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激光切割的选择

CO2激光器功率为5，6或7 KW。不同级别的 自动化控制 (从双向移动工作台到自动升降系统，或者将原料加工与各种贮藏系统相结合) 缩短了停工期，降低了零件的单位生产成本。氧气和氮气，作为切割时的常用辅助气体，在一些情况下被“空气”所取代，这是用室内压缩机或者工业合成所得到的。这些条件直接影响了最终的加工成本。

今天的制造商们是如何优化他们的生产过程的呢？激光切割车间对具体应用和要求的明确将有助于优化整个切割系统的选择。这里必须要考虑那些不但影响切口质量而且影响切割过程的条件。

得到“高质量”切口的关键因素包括了：切口的宽度（切割处材料的损耗），切口表面的氧化和粗糙程度，以及所容许的尺寸误差。进行切割操作的关键因光学镜片素包括了：切割速度，操作的灵活性，容许公差，以及生产和启动过程的简便性。

激光功率

事实上，并不是激光功率越大零件加工速度就越快，还有其他因素会影响切割速度的提ASTM B611高。激光谐振腔的类型就会影响整个系统的切割速度和成本效益。激光功率的提高和光束质量的改善扩大了激光应用的范围。大部分激光系统的功率高于2 KW，而且现在已有功率大于7 kW的系统可供使用。提高功率不一定就带来切割速度的提高。在热切割的过程中，功率超过3或者4 KW 时，可能扩大材料的热影响区域，从而就对驱动系统要求更高，因此限制了切割速度。

对于某些材料来说，光束质量对切割速度的影响并不亚于激光功率。CO2激光器根据谐振腔的不同可以有各种不同的类型：快速轴流激光器，横流激光器，扩散冷却激光器（或板条激光器）。每种谐振腔类型得到不同的光束质量和焦斑直径，以及不同的激光功率。扩散冷却激光器的光束质量可能比较好，但是总功率受到限制。快速轴流和横流型激光器可以产生功率在 KW的激光，但是卸扣光束质量在4 kW以上就可能开始下降。

金属加工的考虑

更高的激光功率主要有助于增加可加工材料的厚度。对于氧气作为辅助气体的碳素钢切割来说，随着功率的提高，进料速度并没有实质性的增加。由于热反应过程的存在，功率/进料率存在着一个上限，对应这个最大值，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动转变为材料加工速度的提高。

使用高压氮作为辅助气体对厚不锈钢板进行切割可以得到无氧化切口。比如，6.0 kW CO2激光器可以加工厚度达11/4英寸的不锈钢。在高压或者惰性气体切割过程中，辅助气体的主要功能是保护切口边缘不至于形成氧化，并且将熔融的物质很快的吹干净，从而避免它们粘在边缘而形成毛边。

因为提高切割功率会导致成本提高，所以如果能够带来更多经济效益的话，那么提高功率也是可行的。目前，大部分需加工的金属薄板厚度达6 mm，使用的是功率为3.5 kW的激光进行加工，当加工速度需要提高时，在保证光束质量的情况下可以提高激光功率。

若需要加工更厚的材料， 则可以使用前润滑用高功率的激光器以更快的速度进行切割。考虑到投资成本和与激光器有关的运转费用增加可能带来的劣势，必须准确估计速度提高所带来的优势。在速度提高的情况下，如果没有增加额外功率的话将很难实现。

自动化过程

需要按时加工的时间越多越有利于自动化过程。自动控制设备可以被添加到现有的系统中，并随着生产要求提高而进行升级。基本的自动操作包括：自动上料，自动下料，以及自动连接到存储系统。自动装载系统通常包括了一台起重设备来将材料4.5吨旋转板模具有4个模腔加载到切割平台上。当系统扩展为自动上下料功能时，起重设备能不仅传送新材料也卸下加工好的材料。增加与自动上下料过程相衔接的存储系统就完善了整个自动化系统 （如图1）。

图1 自动操作过程布局样本，由TRUMPF公司提供

因为每个自动化级别都需要额外的资金投入，这样如果采用轮班工作制度，那么由投资所带来的回报就可以更快的被实现。如果不考虑激光的工作时间，自动操作过程不需要人工操作，提高了生产率，带来了安全的工作环境，优化了工作环境和后勤（如图2）。

