激光切割的選擇

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卓輝激光 發(fā)短消息
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) ~% \# R( S! @4 F3 W+ {* F+ o5 [注冊(cè)時(shí)間2006-11-19 最后登錄2011-4-1 積分3138 精華1 帖子89 UID40075  
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, `" Q9 W3 a7 S0 V. z) {9 F 發(fā)表于 2009-5-1 21:36 |只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |打印
6 L1 u7 e1 ?4 U. a7 w1 _CO2激光器功率為5，6或7 KW。不同級(jí)別的 自動(dòng)化控制 (從雙向移動(dòng)工作臺(tái)到自動(dòng)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?dú)�，作為切割時(shí)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(jī)或者工業(yè)合成所得到的。這些條件直接影響了最終的加工成本。   z( Z5 L- k. Z% `8 _# H
) N  J6 M: A" H3 P        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(duì)具體應(yīng)用和要求的明確將有助于優(yōu)化整個(gè)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。 $ w* h$ K+ Y: o1 Z9 b# x: T
: g7 ?. C( o& z* ]        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(jìn)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(dòng)過程的簡(jiǎn)便性。
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- s6 ?; z1 R! i7 n% ~3 ]! A        激光功率
. i6 N* d2 B( g, O8 P% d0 Y* h        事實(shí)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(huì)影響切割速度的提高。激光諧振腔的類型就會(huì)影響整個(gè)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(kuò)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(shí)，可能擴(kuò)大材料的熱影響區(qū)域，從而就對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求更高，因此限制了切割速度。
( O& z" C* J. `! ^1 n" E7 F  n: l2 w        對(duì)于某些材料來說，光束質(zhì)量對(duì)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(kuò)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(kuò)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。 " H( J+ I/ |2 l& W  Y7 m
* Y- Q' c2 f! g% J- }金屬加工的考慮
2 R% X* _  X+ ?7 _/ Z, L- h8 l0 g  P8 O- u: z, h( u! ~        更高的激光功率主要有助于增加可加工材料的厚度。對(duì)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(jìn)料速度并沒有實(shí)質(zhì)性的增加。由于熱反應(yīng)過程的存在，功率/進(jìn)料率存在著一個(gè)上限，對(duì)應(yīng)這個(gè)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動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧霞庸に俣鹊奶岣摺?
8 M- [+ ~% w% C- `- m! P        使用高壓氮作為輔助氣體對(duì)厚不銹鋼板進(jìn)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(dá)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(hù)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。 ! [% J1 O0 i1 w6 a* Z5 B
        因?yàn)樘岣咔懈罟β蕰?huì)導(dǎo)致成本提高，所以如果能夠帶來更多經(jīng)濟(jì)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(dá)6 mm，使用的是功率為3.5 kW的激光進(jìn)行加工，當(dāng)加工速度需要提高時(shí)，在保證光束質(zhì)量的情況下可以提高激光功率。
2 z% @4 c. l4 t4 }6 S: {' {* h8 q/ m; d        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(jìn)行切割�？紤]到投資成本和與激光器有關(guān)的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用增加可能帶來的劣勢(shì)，必須準(zhǔn)確估計(jì)速度提高所帶來的優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)。 . [9 T! [+ e: w. k$ p- X& L6 i, q. D
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自動(dòng)化過程
