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　　维普资讯 总第 ｌ 期 ０ ５ 通信与测控 ? ４ － － ５? — — — — 使用激光切割厚钢板 摘要 介绍 了不锈钢和碳钢 的激 光加 工过程以及在不 同辅助 气体 下的 切割性能， 讨论 了大功率激光切割的生产率和成本， 详细论述 了大功率激光 加工由材料、切割喷嘴 、气体净化装置、低吸收光学元件到光路的特点， 提 出了解 决切割一致性和质 量 问题 的方案 。 关键词 大功率激光 辅助气体 切割喷嘴 “ 激光级”板材 １ 引 言 工业趋势表明， 金属制造者们正在愈来愈多地选择大功率激光来切割金属。两年 前， 普遍 的功率水平范围在 １ ０ ￣２ ０Ｗ 之间， ，０ ，０ ５ ０ 但是， 一项 由Ａ 激光系统产品集 ＭＴ 团 （ ＭＴＬｓｒ ｙｔ ｒｄｃＧ ｏｐ Ａ ａ ｓ ｍ Ｐｏｕｔ ｒｕ ）实施的统计调查表 明， ｅＳ ｅ 在近 的 １ 个月里， ２ 安 装 ３ ０～ ， ０ 的大功率激光 系统稳步增长， ， ０４ ０Ｗ ０ ０ 而低于 ２ ０Ｗ 功率水平 的激光系统则 ，０ ０ 下降。近， 北美市场已经体验了采用 ４ ０～ ， ０ 大功率激光所带来的好处。 ， ０ ６ ０Ｗ ０ ０ 今天， 一些有经验的制造者们正在购买大功率激光器作为他们的第二系统， 以便 扩展激光切割加 向更厚材料范围迈进 。 ｌ ： 其它 的正在购买大功率激光器 以获得 高的生 产率， 并且Ｌｄ功率激光更能够达到高进给率加工薄板。某些首次使用激光的用户正 ｔ， 在购买异于他们竞争者的大功率系统， 这些用户可能并没有需要大功率激光的应用， 但是他们却选择之， 以便增加柔性和 附加功率， 提高加工能力及效率 。 还有一些 已经在 做 市场 调查， 以便更快地加入到使用大功率激光系统的行列之中 。 ２ 使用氮气 （２辅助气体切割厚截面不锈钢板 Ｎ） 大功率激光可 以加工出无氧化物边的厚钢板 。一个 ６ ０Ｗ 的激光器可 以加工厚 ，０ ０ 至１ ”的不锈钢板， 在这个应用中， 普遍使用高压氮气作为辅助气体。在高压惰性气体 切割中， 辅助气体主要的功能是避免切边氧化物的产生， 并在切缝内的熔化材料粘 在切边上形成毛刺之前快速而干净地吹走它。 氮气辅助气体被导入喷嘴轴 向聚焦激光束 的地方， 体流动通 向喷嘴 口并且 向下 气 以高速喷进切割缝 隙， 聚焦 的光束——功率部分——被深深置于材料之中， 这允许 切割缝隙的上边缘变得较宽， 增大了气体向切割缝隙的流动。 爿 ｃ收稿 日期 ：０４年 ５月 ２ ２０ １日 料本文根据 Ｋｅｉ Ｌ ｕ ｈｉ＊ ｖｎ ａｇ ｌ＇先生的文章编译 。 ｎ＇ 赵俊武编译， 高建军对全文提 出了宝贵的修改意见。 ＊＊ ｅｉ Ｌ ｕ ｈｉ Ｐ Ｃ激 光公 司 （Ｒ ＡＳ Ｒ 的销售 和市场副 总裁， Ｒ ＊ Ｋ ｖｎ ａｇ ｌ ｎ是 Ｒ Ｐ ＣＬ Ｅ ） Ｐ Ｃ位于新泽西 兰丁市 （ ａｄｎ ，ｅ ｅｓ ） 是美国火功率 Ｃ ２ Ｎ ：Ａ Ｌ ｎ ｉ Ｎ ｗＪｒ ｙ ， ｇ ｅ Ｏ 和 ｄ Ｇ工业激光源的制造商， ａ ｇ ｌ Ｙ Ｌ ｕｈｎ ｉ 先生在激 光工业领域 的各个位置一 已经工 作了 ｌ ｝ ： ８年， 写了许 多有 关激光 以及 激光切割 工业应用 、 撰 焊 接 、表面 处理和热 处理的论 文 。 