图2. 图中给出了激光自动化给投资带来的回报，其中包括了雇员和运行费用。

最后，需要选择切割辅助气体。对于激光切割过程有一个基本的认识将有助于选择合适的气体。

气体辅助激光切割

需要使用辅助气体进行激光切割是因为，聚焦光束在焦点附近所产生了熔融金属，使用气体压力可以从切割区域把熔融的金属吹走。这种方法水温表在加工低铝钢时效果最好，当加热温度高于燃点时，该加工过程从材料的热反应过程中吸收额外能量。这样，使用辅助气体时，激光功率将更低，称为激光熔融切割。使用氧气作为辅助气体来切割碳素钢可用来加工厚度达40 mm的材料。

碳素钢的二维切割主要使用的是CO2激光器，因为它能够得到最佳的成本效益，对1 mm厚的金属其切割速度为10 m/min，6 mm厚的为 3 m/min，15 mm厚的为1 m/min。

在厚碳钢板加工中，氧气的主要作用是辅助钢板的锻烧过程。此外，它也有助于清除熔融的材料。通常来说，辅助气体的压强和体积都很小。例如，通常 PSI 的氧气可以加工1 5/8英寸厚的钢板。氧气的气压太大的话容易带来燃烧过程的不可控性。一旦燃烧过程开始，只需要很少的氧气就能维持该过程。然而，熔化的材料必须通过辅助气体的流动来清理。如果使用标准的喷嘴，辅助气体管道内的冲击波会导致切口边缘有条纹和沟槽。而使用环形流喷嘴可以避免这个问题。

高压惰性气体辅助切割过程

当切割高合金钢和合金铝时，通常使用惰性气体(氮气，氩气)作为辅助切割的气体，这样，切割过程就仅取决于激光光束的能量。所以，激光功率会比使用氧气作为辅助气体时更大。高压切割过程并不会对切口产生氧化的效果，这对于切割后将进行焊接的情况来说很重要。目前在工业领域，激光熔融切割被用于厚度达25 mm的材料加工。对于1 mm厚的材料来说，典型的切割速度是，达8 m/min，对3 mm厚的材料来说，速度为4.5 m两个月以来/min，对于8 mm厚的材料来说，速度为1.5 m/min。

在这些应用中，高压氮作为辅助气体被用来隔绝切口与外界氧气的接触，并且从切口处把熔融的材料快速的吹干净。切割不锈钢时，辅助气体压强范围从300到400 PSI。更薄的不锈钢可以使用低压强气体，范围为 PSI。

辅助气体成本

有很多方法可以提供氧气和氮气。实际上氧气和氮气的单位成本是很类似的。使用氮气来作为辅助气体时花费更大，因为切割过程消耗了更多的气体，但是，它可以得到“干净的切口”，而不用二次加工来进行修整。通过选择不同的供气方式，气体成本可以得到降低；高压气缸的单位成本比其他各种不同的供气系统要来的贵。而且气缸供气还需要租金，使用的气体存储体积越大，租金越高。

一些应用中，空气(氧-氮混合气体)也可以用来作为辅助气体。压缩空气是现有的CO2激光切割设备运转过程的一部分。在传输光衬里蝶阀束的过程中，空气起到净化光束的作用，它防止外部污染物进入密闭的光路中。用于净化光束的空气还可以保证光学元件的清洁度，从而延长光学元件的寿命。空气还与气阀，气缸，传动装置相连，可以发挥气动开关，光束衰减和装夹的作用。某些材料可以被切割得更快。在这些实例中，空气必须是干净，干燥且经过滤的。对于空气辅助切割来说，可切割材料有厚度上的限制。通常是3 mm或者更薄，而且，空气辅助切割会稍微在切口表面留下氧化痕迹。虽然比氧气或氮气要便宜，但是空气的供给还是需要用电力来实现所需的气体压强和体积。

不论选择何种气体，这方面的成本通常是小于总成本的10%。空气是最便宜的，但是使用的范围很有限，氮气是最贵的，但是可以产生干净的切口而不需要二次加工。

David Bell是Lincoln Electric () 特殊气体产品部门经理。(end)