CO2激光器的供氣設備的選擇方法和要點

位于美國Ohio州Lima市的Allen County Fabrica-tion公司是一家從事加工制造行業(yè)的廠商，它采用了TRUMPF公司L3050 5kW CO2 激光器來進行各種材料的加工。特別的是，該公司需要對厚度達1英寸的碳素鋼進行加工，而需要加工的不銹鋼厚度達3/4英寸，鋁板的厚度達1/2英寸。

??????? 就供氣裝置的事宜，該公司的激光技術人員Jeff Thompson專門咨詢了CONCOA公司的區(qū)域負責人Bob Montgomery。Allen County Fabrication公司希望建立一套供氣設備為激光器輸送氣體。激光氣體將被儲存在高壓氣缸中。通常的作法是讓輔助氣體從壓強為500 PSI （磅/平方英寸）的液壓缸中送出。
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??????? 但是隨著業(yè)務的發(fā)展，更理想的做法是將氣體儲存在大容量氣缸中，這樣就無需更換氣體調(diào)節(jié)裝置以及多管裝置。此外，當切割厚度介于3/8至1/2英寸或者更厚的不銹鋼或鋁板時，使用2.3 mm的噴嘴經(jīng)常會出現(xiàn)氣體停止輸送的情況。因此，Allen County Fabrication公司希望新設備能夠避免這類系統(tǒng)關閉的問題。在這些應用中，輔助氣體氮氣具有高流動性，這使得該公司在生產(chǎn)線上出現(xiàn)壓強下降的情形，這會觸發(fā)激光器的保護電路，導致激光器被關閉。該公司切割這些材料時，平均每天會關閉三次，所需的修復時間每次約為15分鐘。

??????? 激光氣體或者共振腔氣體很容易輸送。CO2、氮氣和氦氣是通過壓強為2200 PSIG (磅/平方英寸，表壓) 的高壓氣缸來供氣的。這種供氣方式既合算又方便，因為共振腔氣體的消耗率很低。對于每種氣體來說，流入激光腔時的壓強是80 PSIG，流速范圍在0.005到0.70 scfh（標準立方英尺/小時）之間。

??????? TRUMPF公司對激光氣體純度的要求是：氦氣—4.6級/99.996%純度；CO2—4.5級/99.995%純度；氮氣—5級/99.999%純度。

??????? 實際上，通過對氣體的純度級別進行詳細的規(guī)定，人們發(fā)現(xiàn)主要有三種污染需要被降低：碳氫化合物，濕度和顆粒物質。碳氫化合物含量必須限制在百萬分之一以內(nèi)，濕度必須小于百萬分之五，而粒子必須小于10微米。這幾類污染的存在會導致光束功率的嚴重損耗。而且它們還可能在共振腔的鏡子上留下沉積物或者腐蝕點，這就降低了鏡子的有效性，縮短了它們的使用壽命。

??????? 對于激光氣體來說，Allen County Fabrication公司為每種氣體建立了一套切換系統(tǒng)，以一個液壓缸作為主要供氣源，另一個液壓缸作為備用供氣源。一旦作為主要供氣源的液壓缸空了，作為備用供氣源的液壓缸就被切換過來進行供氣，這樣就避免了當主要供氣源的氣體用完時激光器被自動關閉的情況。終端控制面板有三路控制器，能夠對激光器入口處的入口壓強進行微調(diào)。對于調(diào)節(jié)裝置來說，氦氣的泄漏率約為1X 10-8 scc/s (標準立方厘米/秒，換算后，氦氣的泄漏率約為1立方厘米/3.3年)。不銹鋼管和管道壓縮裝置被用來維持氣體的高純度。轉換裝置還集成了一個T形過濾器，該凈化器能夠清除任何進入管道內(nèi)的污染物，這些污染物可能來自初始架構階段，或者更換液壓缸的時候，或者任何可能出現(xiàn)在管道中的泄漏。在氣體進入激光器的時候，一個精度為2微米的過濾器和一個大流量安全閥提供最后的保護，以避免粒子污染或者過壓情況的出現(xiàn)。

??????? Allen County Fabrication公司對于輔助氣體的要求更為嚴格。該公司使用氧氣作為切割碳素鋼時的輔助氣體。氧氣的噴嘴大小在1.0 mm到2.3 mm之間，噴嘴壓強最大可以達到50 PSIG，流速達到250 scfh。因為在激光器和管道中，壓強降幅可達100 PSIG，所以調(diào)節(jié)器處壓強很可能設置得很高，以確保噴嘴處有足夠的壓強。TRUMPF公司建議，氧氣純度至少要達到99.95%或3.5級，不過，如果氣體純度更高的話，所得到的切割速度會更高。

??????? 氮氣可以被用于碳素鋼、不銹鋼、鋁材料的輔助切割。使用氮氣時所得的碳素鋼切割速度比使用氧氣所得的速度來得低。但是，使用氮氣會避免氧化物在切割表面的沉積。使用氮氣時，噴嘴的大小范圍在1.0 mm到2.3 mm之間，噴嘴處壓強最大可達到265 PSIG，流速可達到1800 scfh。TRUMPF公司建議，氮氣純度至少要達到99.996%或4.6級。同樣的，如果氣體純度更高的話，所得到的切割速度會更高，切口也更整潔。所有與輔助氣體相關的設備也必須經(jīng)過專門設計，以維持氣體的高純度。

