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激光切割的選擇
點擊次數(shù)：829 發(fā)布時間：2011-8-12
CO2激光器功率為5，6或7 KW。不同級別的 自動化控制 （從雙向移動工作臺到自動升降系統(tǒng)，或者將原料加工與各種貯藏系統(tǒng)相結(jié)合） 縮短了停工期，降低了零件的單位生產(chǎn)成本。氧氣和氮氣，作為切割時的常用輔助氣體，在一些情況下被“空氣”所取代，這是用室內(nèi)壓縮機或者工業(yè)合成所得到的。這些條件直接影響了zui終的加工成本。
今天的制造商們是如何優(yōu)化他們的生產(chǎn)過程的呢？激光切割車間對具體應(yīng)用和要求的明確將有助于優(yōu)化整個切割系統(tǒng)的選擇。這里必須要考慮那些不但影響切口質(zhì)量而且影響切割過程的條件。
得到“高質(zhì)量”切口的關(guān)鍵因素包括了：切口的寬度（切割處材料的損耗），切口表面的氧化和粗糙程度，以及所容許的尺寸誤差。進行切割操作的關(guān)鍵因素包括了：切割速度，操作的靈活性，容許公差，以及生產(chǎn)和啟動過程的簡便性。
激光功率
事實上，并不是激光功率越大零件加工速度就越快，還有其他因素會影響切割速度的提高。激光諧振腔的類型就會影響整個系統(tǒng)的切割速度和成本效益。激光功率的提高和光束質(zhì)量的改善擴大了激光應(yīng)用的范圍。大部分激光系統(tǒng)的功率高于2 KW，而且現(xiàn)在已有功率大于7 kW的系統(tǒng)可供使用。提高功率不一定就帶來切割速度的提高。在熱切割的過程中，功率超過3或者4 KW 時，可能擴大材料的熱影響區(qū)域，從而就對驅(qū)動系統(tǒng)要求更高，因此限制了切割速度。
對于某些材料來說，光束質(zhì)量對切割速度的影響并不亞于激光功率。CO2激光器根據(jù)諧振腔的不同可以有各種不同的類型：快速軸流激光器，橫流激光器，擴散冷卻激光器（或板條激光器）。每種諧振腔類型得到不同的光束質(zhì)量和焦斑直徑，以及不同的激光功率。擴散冷卻激光器的光束質(zhì)量可能比較好，但是總功率受到限制?？焖佥S流和橫流型激光器可以產(chǎn)生功率在6-7 KW的激光，但是光束質(zhì)量在4 kW以上就可能開始下降。
金屬加工的考慮
更高的激光功率主要有助于增加可加工材料的厚度。對于氧氣作為輔助氣體的碳素鋼切割來說，隨著功率的提高，進料速度并沒有實質(zhì)性的增加。由于熱反應(yīng)過程的存在，功率/進料率存在著一個上限，對應(yīng)這個zui大值，可以切割一定厚度的材料。作用在材料上功率的提高并不能自動轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧霞庸に俣鹊奶岣摺?
使用高壓氮作為輔助氣體對厚不銹鋼板進行切割可以得到無氧化切口。比如，6.0 kW CO2激光器可以加工厚度達11/4英寸的不銹鋼。在高壓或者惰性氣體切割過程中，輔助氣體的主要功能是保護切口邊緣不至于形成氧化，并且將熔融的物質(zhì)很快的吹干凈，從而避免它們粘在邊緣而形成毛邊。
因為提高切割功率會導(dǎo)致成本提高，所以如果能夠帶來更多經(jīng)濟效益的話，那么提高功率也是可行的。目前，大部分需加工的金屬薄板厚度達6 mm，使用的是功率為3.5 kW的激光進行加工，當加工速度需要提高時，在保證光束質(zhì)量的情況下可以提高激光功率。
若需要加工更厚的材料， 則可以使用高功率的激光器以更快的速度進行切割?？紤]到投資成本和與激光器有關(guān)的運轉(zhuǎn)費用增加可能帶來的劣勢，必須準確估計速度提高所帶來的優(yōu)勢。在速度提高的情況下，如果沒有增加額外功率的話將很難實現(xiàn)。
自動化過程
需要按時加工的時間越多越有利于自動化過程。自動控制設(shè)備可以被添加到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，并隨著生產(chǎn)要求提高而進行升級?；镜淖詣硬僮靼ǎ鹤詣由狭?，自動下料，以及自動連接到存儲系統(tǒng)。自動裝載系統(tǒng)通常包括了一臺起重設(shè)備來將材料加載到切割平臺上。當系統(tǒng)擴展為自動上下料功能時，起重設(shè)備能不僅傳送新材料也卸下加工好的材料。增加與自動上下料過程相銜接的存儲系統(tǒng)就完善了整個自動化系統(tǒng) （如圖1）。