维普资讯 －— — ４ － ６? — — 通信与测控 ２０ ０４年第 ２期 氮气辅助气体切割使用一个高压尖头喷嘴， 这个喷嘴被设计成使速度人且迫使 辅助气体 以该速度在 喷嘴 内流动 。在切割厚不锈钢板时， 辅助 气体 的压力范嗣通常在 ３０ ０Ｐ Ｉ（ 时）之间， ０￣４０ Ｓ 磅／ 薄不锈钢板 的切割压 力低 于 １０ Ｓ。 ５Ｐ Ｉ 使用氮气的激光切割不存在氧化层或黑皮， 意味着切割 的不锈钢零件在焊接之 这 前勿需大 范围的磨削或预处理 。使用氧气辅助 气体 切割 的零件， 必须除去氧化层 以确 保焊接 的完整性 。 二 次 磨 削是耗 费时 间的， 别对 于厚不 锈 特 钢板， 必须除去大量 的氧化污染物。 因为这种磨 削 大多使用 手工 处理， 因此实 际零 部件 的配 合 和 固定与 设计不一 致， 导致这些零件手 工焊接 困难 ， 并且几乎不 可能使用机器人焊接 。 使用 氮气切割 的零件具有光泽 明亮 的边， 且一旦从机床上卸下来就能够直接拿 去焊接 。 终零件 的切边垂直， 且没有锥度和毛刺 。 这样 的零件勿需再加工， 从激光切割机床上卸下来 后即可转到下一道工序 的加工之中。 响区 （ Ａ Ｈ Ｚ）（ 图 １。 参见 ） ２１ 能 力和生产率 ． 图 ｌ 厚 不锈钢板例 子 （ ／ ．１ 、 ３８ ／ ２ ３４ 、 ｌ 厚 ）， 用 ６ｗ激 光源加 工 ／ 使 ｋ 高压气体还 帮助零件冷却。激光集中于非常小的区域， 导致产生一个较小 的热影 使用 ４ ０～ ， ０ 激光器 ， 以以有竞争力的进给率ａ３ １ ， ０６ ０Ｗ ０ Ｏ 可 ｎ ”厚的不锈钢板， ２ 虽 更进工加 ￡ｋ 能蔫以，些 种．ｌ６Ｉ 加给零出排 获罴便值举 Ｉ ｌＩｌ 得一做这 ：．－ 紧率件更 的加附高 张 腾安 的 机 的 床 工 一Ｌ － ． Ｊ 。 ａ 切６＇ 料＿ ０边 的 。 ：６… 用 图 不功水下用气助体 ｎ ＿要 且 １ …Ｗ ， ‘ 同率平使氮辅气 ． ０ ０ ０ ２ Ｔ 的速 度是使 一 ＿ 。． ． 切 不 钢 切 较 维普资讯 第 １５ ０ 期 使用激光切割厚钢板 － ７－ － — —４ － — — 使用 ６ ０Ｗ 激光源， ，０ ０ 每小时的成本可能高达￥２ 。当使用氮气加工不锈钢时， ｌ０ 氮气辅 助气体被火量使用， 因此， 超过９ ％的小时加工成本与使用的辅助气体有关， ０ 少于 ｌ％ ０ 的加工成本被实际运行及维护激光 占用 。 成本初似乎很高， 但是， 对于成本的仔细分析， 可以证明使用激光的合理性。使 用激光加：厚不锈钢零件的成本趋近于 高过对碳钢 的加工， ［ 而激光切割的厚不锈钢零 件常常是仅能被高成本加工机床所加工的零件， 例如机加工机床和线切割 Ｅ Ｍ机床。 Ｄ 消除大多数二次及非附加值加工的成本， 例如磨削和去毛刺加工。二者的加工成本基 本相 当。 可能会发现进 一步 的时间节约 。 激光加工后在下游形成装夹时间的减少和配合的 改善。