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)品的設計呈現(xiàn)多樣性、結構特點也越來越復雜，導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鍵設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，導出可用激光束，通過飛行光路傳導到切割頭，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。這類設備由于進入我國市場較早，擁有技術可靠成熟、切割厚度范圍大、易耗件便于采購、輔助氣體供應鏈完善、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，鐵路貨車采購應以CO2激光切割機為主。

激光切割機的安裝注意事項

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最外圍設置一圈減振溝。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，所以一般使用純凈水等代替。另外，應該在設備排水口處鋪設下水管道，以便于排放廢冷卻水。

激光切割機的質(zhì)量控制

激光切割機內(nèi)部預置有各類材質(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)適當調(diào)整，其余影響因素主要靠設備出廠質(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、預切割。切割程序設置路徑要盡量簡單，注意設置微連接等功能；切割前最好進行一次預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。

結束語

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，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，高的電光轉化率等優(yōu)點，未來它必然會成為切割設備的主力，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，當然它的應用領域會更加的廣泛，真正成為高質(zhì)、高效、節(jié)能的切割主力設備。