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高功率激光器和辅助气体的演变
来源:天津乐发vll有限公司 | 作者:思秋金属制品 | 发布时间: 2011-04-06 | 2011 次浏览 | 分享到:
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高功率激光器采用率不断提高的趋势不太可能很快结束。凭借达到 20 kW 的激光切割功率,这些设备能够精确切割高达 1.5 英寸的材料,这种厚度曾经只用于水刀和等离子切割机。

激光切割加工

然而,采用这些高功率设备需要考虑新的因素。所有金属制造商都喜欢增加的切割能力。例如,平均而言,与 10 kW 光纤激光器电源相比,新型 20 kW 光纤激光器可将切割速度提高多达 50%。当使用氮气作为激光辅助气体进行切割时,这种比较是有效的,这一点很重要,因为这些新型高功率光纤激光切割机的氮气消耗量急剧增加。传统设备根本无法匹配可在高功率光纤激光切割机上用氮气高效切割的材料厚度范围。

氮气是首选气体,因为它可以防止激光切割边缘被氧化,当使用氧气作为辅助气体时就会发生这种情况。(粉末涂料和油漆通常不能粘附在氧化的金属边缘。)这会导致以下情况:金属制造商喜欢每小时生产比旧激光切割机更多的零件,并尽量减少下游处理,例如研磨为了去除氧化痕迹,它使用氮气作为辅助气体。因此,制造商可能会使用比以往更多的氮气——尤其是切割板材时。

商店是否寻找更大的散装罐?这是一种可能性,但它可能不是最具成本效益的答案。与天然气供应商的关系需要合同,这将金属制造公司锁定在几乎没有灵活性的财务安排中。此外,在许多情况下,晶圆厂离气体供应商越远,气体就越贵。

增加的氮气消耗也回避了一个问题,即设施的管道系统是否可以容纳新的气体量。随着散装罐的扩大,可能需要重新铺设整个基础设施。

在投资购买了包括材料处理和零件分拣自动化在内的新型高功率激光切割机后,任何金属制造商都会对尽量降低运行激光器的持续成本表现出兴趣。这就是为什么当他们采用高功率激光切割时,越来越多的人对将氮气发生器作为设备组合的一部分表现出兴趣。

激光切割加工

一,激光切割重要组成部分:制氮

制氮对金属制造行业来说并不新鲜,但它正被更广泛地接受。许多商店可能曾一度对这项技术持怀疑态度,并发现传统的散装容器或杜瓦瓶更可靠。今天,高功率光纤激光器对氮气的渴望正在将任何挥之不去的疑虑变成全面的兴趣。

制氮装置并没有真正产生氮气,而是从周围的大气中提取它。氮气约占人类呼吸空气的 78%,氧气约占 21%。其余的是氩气和微量的其他气体,如二氧化碳和甲烷。

主要有两种产生高纯度氮气的方法:膜法和变压吸附法。在膜过程中,气体流过一组中空纤维;氧分子流过,因为它们比纤维的孔隙小,而比孔隙大的氮分子迁移到激光器

产生氮气的膜过程的重点是让气流通过一组中空纤维。氧分子流过纤维,因为它们比纤维的孔隙小,而比孔隙大的氮分子则通过激光切割机。

变压吸附涉及一个双罐装置,在两个罐上都有一个碳分子筛来捕获氧分子。当一个罐捕获氧气时,筛子允许氮分子垂直传递到第二个罐。当第一个罐不能再吸附额外的氧分子时,两个罐之间就会发生压力波动,第二个罐加压,第一个罐排出收集的氧气。然后第一个罐充满氮气,分离循环再次开始。整个过程处于恒定的平衡状态

目前,变压吸附方法是激光切割中最常用的氮气生成方法。它可以产生非常纯净的氮气,并在更高的压力下为需要它们的激光切割机提供强大的流速。

二,激光切割输入气体混合物

近年来,对气体混合进行了大量研究——在激光切割过程中向氮气中添加另一种气体。主要动机是提高切削率;这个想法是一些氧气的存在可以提高切割温度,从而以更高的速度去除金属。这在许多情况下都有效,但并非在所有情况下都有效。