在许多情形中， 用激光获取的进给率也允许更快地生产出零件， 因此， 所有循环 时间减少。 例如， １０ 在 ０ 分钟里使用一台铣床加工的厚不锈钢零件能够被 ６ ０Ｗ切割系统在． ，０ ０ １ 分钟 内完成 。另外， ８ 激光产 生的零件勿需二次加工并且需要少的机器调整时间。 因为零件在机器上花费很少时间， 因此它的生产成本低， 并且切削机床被腾出来完成 其它附加工作。 ３ 使用氧气 （ ２ 作为辅助气体的厚碳钢切割 Ｏ） 大功率激光的另外一项应用是切割碳钢 。４ ０Ｗ 激光可 以加工厚至 ｌ ，０ ０ ”的碳钢， 而 ６ ０Ｗ 激光可 以加工 １ ／”厚的碳钢板 。 ．０ ０ ．８ ５ 氧气常被用于加工这 种厚度 范围的板材 。在厚碳钢板加工中， 氧气的主要功能是 辅助板材燃烧， 它亦帮助排出熔化 的材料。 典型的辅助气体压力和容量非常之低， 例如， 用于加工 １ ／”厚钢板典型的氧气压力在 ６ Ｐ Ｉ ．８ ５ ～８ Ｓ 之间。 像在惰性气体切割中一样， 辅助气体 （ 氧气） 通过喷嘴流动并向下进入切割缝隙， 它需要不问断地流动 以便从切割缝隙带走熔化的材料 。 氧气压力太 高容易引起不可控 制 的燃烧， 一旦燃烧开始， 几乎不需要辅助气体维持燃烧过程 。 但是， 熔化的材料仍然必须被连续不断流动的辅助气体所清除。如果使用一个标 准喷嘴，“ 冲击波 ”在辅助气 体柱 内将 引起切边 出现非常深的条纹和沟槽 。环状流动 喷嘴 能够解决这个 问题 ， 这将 在本文 后面做详细讨论 。 ３１ 能力和生产率 ． 大功率激光在碳钢切割能力增加上是有用的。 总之， 当功率增加时， 进给率的增益 是名义上的。存在一个功率／ 进给率的门槛值， 在该门槛值下， 给定厚度的材料可以使 用氧气来切割 。当进入一个加工必须等待利用氧气放 出热量反应 的点时， 注入材料 更 多功率并不必增加加工的进给率。材料可以仅仅以氧气所允许它燃烧的速度被加二， Ｉ 二 ‘ 这就是为什么加：薄钢板时， 【 大功率激光所对应的曲线调头向下 （ 参看图 ３ 。 ） ３２ 加工成本 ． 典型的使用氧气作为辅助气体切割碳钢 的加 成本范 围为每小时￥ ～ｌ， １ ： ９ ４激光切 维普资讯 维普资讯 总第 １５ ０ 期 使用激光切割厚钢板 － ９－ － — —４ － — — ５ 碳钢板质 量 激光切割厚截面钢板的主要因素是板材质量。板材质量可以剧烈变化， 使用激 光获得一致性结果 仅仅取决于选取高质量 的板材 。 杂质或高硅成分会在切割时引起破 裂或爆发， 火量的 附着物 、碳成分含量 以及遗留元 素率也是产 生劣质 结果 的因素 。板 材 的化学成分会剧 烈影响进给率 。 用户常常错误 的假设他们将被迫 为激光切割的优质 板材付出高额 的额外 费用， 实际上， 高质量板材 与那些标准板材相 比其价格是适当的。 近， 许多板材供 应商一直在试验并开发专为激光切割而 设计 的指定等级的板材 。 在 欧洲和亚洲 ， 钢材制造者现 在一直提供给 用户所 需 的激光 等级板材， 这是 因为 在这些地 区 早接 受使用激光加 工厚钢板 。