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。
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。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 。
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。
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。 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6-8 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/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100-200 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。
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