激光切割技術在鐵路貨車鈑金製造中的應用

本文重點介紹了激光切割機在鐵路貨車鈑金製造中的選型、應用、安裝注意事項、質量控制原則以及未來的發展方向。

激光切割機作為鈑金件的常用加工設備，具有精度高、邊緣熱影響區小、切割斷面質量好、割縫窄、切割斷面平滑等優點，常常作為企業採購的首選設備。

伴隨著鐵路貨車的發展，重載、快捷、輕量化已成為其主要的發展方向。鐵路貨車產品的設計呈現多樣性、結構特點也越來越複雜，導致異形鈑金件從種類和數量上越來越多，從經濟性上考慮只能採用切割下料方式加工。尤其近年來鐵路貨車新產品中廣泛應用了不鏽鋼、鋁合金等材質，對斷面質量及熱影響區要求極高，這也加劇了鐵路貨車製造行業切割能力不足，製造工藝水平不高的現狀。因此，許多鐵路貨車製造廠也迫切需要採購激光切割機等關鍵設備解決目前能力瓶頸，提質增效。

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、離子化的材料產生割縫，來實現切割加工的。（而光纖激光切割機則是將大量半導體管集中激發後將其中產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，切割頭移動範圍不超過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,進而影響切割質量），模式一般為TM01（個別廠家承諾能達到TM00），光電轉換率一般，需要水冷卻系統帶走多餘熱量，還需要壓縮空氣對飛行光路等部位進行保護和空氣冷卻。這類設備由於進入我國市場較早，擁有技術可靠成熟、切割厚度範圍大、易耗件便於採購、輔助氣體供應鏈完善、廠商眾多等優勢佔有絕大部分的市場份額。

如圖1所示，光纖激光切割機商業化的時間比較短，市場份額佔比小，最主要是波長較短，僅有CO2激光切割機的1/10，這較易於材料吸收熱量產生熱影響區。鐵路貨車鈑金件的常用厚度範圍在2～10mm之間，材料種類有碳鋼、不鏽鋼（鐵素體和奧氏體）、鋁合金等，尺寸精度要求高，對切割熱影響區的大小尤為重視。因此，這一缺點就鐵路貨車製造來說是不能接受的，鐵路貨車採購應以CO2激光切割機為主。

激光切割機的安裝注意事項

很多企業認為CO2激光切割機採購回來，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、穩壓電源、減壓閥、三種激光發生氣體和兩種輔助切割氣體以及恆溫間等配套設施，如果使用杜瓦瓶還需要減壓汽化裝置和過濾裝置。

激光切割機對環境的要求較高。周圍設備的振動會對其加工精度產生很大影響，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恆溫間里，但由於還需要上下料，外部交換工作台必須穿過牆體布置在恆溫間外，如圖2所示。

外部交換工作台

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，因此恆溫間不能與機身硬性接觸，主機與恆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，為了減少恆溫間里空調系統的壓力通常直接為其設置直通恆溫間外的散熱口，如圖3所示。這裡還有一個小竅門，可以在這裡開一個抽拉蓋。作用是夏天熱氣向恆溫間外排放，冬季熱氣直排到恆溫間內以節約能源。

圖 散熱口

並且由於除塵系統的布袋和廢料豆抽屜都需要定期清理，所以在恆溫間設計時要充分考慮作業面積，同時，還要注意檢修通道。

水冷卻系統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（工業蒸餾水）用於冷卻系統。其中500L用於初次水箱清洗；500L用於調試驗收階段；最後500L在驗收結束後加到水冷機里使用，並確保至少每半年更換一次。由於國內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，以便於排放廢冷卻水。

激光切割機的質量控制

激光切割機內部預置有各類材質、各種厚度的參考切割參數值，一般調用切割程序後可以直接選取進行切割。但由於鐵路貨車均為中厚板，往往切割質量不佳，出現切不透和掛渣現象，對於這種情況操作人員是比較頭痛的，那麼如何才能提高質量呢？大體因素分為四大類：

(1)激光發生器：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範圍內適當調整，其餘影響因素主要靠設備出廠質量和具體選型保證。

(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於待加工板材。

(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：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迹，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。這裡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，再調整切割速度，最後再嘗試改變焦點位置的方法進行逐步調節。當切割質量穩定後，再固化到加工參數和數控程序中，但要注意不要破壞原參數，要新存一個。

在對不同板材、不同厚度調節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」調節，厚板按「低壓低速」調節，不鏽鋼板和鋁合金板薄板按「低壓高速」調節，厚板按「高壓低速」調節的調整方向嘗試。另外，一般情況下碳鋼切割採用O2穿刺O2切割，不鏽鋼和鋁合金採用O2穿刺N2切割，但經過實驗發現對於鐵路貨車的中厚板各材質採用N2穿刺N2切割效果更好。

曾經有使用單位詢問說，為什麼中厚度的碳鋼切割斷面沒有出現藍色緻密光滑的狀態？其實只要增加輔助氣體的出口氣壓一般都會出現，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基本發展到極限，而光纖激光切割機隨著美國IPG公司的大功率激光發生器逐步商業化，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、高效、節能的切割主力設備。

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