在美 国， 的钢材制造者 正在 与使用切 割厚钢板 的大 功率激光供应 商 以及大制造公 司一同研制开发 一种更适宜于激光加工 的优 质板材 。 对于激光 加工 非常厚 的钢 板， 首先 与钢材 制造商联 系是重要 的， 了得 到质量和 为 所需厚度， 制造者们可能依靠直接处理板 材轧铷得到的结果。 获得 适 宜 于激 光 加 工 的板材 是 不 困 难 的。Ｂ ｔｌ ｅ ｅ ｅ ｍ钢 、Ｉｓｏ以及其 它提 ｈｈ ｐｃ 供者们现在有大量 的标准 “ 激光级 ” 产品， 这 些级 别 的产 品 不 比标准级 别 的产 品更 贵， 并且 比酸洗 的标 准 级 厚钢 板 更 便 宜 （ 参照 图 ５ 。 ） 图 ５ 氧气辅助气体切割厚截面碳钢板的 例子 （ ／ 、ｌ 、ｌ１ 、１１ 厚 ） ３４ 一／ ４ ．／ ２ ， 使 用 ６０ ０ 激 光 源加 工 ．０ Ｗ ６ 切割喷嘴设计 切割喷嘴 设计 涉及 到不锈钢 ， 对于 但 厚碳钢加工是一个更大的问题。在厚板材中， 喷射对于获得高质量切割是一个关键。 当切割 １ ／”厚碳钢时， ．８ ５ 大量熔化材料 必须被喷射 出来 。 得到尽可能多的氧气进入切割缝隙辅助燃烧是重要的， 并且要确认残渣从切缝 中 喷射干净。为了优化这个过程， 应当使用一种环状喷嘴。 与一个标准切割喷嘴一样， 环状喷嘴具有一个单独的主喷嘴， 激光通过它聚焦且 辅助气体柱从喷嘴 口流出。与标准喷嘴不同的是， 环状喷嘴有几个另外的喷嘴环绕着 主喷嘴， 这些附加喷嘴被用于得到更多的辅助气体以便流向下面进入切割缝隙。由于 更多的辅助 气体喷射环绕着主喷嘴， 大量气体以低 压进 入切割缝隙且没有紊流或冲击 波， 喷射 出的辅助气 体更强劲 。 如果使用单独 一个标准 喷嘴， 需要更大压力迫使气体进入切割缝 隙。增大辅助气 体喷射压力会在切割 面上 的切割缝隙里产生紊流或冲击波 ， 冲击波 引起切割燃烧不可 控制且材料断层， 切割 既不 干净 也不光滑 。 维普资讯 一 ５ Ｏ一 通信与测控 ２０ ０４年第 ２期 ７ 大功率切割系统设计 对于大功率激光系统光束传递 （ 输送）， 一个重要的方面是光束净化。光束净 化气体可 以定义为一个低速 流动 的清洁 、干燥 的空气或氮气， 它们被导入封 闭的激 光 束路径， 这个流动气体在封 闭的光束路径 内保持一个正压， 保证杂质 （ 从激光束路径 中清 除干净 。 一 或蒸汽 ）被 个好 的光束 净化装置需要从任何 激光系统获取一致性 的性 能而不管其功率 水 平 。在功率水平大于 ３ ０Ｗ 时， ，０ ０ 这是基本 的， 因为劣质光束净化装置常常在这些 功率水平时生成被放大了的问题。 在任何 Ｃ ２ Ｏ 激光系统中， 大量 的外部光学元件被用于传递从激光源到工件 的原始 光束， 每个外部光学元件之间运行的路径被封闭在一个坚硬的管道或可折叠的真空管 内， 这个罩子提供保护， 以免光束意外暴露或污染。 外部光束路径易于遭 受污染物诸如污物 、磨削尘埃以及其它大 的颗 粒的影响， 如 果它们被导入到光束路径内， 能扭曲原始光束的形状。明显的污染物诸如涂层以及化 学烟雾、 油雾、水蒸气以及其它碳水源虽然较少， 也能引起原始光束的偏离失真， 产生 灾难性后果。 