最近发现的气体混合的一个好处是能够减少纤维毛刺 - 金属底部的毛刺和熔渣,尤其是铝,在使用惰性气体(如氮气)切割金属后出现的任何高功率光纤激光器. 这种毛刺是由于材料冷却太快造成的,因为它通过底面喷射并重新铸造在型材的边缘上。气体混合物中氧气的存在以及由此导致的切割温度升高有助于将毛刺降至最低,许多金属制造商可以接受激光切割结果,而不必担心下游去毛刺。

与使用纯氮气相比,使用这种类型的气体混合物的结果可能非常引人注目。例如,一项涉及 6 千瓦光纤激光切割 0.375 英寸的测试。低碳钢表明,97% 的氮气和 3% 的氧气混合气体产生 110 IPM 的切割速度,这比仅使用氮气作为辅助气体的 90 IPM 有显着提高。

使用更高功率的机器,结果会更加引人注目。10 kW 光纤激光器使用相同的气体混合物加工相同的材料,实现了高达 230 IPM 的切割速度。使用纯氮气作为激光辅助气体,同一台机器仅达到 183 IPM。

这只是两个例子,但金属制造商在使用这些气体混合物时可以期待更高质量的边缘、更高的切割速度和更少的氮气消耗。显然,结果会因所使用的激光切割机和规定的气体比例混合物而异。

金属制造商在使用混合气体时担心边缘氧化,他们完全有理由担心,但他们也可能会感到惊讶。一些金属制造商发现,用 95% 氮气和 5% 氧气的气体混合物切割的零件足以很好地接受油漆涂层,并且在耐刮擦性和天气测试中表现令人满意。另一方面,一些需要零件经受广泛盐雾测试的制造公司发现,在激光切割过程中使用混合气体为更多测试失败打开了大门。 . 同样,应用程序和用户期望决定了使用这种混合气体是否有意义。

这些气体混合物通过体积小且价格便宜的按需气体混合系统输送到激光切割机。气体混合器可以很容易地为切割应用调入正确的氮气和氧气比例。

这些气体混合器连接到氮气生成系统和通常的高压氧气杜瓦瓶。由于进料压力太低,大量氧气供应通常不适用于这种设置。其中一个氧气罐的进料压力可能为 145 PSI,与来自制氮系统的 350 PSI 进料压力相比,这是不够的。如果进入的氧气供给压力比氮气供给压力小 20 PSI,氮气将取代氧气,气流将变得不平衡。氧气的高压杜瓦瓶使气体混合物保持正确的平衡。

制氮系统的整体尺寸包括两个主要部分:生成单元和储罐。发电机组占地约 6 x 6 平方英尺,高约 8 英尺。储水罐看起来像一堆水肺罐,靠近发电机组堆叠,使整体占地面积增加了几英尺。相比之下,按需气体混合器较小:2 x 2.5 英尺,高约 3 英尺。

氮气生成设备的尺寸使其成为将其放置在激光切割机上方(例如夹层中)的理想选择。为了充分利用现有的平方英尺,商店希望在任何地方都可以使用辅助支持设备进行主力机床的垂直化。氮生成系统是这种方法的合适候选者。

激光切割加工

三,激光切割未来发展方向

随着激光切割机功率的增长和金属制造商对使用纯氮气作为辅助气体之外的可能性持开放态度,对气体混合的研究可能会继续进行。机床公司将探索他们可以为切削应用引入多少氧气,以提高切削速度并改善切削边缘,而不会留下太多氧化迹象。这些公司还将考虑将替代气体添加到组合中,特别是考虑到钛和其他特种金属的数量增加,制造商被要求为不断增长的商业航天工业切割。

尽管与氮气生成和这些系统可用的新气体混合物相关的所有积极因素,但一些金属制造商仍在拖延。最初的资本投资可能会失败,特别是如果他们目前的气体输送方法和储罐有效。

这就是这些公司所有者和经理需要改变他们的观点的地方。氮生成为金属制造商提供了提高生产率、实现成本确定性甚至提高产品质量的机会,由于持续的行业研究,有可能看到进一步的改进。如果制造商正在运行高功率激光切割机,他们将无法忽视氮气的产生。


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