??????? 輔助氣體的流速更高就使得液壓缸或者杜瓦瓶與高壓氣缸相比成為更合算的供氣源。因為所存儲的是低溫條件下的液態(tài)物質，蒸發(fā)的氣體存儲在頂部空間。常見的液壓缸有不同型號的安全閥，其送氣氣壓分別為230、350或500 PSI。通常，壓強為500 PSI的液壓缸（又叫做激光器液壓缸）是唯一合適的型號，因為激光輔助氣體需要很高的壓強。從液壓缸中抽取物質時可以是氣態(tài)或者液態(tài)形式。然而，必須是氣態(tài)的物質才可以通過激光器和激光調(diào)節(jié)裝置，如果使用的是液化氣，那么液化氣必須先經(jīng)外置氣化器氣化過后才能被使用。

??????? 需要指出的是，從液壓缸內(nèi)抽出氣體的過程可以是相當復雜的。從單個杜瓦缸中抽取氣體的最大速率約為350立方英尺/小時，在連續(xù)使用的情況下，因為液壓缸的容量開始下降，抽取率也會不斷下降。在不同液壓缸中應用多管裝置并不總是起到正面作用。因為由不同液壓缸的頂部壓強所得到的速率會不相等，而壓強大的液壓缸中的氣流可能會擋住從壓強小的液壓缸中得到的氣流。使用多管裝置時，每增加一個液壓缸，僅增加了原杜瓦瓶流量的20%（即 70立方英尺/小時）。為了提高液壓缸多管裝置的氣流量，還必須安裝一個多管閥。多管閥可以使得各個液壓缸頂部的氣壓更為平均，從而使得對不同液壓缸中氣體的抽取過程也更平均。使用多管閥時，每增加一個液壓缸，大約能夠增加原杜瓦瓶流量的80%（即280立方英尺/小時）。

??????? 對于氧氣和氮氣作為輔助氣體的情況，Allen County Fabrication公司更傾向于選擇液壓缸來進行供氣。將來，公司希望氮氣的供氣方式變成固態(tài)罐。因為對氧氣的要求不是很高，最高僅為50 PSI和250 scfh，這可以通過兩個液壓缸利用多管連接到一個圓頂加壓、平衡桿式調(diào)節(jié)器。平衡桿式的設計使得每小時的流量可以高達10000立方英尺/小時，而且壓強下降幅度很小，約在30-40 PSI之間。傳統(tǒng)的反向閥座調(diào)節(jié)器并不適合這里的應用，因為它們的氣流曲線有嚴重的下降。隨著對調(diào)節(jié)器流速要求的上升，它們所得到的出口處壓強下降得更嚴重。這樣，當激光器內(nèi)最小的壓強無法維持時，保護電路被觸發(fā)，激光器就被自動關閉。

??????? 調(diào)節(jié)器的圓頂加壓特性讓一小部分氣體從主級調(diào)節(jié)器中排出，送至次級調(diào)節(jié)器，次級調(diào)節(jié)器再將氣體送回該主級調(diào)節(jié)器的圓頂處。使用這些氣體，而不是用彈簧，來壓住橫膈膜打開閥座，讓下游的氣體通過。這樣的設計使得出口處壓強可以在0-100 PSI之間或在0-2000 PSI之間變化，而且，盡管入口處的壓強存在波動，出口處的流速和壓強也能保持不變。

??????? 以液壓缸供應氣體的方式來提供氮氣并不是很實用。因為所需的最大流速為1800 scfh，壓強則為256 PSIG，這將需要八個液壓缸一同進行多管式供氣，并且必須使用多管閥來實現(xiàn)這項任務。然而，如果將液體從兩個液體罐中抽取出來，然后送入流速為5000 scf的帶散熱片型氣化器。從氣化器流出的氮氣被送入類似于氧氣供氣設備中的圓頂加壓、平衡桿式調(diào)節(jié)器。

??????? 為了加快從液體罐中抽取氣體的過程，并且維持兩個液壓缸頂部壓強，該公司又使用了一個杜瓦瓶作為推動器。從該液壓缸中抽取出來的氮氣被調(diào)節(jié)器送入兩個原有的液壓缸中，流速為450 PSIG。
??????? 氧氣和氮氣供氣裝置在激光器的入口處都包括了一個精度為40微米的T形過濾器和一個大流量安全閥。與共振腔氣體類似，這些裝置起到最后的保護作用，防止粒子污染和過壓情況的產(chǎn)生。

??????? 對Allen County Fabrication公司來說，新裝置的啟用不僅提高了效率，還節(jié)約了成本。從他們開始使用新型供氣系統(tǒng)到目前為止的三個月中，激光從來沒有發(fā)生過自動關閉的情況，而且使用了液壓缸后，公司所得到的收益增加了20%到25%。除了在氣體方面的資金節(jié)約外，該公司也減少了更換液體罐的次數(shù)，每更換一次大約需要30分鐘。節(jié)約的成本每月約為700到1000美元。