这个偏离失真被称为热晕， 它非正常地扩大了激光束， 原始光束聚焦能力 被改变， 聚焦点在材料里外移动， 生成不一致和不可接受的切割结果。 为了阻止这种现象的发生且保持聚焦点恒定， 必须使用一个合适的光束净化装 置。 大多数激光系统制造商常常使用洁净、 干燥流动的气体或空气净化外部光束路径， 这在光束传递路径之内保持一个流动气体的正压并且从入 口处阻止污染物。 激光用户常常错误地认为， 具有光束净化装置的系统可以工作且仍保持峰值特性， 为了节约经费， 可以使用空气代替氮气作为光束净化气体。但是， 空气应该是干净的、 干燥的且不含油滴。 从车间压缩机 出来的气体作为净化光束路径标准气体是不适 当的， 因为即使在压缩机上使用一个空气干燥器 ， 也能在洁净的车 间空气 中发现油雾 、水 蒸气 以及碳水混合物 。 的解决方案是使用二次空气干燥器且把它安装在接近激光机器的地方， 空气 干燥器应该过滤空气颗粒至 ｌ 以内且调节露点至 ４ ｍ ｕ ０Ｆ或更低。使用一个专用的 空气干燥器 且一直在所有时间运转净化装置将会减少故障并提 高切割 质量。 ８ 低吸收透镜和输 出管接头 近， 光学元件制造商一直在推动与大功率激光源联结的低吸收外衣涂层光学元 件的使用， 这些涂层被特别用于输 出管接头 以及聚焦透镜， 并且被 设计 以延长作 为大 功率应用光学元件的寿命。 在大功率激光应用中， 输出管接头和聚焦透镜遭受巨量的集中能量和热， 低吸收 涂层外衣的 作使受此效应 的光学偏移量小 。做 到这一点， 。 Ｉ ： 减少了热对输 出管接 头 透镜 的老化 以及透镜聚焦点 的偏移 。 维普资讯 总第１５ ０期 使用激光切割厚钢板 一 ５ ｌ一 对 于工业界来说 ， 低吸收光学元件相对较新， 它们提 供某些超过标准光 学元件 理 论上的优势。低吸收光学元件比没有涂层外衣的光学元件价格高 ３￣５％， ０ ０ 考虑到可 能出现 的焦 点偏移或透镜老化， 低吸收光学元件可 能仍值得考虑 。 ９ 恒光束路径装置 近 的另外一项发展是在大功率系统中使用恒光路装置， 这些装置保 持光路恒 定 或接近恒 定长度 ， 在机器工作台的所有象 限内确保切割质量均匀 。 大功率系统 常常具有大 的工作 台， 并且 大多是飞行光 路 的机器， 这些 系统的光路 可 以变化 ， 平均从近场 （ 切割头离激光源的近距离 ）的 ７ 到远场 （ ｍ 切割头 离激光源 的远距离） ｌ ， 的 ２ 这样大的距离可能引起光束直径在近场或远场的细微变化， ｍ 它依 次改变在这些 区域 的激光 切割 能力 。 因为大功率激光被设计允许用户在切割厚材料 时化切割性能， 大多数这些系 统使用一个某种形式 的恒光路装置， 这些装置出现在几 个样 本 目录之 中， 包括： １ ）关节臂 这种形式的装置是 一种基 本的分段 管状臂结构 ， 臂的一端与激光 输出端相连 ， 另 一 端与切割 头相连， 臂上 的每一个关节处 内有一个反射镜引导光束从激光 的输 出端到 ． 切割头， 管子的 口径尺寸允许未聚焦 的光束适合而没有任何妨碍。关节臂也应装空 气或氮气净化装置。 