- w: }! O) H  s- o- F        需要按時(shí)加工的時(shí)間越多越有利于自動(dòng)化過程。自動(dòng)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(jìn)行升級(jí)�；�本的自動(dòng)操作包括：自動(dòng)上料，自動(dòng)下料，以及自動(dòng)連接到存儲(chǔ)系統(tǒng)。自動(dòng)裝載系統(tǒng)通常包括了一臺(tái)起重設(shè)備來將材料加載到切割平臺(tái)上。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展為自動(dòng)上下料功能時(shí)，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(dòng)上下料過程相銜接的存儲(chǔ)系統(tǒng)就完善了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng) 。
4 }* a. r  V. e) j& @. v        因?yàn)槊總�(gè)自動(dòng)化級(jí)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(bào)就可以更快的被實(shí)現(xiàn)。如果不考慮激光的工作時(shí)間，自動(dòng)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。
8 \& X; h, X* z! {6 O. e/ C# h        最后，需要選擇切割輔助氣體。對(duì)于激光切割過程有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)將有助于選擇合適的氣體。
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( u7 S5 {: z4 Z# ]7 f3 M1 m8 r! L5 {: L! I        氣體輔助激光切割
* c+ _; I7 x3 m5 p# A. j1 ?; R        需要使用輔助氣體進(jìn)行激光切割是因?yàn)椋�聚焦光束在焦點(diǎn)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(shí)效果最好，當(dāng)加熱溫度高于燃點(diǎn)時(shí)，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(shí)，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(dá)40 mm的材料。
, T5 x& h5 n2 ?0 l+ E' r$ P4 [, G        碳素鋼的二維切割主要使用的是CO2激光器，因?yàn)樗�能夠得到最佳的成本效益，�?duì)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。
7 W" }2 I8 n" U9 O9 I4 N+ ]! r/ I: H' X0 Y9 |5 Q1 E        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(qiáng)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(dòng)來清理。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴，輔助氣體管道內(nèi)的沖擊波會(huì)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(gè)問題。2 ?4 N: c7 `  I; {4 U8 T
高壓惰性氣體輔助切割過程 ; ^+ Q, N# A" ?* S5 z9 d4 @6 P6 Y
2 q2 w; i; }, ], f8 F% C2 [" a        當(dāng)切割高合金鋼和合金鋁時(shí)，通常使用惰性氣體(氮?dú)猓瑲鍤?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(huì)比使用氧氣作為輔助氣體時(shí)更大。高壓切割過程并不會(huì)對(duì)切口產(chǎn)生氧化的效果，這對(duì)于切割后將進(jìn)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(dá)25 mm的材料加工。對(duì)于1 mm厚的材料來說，典型的切割速度是，達(dá)8 m/min，對(duì)3 mm厚的材料來說，速度為4.5 m/min，對(duì)于8 mm厚的材料來說，速度為1.5 m/min。
( B/ C( L. v- J- `( b* v5 _& o        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(shí)，輔助氣體壓強(qiáng)范圍從300到400 PSI。更薄的不銹鋼可以使用低壓強(qiáng)氣體，范圍為100-200 PSI。 6 N- N( F3 _% H# O1 F, J8 {1 J
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1 z5 m# @5 Q% X" X; W. Y& w( I" N% J5 E. Q        輔助氣體成本 ( q4 z2 P8 d& b5 B7 v6 L& s! {7 f
        有很多方法可以提供氧氣和氮?dú)�。�?shí)際上氧氣和氮?dú)獾膯挝怀杀臼呛茴愃频�。使用氮�(dú)鈦碜鳛檩o助氣體時(shí)花費(fèi)更大，因?yàn)榍懈钸^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(jìn)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(chǔ)體積越大，租金越高。 & N. V& K7 Q9 k, O5 g. M9 X3 [( @
0 u5 {6 w, I( H9 R9 w$ w. F        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(yùn)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(jìn)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(zhǎng)光學(xué)元件的壽命�？諝膺�與氣閥，氣缸，傳動(dòng)裝置相連，可以發(fā)揮氣動(dòng)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(shí)例中，空氣必須是干凈，干燥且經(jīng)過濾的。對(duì)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(huì)稍微在切口表面留下氧化痕跡。雖然比氧氣或氮?dú)庖�便宜，但是空氣的供給還是需要用電力來實(shí)現(xiàn)所需的氣體壓強(qiáng)和體積。
' j- O- d4 {: [. X  X1 y, I        不論選擇何種氣體，這方面的成本通常是小于總成本的10%�？諝馐亲畋阋说�，但是使用的范圍很有限，氮?dú)馐亲钯F的，但是可以產(chǎn)生干凈的切口而不需要二次加工。

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