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)猓鳛榍懈顣r(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。

今天的制造商們是如何優(yōu)化他們的生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(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(guò)程的簡(jiǎn)便性。

激光功率

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(lái)切割速度的提高。在熱切割的過(guò)程中，功率超過(guò)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。

對(duì)于某些材料來(lái)說(shuō)，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。快速軸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(duì)于氧氣作為輔助氣體的碳素鋼切割來(lái)說(shuō)，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(guò)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?

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(wú)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(guò)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。

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(lái)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。

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。考慮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(lái)的劣勢(shì)，必須準(zhǔn)確估計(jì)速度提高所帶來(lái)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)。

自動(dòng)化過(guò)程

需要按時(shí)加工的時(shí)間越多越有利于自動(dòng)化過(guò)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)。基本的自動(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(lái)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(guò)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)。
 
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(lái)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(guò)程不需要人工操作，提高了生產(chǎn)率，帶來(lái)了安全的工作環(huán)境，優(yōu)化了工作環(huán)境和后勤。
 
最后，需要選擇切割輔助氣體。對(duì)于激光切割過(guò)程有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)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(jìn)行激光切割是因?yàn)椋劢构馐诮裹c(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(guò)程從材料的熱反應(yīng)過(guò)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(lái)切割碳素鋼可用來(lái)加工厚度達(dá)40 mm的材料。

碳素鋼的二維切割主要使用的是CO2激光器，因?yàn)樗軌虻玫阶罴训某杀拘б妫瑢?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。

在厚碳鋼板加工中，氧氣的主要作用是輔助鋼板的鍛燒過(guò)程。此外，它也有助于清除熔融的材料。通常來(lái)說(shuō)，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(lái)燃燒過(guò)程的不可控性。一旦燃燒過(guò)程開始，只需要很少的氧氣就能維持該過(guò)程。然而，熔化的材料必須通過(guò)輔助氣體的流動(dòng)來(lái)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(wèn)題。

高壓惰性氣體輔助切割過(guò)程

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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，典型的切割速度是，達(dá)8 m/min，對(duì)3 mm厚的材料來(lái)說(shuō)，速度為4.5 m/min，對(duì)于8 mm厚的材料來(lái)說(shuō)，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(lái)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。

輔助氣體成本

有很多方法可以提供氧氣和氮?dú)狻?shí)際上氧氣和氮?dú)獾膯挝怀杀臼呛茴愃频摹Ｊ褂玫獨(dú)鈦?lái)作為輔助氣體時(shí)花費(fèi)更大，因?yàn)榍懈钸^(guò)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(lái)進(jìn)行修整。通過(guò)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(lái)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。

一些應(yīng)用中，空氣(氧-氮混合氣體)也可以用來(lái)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(guò)程的一部分。在傳輸光束的過(guò)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。空氣還與氣閥，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(guò)濾的。對(duì)于空氣輔助切割來(lái)說(shuō)，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阋耍强諝獾墓┙o還是需要用電力來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的氣體壓強(qiáng)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%。空氣是最便宜的，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。

David Bell是Lincoln Electric (www.lincolnelectric.com) 特殊氣體產(chǎn)品部門經(jīng)理。