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本文重點介紹了激光切割機在鐵路貨車鈑金制造中的選型、應(yīng)用、安裝注意事項、質(zhì)量控制原則以及未來的發(fā)展方向。
激光切割機作為鈑金件的常用加工設(shè)備，具有精度高、邊緣熱影響區(qū)小、切割斷面質(zhì)量好、割縫窄、切割斷面平滑等優(yōu)點，常常作為企業(yè)采購的首選設(shè)備。
伴隨著鐵路貨車的發(fā)展，重載、快捷、輕量化已成為其主要的發(fā)展方向。鐵路貨車產(chǎn)品的設(shè)計呈現(xiàn)多樣性、結(jié)構(gòu)特點也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致異形鈑金件從種類和數(shù)量上越來越多，從經(jīng)濟性上考慮只能采用切割下料方式加工。尤其近年來鐵路貨車新產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用了不銹鋼、鋁合金等材質(zhì)，對斷面質(zhì)量及熱影響區(qū)要求極高，這也加劇了鐵路貨車制造行業(yè)切割能力不足，制造工藝水平不高的現(xiàn)狀。因此，許多鐵路貨車制造廠也迫切需要采購激光切割機等關(guān)鍵設(shè)備解決目前能力瓶頸，提質(zhì)增效。
激光切割機的選型 目前，市場上有兩大類激光切割機分別是CO2激光切割機和光纖激光切割機。CO2激光切割機是將二氧化碳、氮氣和氦氣按照比例，以幾千倍的大氣壓通過一對正負電極，從而產(chǎn)生激光，再利用諧振腔，導(dǎo)出可用激光束，通過飛行光路傳導(dǎo)到切割頭，經(jīng)聚焦鏡將激光聚焦在加工件上，利用激光射線的單一性和高溫熔化、汽化、離子化材料，再配合輔助切割氣體吹掉熔化、汽化、離子化的材料產(chǎn)生割縫，來實現(xiàn)切割加工的。（而光纖激光切割機則是將大量半導(dǎo)體管集中激發(fā)后將其中產(chǎn)生的若干激光束耦合再通過光纖傳送到切割頭。）
我國目前市場上的CO2激光切割機的功率均不超過6kW，切割頭移動范圍不超過2m×6m（原因是飛行光路超過9m激光束會衰減,影響聚焦的模數(shù),進而影響切割質(zhì)量），模式一般為TM01（個別廠家承諾能達到TM00），光電轉(zhuǎn)換率一般，需要水冷卻系統(tǒng)帶走多余熱量，還需要壓縮空氣對飛行光路等部位進行保護和空氣冷卻。這類設(shè)備由于進入我國市場較早，擁有技術(shù)可靠成熟、切割厚度范圍大、易耗件便于采購、輔助氣體供應(yīng)鏈完善、廠商眾多等優(yōu)勢占有絕大部分的市場份額。如圖1所示，光纖激光切割機商業(yè)化的時間比較短，市場份額占比小，最主要是波長較短，僅有CO2激光切割機的1/10，這較易于材料吸收熱量產(chǎn)生熱影響區(qū)。鐵路貨車鈑金件的常用厚度范圍在2～10mm之間，材料種類有碳鋼、不銹鋼（鐵素體和奧氏體）、鋁合金等，尺寸精度要求高，對切割熱影響區(qū)的大小尤為重視。因此，這一缺點就鐵路貨車制造來說是不能接受的，鐵路貨車采購應(yīng)以CO2激光切割機為主。
很多企業(yè)認為CO2激光切割機采購回來，接上電就可以用了，其實不然。該設(shè)備還需要壓縮空氣、冷卻水、穩(wěn)壓電源、減壓閥、三種激光發(fā)生氣體和兩種輔助切割氣體以及恒溫間等配套設(shè)施，如果使用杜瓦瓶還需要減壓汽化裝置和過濾裝置。
激光切割機對環(huán)境的要求較高。周圍設(shè)備的振動會對其加工精度產(chǎn)生很大影響，因此，在土建施工時需要在基礎(chǔ)最外圍設(shè)置一圈減振溝。在北方城市冬天寒冷，夏天炎熱，早晚溫差大，這對鏡片等元器件影響很大。因此常常需要將其主體安裝在恒溫間里，但由于還需要上下料，外部交換工作臺必須穿過墻體布置在恒溫間外，如圖2所示。
外部交換工作臺 另外，激光切割機機身的設(shè)計考慮了自身共振的因素以確保精度，因此恒溫間不能與機身硬性接觸，主機與恒溫間需要減振夾層和絕熱層。冷卻裝置和電控箱在切割時會大量散熱，為了減少恒溫間里空調(diào)系統(tǒng)的壓力通常直接為其設(shè)置直通恒溫間外的散熱口，如圖3所示。這里還有一個小竅門，可以在這里開一個抽拉蓋。作用是夏天熱氣向恒溫間外排放，冬季熱氣直排到恒溫間內(nèi)以節(jié)約能源。
圖 散熱口 并且由于除塵系統(tǒng)的布袋和廢料豆抽屜都需要定期清理，所以在恒溫間設(shè)計時要充分考慮作業(yè)面積，同時，還要注意檢修通道。