圖1 自動操作過程布局樣本，由TRUMPF公司提供
因為每個自動化級別都需要額外的資金投入，這樣如果采用輪班工作制度，那么由投資所帶來的回報就可以更快的被實現(xiàn)。如果不考慮激光的工作時間，自動操作過程不需要人工操作，提高了生產(chǎn)率，帶來了安全的工作環(huán)境，優(yōu)化了工作環(huán)境和后勤（如圖2）。
圖2. 圖中給出了激光自動化給投資帶來的回報，其中包括了雇員和運行費用。
zui后，需要選擇切割輔助氣體。對于激光切割過程有一個基本的認識將有助于選擇合適的氣體。
氣體輔助激光切割
需要使用輔助氣體進行激光切割是因為，聚焦光束在焦點附近所產(chǎn)生了熔融金屬，使用氣體壓力可以從切割區(qū)域把熔融的金屬吹走。這種方法在加工低鋁鋼時效果，當加熱溫度高于燃點時，該加工過程從材料的熱反應(yīng)過程中吸收額外能量。這樣，使用輔助氣體時，激光功率將更低，稱為激光熔融切割。使用氧氣作為輔助氣體來切割碳素鋼可用來加工厚度達40 mm的材料。
碳素鋼的二維切割主要使用的是CO2激光器，因為它能夠得到*的成本效益，對1 mm厚的金屬其切割速度為10 m/min，6 mm厚的為 3 m/min，15 mm厚的為1 m/min。
在厚碳鋼板加工中，氧氣的主要作用是輔助鋼板的鍛燒過程。此外，它也有助于清除熔融的材料。通常來說，輔助氣體的壓強和體積都很小。例如，通常6-8 PSI 的氧氣可以加工1 5/8英寸厚的鋼板。氧氣的氣壓太大的話容易帶來燃燒過程的不可控性。一旦燃燒過程開始，只需要很少的氧氣就能維持該過程。然而，熔化的材料必須通過輔助氣體的流動來清理。如果使用標準的噴嘴，輔助氣體管道內(nèi)的沖擊波會導(dǎo)致切口邊緣有條紋和溝槽。而使用環(huán)形流噴嘴可以避免這個問題。
高壓惰性氣體輔助切割過程
當切割高合金鋼和合金鋁時，通常使用惰性氣體（氮氣，氬氣）作為輔助切割的氣體，這樣，切割過程就僅取決于激光光束的能量。所以，激光功率會比使用氧氣作為輔助氣體時更大。高壓切割過程并不會對切口產(chǎn)生氧化的效果，這對于切割后將進行焊接的情況來說很重要。目前在工業(yè)領(lǐng)域，激光熔融切割被用于厚度達25 mm的材料加工。對于1 mm厚的材料來說，典型的切割速度是，達8 m/min，對3 mm厚的材料來說，速度為4.5 m/min，對于8 mm厚的材料來說，速度為1.5 m/min。
在這些應(yīng)用中，高壓氮作為輔助氣體被用來隔絕切口與外界氧氣的接觸，并且從切口處把熔融的材料快速的吹干凈。切割不銹鋼時，輔助氣體壓強范圍從300到400 PSI。更薄的不銹鋼可以使用低壓強氣體，范圍為100-200 PSI。
輔助氣體成本
有很多方法可以提供氧氣和氮氣。實際上氧氣和氮氣的單位成本是很類似的。使用氮氣來作為輔助氣體時花費更大，因為切割過程消耗了更多的氣體，但是，它可以得到“干凈的切口”，而不用二次加工來進行修整。通過選擇不同的供氣方式，氣體成本可以得到降低；高壓氣缸的單位成本比其他各種不同的供氣系統(tǒng)要來的貴。而且氣缸供氣還需要租金，使用的氣體存儲體積越大，租金越高。
一些應(yīng)用中，空氣（氧-氮混合氣體）也可以用來作為輔助氣體。壓縮空氣是現(xiàn)有的CO2激光切割設(shè)備運轉(zhuǎn)過程的一部分。在傳輸光束的過程中，空氣起到凈化光束的作用，它防止外部污染物進入密閉的光路中。用于凈化光束的空氣還可以保證光學(xué)元件的清潔度，從而延長光學(xué)元件的壽命?？諝膺€與氣閥，氣缸，傳動裝置相連，可以發(fā)揮氣動開關(guān)，光束衰減和裝夾的作用。某些材料可以被切割得更快。在這些實例中，空氣必須是干凈，干燥且經(jīng)過濾的。對于空氣輔助切割來說，可切割材料有厚度上的限制。通常是3 mm或者更薄，而且，空氣輔助切割會稍微在切口表面留下氧化痕跡。雖然比氧氣或氮氣要便宜，但是空氣的供給還是需要用電力來實現(xiàn)所需的氣體壓強和體積。
不論選擇何種氣體，這方面的成本通常是小于總成本的10%。空氣是*的，但是使用的范圍很有限，氮氣是zui貴的，但是可以產(chǎn)生干凈的切口而不需要二次加工。
David Bell是Lincoln Electric 特殊氣體產(chǎn)品部門