使用关节臂确保光路被保持为一个恒定距离而不管切割头定位在什么地方， 这确 保不管切割发生时的工作台象 限， 激光切割大厚度 板材时切割质量 的一致性。 ２ ）光学滑轨 另一种恒光路装置是光学滑轨， 常被称为一种可调节的 Ｕ型管。该装置功能与关 节臂相似， 但是使用一个固定在滑盖上的反射光学元件 。滑轨 由一个伺服电机控制且 驱动系统 ｘ、Ｙ轴 同步移动 以保持一个预定的光 学路程 。 关节臂式和光学滑轨式装置在近场和远场获得一致性切割质量的结果大致相等 。 如果激光用户在计划获取切割能力和一致性切割结果时操作一个激光， 应该考虑 恒光路装置 。 １ 制造功率激光 ０ 大功率激光源给金属制造 者们提供厚截面板材切割功能， 以扩 展它们 的加工能力 和更快的薄钢板加工能力， 它们正在允许这些用户扩展应用， 在加工窄缝时， 进入以前 专供 Ｃ Ｃ铣床和线切割 Ｅ Ｍ 设的加工领域， Ｎ Ｄ 没有斜角 、 Ｈ Ｚ 二次加工及残渣 。 小 Ａ 、 当然， 制造者们有不同的切割要求， 且并非都能从使用大功率激光中获益。 对于某 项应用， 正确决定使用大功率激光与否的方法是咨询激光源供应商。 当前， 从欧洲到亚洲， 这种类型的系统对于造船 、重型设 、 运输和结构钢制造 工 （ 第４ 下转 ０页） 维普资讯 － — — ４ － ０? — — 通信与测控 ２０ 年第 ２期 ０４ 圆柱 形几何结构而 获得 的 。 图 ３Ｄ３Ｅ和 ３Ｆ 第二种可选 的椭 圆形桁架几何结构 （ ０， ０ ０ 示于 图 ２Ｂ） ９ 的俯视图、 前视 图和侧视 图。 这种结构适用于偏置反射器， 是通过改进用于图 １ ４ — 具体装置的圆 柱形儿何结构而获得 的。 图 ３Ａ ｌ 图 ３Ｂ ｌ 图 ３Ｃ ｌ 图 ３Ａ３Ｂ和 ３Ｃ 一种可选 的桁架几何结构 （ １ ，１ １ 示于 图 ２Ｃ ９ ）的俯视图、前视图 和侧视图。 种结构适用于偏置反射器， 这 是通过进用于图 １ —４中具体装置的圆柱形几 何结构而获得 的。 （ 待续 ） （ 第２ 上接 ９页） ３ Ｈ． ｒｓｗａ ｎＨ． ｒｂｙｓｉ Ｖ Ｂｓａｅ ｂｅｖｔｒｐｏ ｒｍｍｅ （ Ｏ ） Ｈｉ ａ ａｄ Ｈｉ ａａｈ，“ Ｌ ｐｃｏ ｓｒａｏｙ ｒｇａ ｏ ａ Ｉ ＶＳ Ｐ ｓ ｔｌ ｔ” Ｉ Ｅ ｒ ｓ ． ｌｃｒ ｎ Ｓ ｓ． ｇ ， ｏ ．０Ｐ ．７ ２ ， ｕ ｅ １ ９ ． ａｅｌ ｅ ， Ｅ Ｅ Ａｅ ｏ ｐ Ｅ ｅ ｔ ． ｙ ｔ Ｍａ ． １１ ，Ｐ １ — ３ Ｊ ｎ ９ ５ ｉ ｏ Ｖ ４ Ｓ Ｃ． ａｋａ ｄＧ． Ａｌｎ“ ｈ ｒ — ｃ ａ ｉａｄ ｓｇ ｎ ｎ ｙ ｉ ｓ ｓｅ ｆ ｒ ｈ ｕ ｈ ｓ ． Ｃｌｒ ｎ Ｅ． ｅ ，Ｔ ｅｍｏ ｍｅ ｈ ｎｃ ｅ ｉｎａ ｄａ ａ ｓｓ ｙ ｔｍ ｅｈ ｇ ｅ ｏ ｔ ７ ． ． ｐ ｒｂ ｌ ａ ｔｎ ａ ｅｅ ｔｒ ” ｐ ｅｅ ｔｄ ａ ｈ ３ ｄ ６ｉ ｎ ａａ ｏ ｉ ｃ ｎｅ ｎ ｒｆ ｃｏ ， ｒ ｓ ｎｅ ｔ ｅ ｒＡＩ ｔ ＡＡ／ ＭＥ ｏｎ ＡＳ Ｊ ｉｔ Ｔ ｅ ｍｏ ｈ ｓｃ ， ｌ ｉｓ Ｐ ａ 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