水冷卻系統(tǒng)中需要的去離子水也常常被忽視。在安裝初期需要1500L電導(dǎo)率＜ 10 μS/cm的蒸餾水（工業(yè)蒸餾水）用于冷卻系統(tǒng)。其中500L用于初次水箱清洗；500L用于調(diào)試驗收階段；最后500L在驗收結(jié)束后加到水冷機里使用，并確保至少每半年更換一次。由于國內(nèi)的蒸餾水往往不達標(biāo)，所以一般使用純凈水等代替。另外，應(yīng)該在設(shè)備排水口處鋪設(shè)下水管道，以便于排放廢冷卻水。
激光切割機內(nèi)部預(yù)置有各類材質(zhì)、各種厚度的參考切割參數(shù)值，一般調(diào)用切割程序后可以直接選取進行切割。但由于鐵路貨車均為中厚板，往往切割質(zhì)量不佳，出現(xiàn)切不透和掛渣現(xiàn)象，對于這種情況操作人員是比較頭痛的，那么如何才能提高質(zhì)量呢？大體因素分為四大類： (1)激光發(fā)生器：輸出功率、激光模式、激光偏振、光束平行度、激光直線度；其中只有輸出功率可以在額定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整，其余影響因素主要靠設(shè)備出廠質(zhì)量和具體選型保證。 (2)切割頭：合適的切割鏡片、清潔的切割鏡片、準(zhǔn)確的焦點位置、噴嘴種類、噴嘴尺寸、光束是否在噴嘴中心。不同厚度的板材選用不同的切割鏡片，廠家一般提供5寸、7.5寸、10寸聚焦鏡片，鏡片廠家除日本廠商外，一般都是美國Ⅱ-Ⅵinfrared公司。每次切割前，操作人員都應(yīng)對鏡片進行清潔，選取適合的噴嘴，查看切割頭是否垂直于待加工板材。 (3)編程：可靠的切割路徑、預(yù)切割。切割程序設(shè)置路徑要盡量簡單，注意設(shè)置微連接等功能；切割前最好進行一次預(yù)切割以確定是否正確，如圖4所示。
圖 程序控制界面 (4)適合的工藝參數(shù)：穿刺點、噴嘴高度、功率、切割速度、輔助氣體純度和出口氣壓。
如果穿刺點在零件輪廓線上還是會看到明顯的灼傷痕跡，所以，盡量在輪廓線外側(cè)啟弧切線進入效果比較好。
其實影響切割質(zhì)量最大的是輔助氣體純度和出口氣壓、切割速度、焦點位置。這里建議先盡量選用氣體純度較高的輔助氣體，在此基礎(chǔ)上，嘗試增加輔助氣體出口氣壓，再調(diào)整切割速度，最后再嘗試改變焦點位置的方法進行逐步調(diào)節(jié)。當(dāng)切割質(zhì)量穩(wěn)定后，再固化到加工參數(shù)和數(shù)控程序中，但要注意不要破壞原參數(shù)，要新存一個。
在對不同板材、不同厚度調(diào)節(jié)輔助氣體的出口氣壓和切割速度時，可以本著碳鋼薄板按“高壓高速”調(diào)節(jié)，厚板按“低壓低速”調(diào)節(jié)，不銹鋼板和鋁合金板薄板按“低壓高速”調(diào)節(jié)，厚板按“高壓低速”調(diào)節(jié)的調(diào)整方向嘗試。另外，一般情況下碳鋼切割采用O2穿刺O2切割，不銹鋼和鋁合金采用O2穿刺N2切割，但經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)對于鐵路貨車的中厚板各材質(zhì)采用N2穿刺N2切割效果更好。
曾經(jīng)有使用單位詢問說，為什么中厚度的碳鋼切割斷面沒有出現(xiàn)藍色致密光滑的狀態(tài)？其實只要增加輔助氣體的出口氣壓一般都會出現(xiàn)，希望以上這些使用單位多多嘗試。
其實CO2 激光切割機受到輸出功率等因素的制約已經(jīng)基本發(fā)展到極限，而光纖激光切割機隨著美國IPG公司的大功率激光發(fā)生器逐步商業(yè)化，技術(shù)的不斷成熟，在未來波長短的缺點會被彌補、耦合光束中的有害光也會得到控制、掛渣現(xiàn)象好轉(zhuǎn)，再加上除了需要消耗輔助氣體和少量鏡片外就只需要電能，高的電光轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點，未來它必然會成為切割設(shè)備的主力，尤其在鐵路貨車中厚板切割中，完全有實力取代等離子切割機和火焰切割機，當(dāng)然它的應(yīng)用領(lǐng)域會更加的廣泛，真正成為高質(zhì)、高效、節(jié)能的切割主力設(shè)備。
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