:

• Forvarming og tenning: Laseren varmer først opp det lokale metallet til tenningspunktet.
• Forbrenning eksotermisk: oksygeninjeksjon, metallet brenner voldsomt, genererer mye høyere varme enn laseren selv kan gi, smelter eller oksiderer metallet raskt og danner slagg (hovedsakelig Feo og Fe3o4).
• Blåsing og forming: En annen viktig rolle for høytrykks oksygengassstrømmen er å blåse det smeltede metalloksidet (slaggen) som genereres av reaksjonen fra skjæresømmen voldsomt som en "luftkniv" for å danne en ren, relativt glatt skjæreflate.

Kontinuerlig: Laserstrålen beveger seg foran, forvarmer kontinuerlig det nye området, og forbrenningsreaksjonen følger laserfokuset fremover og nedover, og trenger til slutt inn i arbeidsstykket og danner et snitt.

Hvordan er denne «sammensatte» tilnærmingen så effektiv? (Fordel)

1. Sterk evne til å skjære tykke plater:For karbonstål (som lavkarbonstål) er laseroksygenskjæring den mest kostnadseffektive og raskeste metoden for å skjære mellomstore og tykke plater (vanligvis mer enn 6 mm, opptil 30 mm eller enda tykkere). Ren lasersmelteskjæring (som med nitrogen) må være helt avhengig av laserenergi for å smelte metallet, og overflaten på tykke plater ser ut til å være utilstrekkelig.

2. Rask skjærehastighet:På grunn av tilsetningen av kjemisk energi fra metallforbrenningsreaksjonen, er den totale energitilførselen mye høyere enn for en enkelt laser, så skjærehastigheten er betydelig raskere enn smelteskjæring med samme effekt.

3Utstyrets strømbehov er relativt lavt:For å skjære det samme karbonstålet, kan lasereffekten som kreves for laseroksygenskjæring være mye lavere enn for ren lasersmelteskjæring, noe som reduserer utstyrskostnader og energiforbruk.

4. God skjærekvalitet:For tykke plater av karbonstål kan man oppnå en skjæreflate med god vertikalitet og mindre slagg (ideell tilstand).

Prosessegenskaper og begrensninger

1. Materialseleksjon:

• Primært for reaktive metaller: Det mest typiske og ideelle bruksmaterialet er karbonstål.

• Ikke egnet for rustfritt stål, aluminium, kobber osv.:
• Rustfritt stål: Krom (Cr) og andre elementer vil danne oksider med høyt smeltepunkt (som Cr2O3), som hindrer oksidasjonsreaksjonen i å fortsette, og slaggen blåses ikke lett bort, noe som resulterer i en ru skjæreoverflate og alvorlig slaggoppheng.
• Aluminium og kobber: Smeltepunktet til oksidene (Al₂O₃,CuO) er mye høyere enn for selve substratet. Det dekker overflaten som et hardt skall, hindrer reaksjonen i å fortsette og har høy refleksjonsevne mot laser.

2. Egenskaper for skjæreflaten:

• På grunn av oksidasjonsreaksjonen vil overflaten av kuttet ha et oksidlag (ligner på blåneringsbehandlingen) og kan være litt ru (sammenlignet med den lyse siden av nitrogenkuttet).
• Det kan være litt slagg som henger nede, noe som må minimeres ved å optimalisere prosessparametrene.

3. Den varmepåvirkede sonen er større:Den voldsomme oksidasjonsreaksjonen vil generere mer varme, noe som resulterer i at den varmepåvirkede sonen på arbeidsstykket blir bredere enn den ved lasersmelting og -skjæring, og den totale termiske deformasjonen av arbeidsstykket kan være litt større.

Sammenligning med andre skjæreprosesser

VS. Ren lasernitrogenskjæring (smelteskjæring):

• Nitrogenskjæring: Ved lasersmelting av metall, blåsing av smelten med høytrykksnitrogen. Ingen oksidasjonsreaksjon, snittet er blankt og uten oksidlag, men hastigheten er lav, gassforbruket er stort og kostnaden er høy. Det er egnet for rustfritt stål, aluminium, etc., og det er ikke økonomisk for tykt karbonstål.
• Oksygenskjæring: oksidasjonsreaksjonstilsetning, høy hastighet, lav kostnad, egnet for karbonstål, men seksjonen har et oksidlag.

VS. tradisjonell flammeskjæring (oksyacetylen-skjæring):

• Tradisjonell flamme: ved flammeforvarming, skjæring med ren oksygenforbrenning. Langsom forvarming, bred spalte, lav presisjon og stor termisk deformasjon.
• Laseroksygenskjæring: med høyenergilaserpresisjon, rask forvarming, skjæresømmen er veldig smal (og laserpunktdiameter), høy presisjon, liten
• ll-skråning, liten termisk påvirkning, er den tradisjonelle flammeskjæringsmoderniseringen, høypresisjonsoppgraderingsversjonen.

Sammendrag

Kjerneprinsippet til laserflammekompositt (laseroksygen) skjæremaskin er å bruke en høyenergilaserstråle for å nøyaktig antenne og opprettholde den voldsomme forbrenningsreaksjonen til metall (jern) i et rent oksygenmiljø, og kombinere laserens termiske energi med den kjemiske energien fra metalloksidasjon for å oppnå en "1 1> 2" skjæreeffekt. Den kombinerer fordelene med høy presisjon og høyt fokus fra laseren med fordelene med høy effektivitet og lave kostnader for oksygenforbrenning, noe som gjør den til en uerstattelig mainstream-prosess innen skjæring av mellomtykke og tykke karbonstålplater.