CO2激光器的供气设备的选择方法和要点

CO2激光器的供气设备的选择方法和要点

位于美国Ohio州Lima市的Allen County Fabrica-tion公司是一家从事加工制造行业的厂商，它采用了TRUMPF公司L3050 5kW CO2 激光器来进行各种材料的加工。特别的是，该公司需要对厚度达1英寸的碳素钢进行加工，而需要加工的不锈钢厚度达3/4英寸，铝板的厚度达1/2英寸。

        就供气装置的事宜，该公司的激光技术人员Jeff Thompson专门咨询了CONCOA公司的区域负责人Bob Montgomery。Allen County Fabrication公司希望建立一套供气设备为激光器输送气体。激光气体将被储存在高压气缸中。通常的作法是让辅助气体从压强为500 PSI （磅/平方英寸）的液压缸中送出。
        
        但是随着业务的发展，更理想的做法是将气体储存在大容量气缸中，这样就无需更换气体调节装置以及多管装置。此外，当切割厚度介于3/8至1/2英寸或者更厚的不锈钢或铝板时，使用2.3 mm的喷嘴经常会出现气体停止输送的情况。因此，Allen County Fabrication公司希望新设备能够避免这类系统关闭的问题。在这些应用中，辅助气体氮气具有高流动性，这使得该公司在生产线上出现压强下降的情形，这会触发激光器的保护电路，导致激光器被关闭。该公司切割这些材料时，平均每天会关闭三次，所需的修复时间每次约为15分钟。

        激光气体或者共振腔气体很容易输送。CO2、氮气和氦气是通过压强为2200 PSIG (磅/平方英寸，表压) 的高压气缸来供气的。这种供气方式既合算又方便，因为共振腔气体的消耗率很低。对于每种气体来说，流入激光腔时的压强是80 PSIG，流速范围在0.005到0.70 scfh（标准立方英尺/小时）之间。

        TRUMPF公司对激光气体纯度的要求是：氦气—4.6级/99.996%纯度；CO2—4.5级/99.995%纯度；氮气—5级/99.999%纯度。

        实际上，通过对气体的纯度级别进行详细的规定，人们发现主要有三种污染需要被降低：碳氢化合物，湿度和颗粒物质。碳氢化合物含量必须限制在百万分之一以内，湿度必须小于百万分之五，而粒子必须小于10微米。这几类污染的存在会导致光束功率的严重损耗。而且它们还可能在共振腔的镜子上留下沉积物或者腐蚀点，这就降低了镜子的有效性，缩短了它们的使用寿命。

        对于激光气体来说，Allen County Fabrication公司为每种气体建立了一套切换系统，以一个液压缸作为主要供气源，另一个液压缸作为备用供气源。一旦作为主要供气源的液压缸空了，作为备用供气源的液压缸就被切换过来进行供气，这样就避免了当主要供气源的气体用完时激光器被自动关闭的情况。终端控制面板有三路控制器，能够对激光器入口处的入口压强进行微调。对于调节装置来说，氦气的泄漏率约为1X 10-8 scc/s (标准立方厘米/秒，换算后，氦气的泄漏率约为1立方厘米/3.3年)。不锈钢管和管道压缩装置被用来维持气体的高纯度。转换装置还集成了一个T形过滤器，该净化器能够清除任何进入管道内的污染物，这些污染物可能来自初始架构阶段，或者更换液压缸的时候，或者任何可能出现在管道中的泄漏。在气体进入激光器的时候，一个精度为2微米的过滤器和一个大流量安全阀提供最后的保护，以避免粒子污染或者过压情况的出现。

        Allen County Fabrication公司对于辅助气体的要求更为严格。该公司使用氧气作为切割碳素钢时的辅助气体。氧气的喷嘴大小在1.0 mm到2.3 mm之间，喷嘴压强最大可以达到50 PSIG，流速达到250 scfh。因为在激光器和管道中，压强降幅可达100 PSIG，所以调节器处压强很可能设置得很高，以确保喷嘴处有足够的压强。TRUMPF公司建议，氧气纯度至少要达到99.95%或3.5级，不过，如果气体纯度更高的话，所得到的切割速度会更高。

        氮气可以被用于碳素钢、不锈钢、铝材料的辅助切割。使用氮气时所得的碳素钢切割速度比使用氧气所得的速度来得低。但是，使用氮气会避免氧化物在切割表面的沉积。使用氮气时，喷嘴的大小范围在1.0 mm到2.3 mm之间，喷嘴处压强最大可达到265 PSIG，流速可达到1800 scfh。TRUMPF公司建议，氮气纯度至少要达到99.996%或4.6级。同样的，如果气体纯度更高的话，所得到的切割速度会更高，切口也更整洁。所有与辅助气体相关的设备也必须经过专门设计，以维持气体的高纯度。

        辅助气体的流速更高就使得液压缸或者杜瓦瓶与高压气缸相比成为更合算的供气源。因为所存储的是低温条件下的液态物质，蒸发的气体存储在顶部空间。常见的液压缸有不同型号的安全阀，其送气气压分别为230、350或500 PSI。通常，压强为500 PSI的液压缸（又叫做激光器液压缸）是唯一合适的型号，因为激光辅助气体需要很高的压强。从液压缸中抽取物质时可以是气态或者液态形式。然而，必须是气态的物质才可以通过激光器和激光调节装置，如果使用的是液化气，那么液化气必须先经外置气化器气化过后才能被使用。

        需要指出的是，从液压缸内抽出气体的过程可以是相当复杂的。从单个杜瓦缸中抽取气体的最大速率约为350立方英尺/小时，在连续使用的情况下，因为液压缸的容量开始下降，抽取率也会不断下降。在不同液压缸中应用多管装置并不总是起到正面作用。因为由不同液压缸的顶部压强所得到的速率会不相等，而压强大的液压缸中的气流可能会挡住从压强小的液压缸中得到的气流。使用多管装置时，每增加一个液压缸，仅增加了原杜瓦瓶流量的20%（即 70立方英尺/小时）。为了提高液压缸多管装置的气流量，还必须安装一个多管阀。多管阀可以使得各个液压缸顶部的气压更为平均，从而使得对不同液压缸中气体的抽取过程也更平均。使用多管阀时，每增加一个液压缸，大约能够增加原杜瓦瓶流量的80%（即280立方英尺/小时）。

        对于氧气和氮气作为辅助气体的情况，Allen County Fabrication公司更倾向于选择液压缸来进行供气。将来，公司希望氮气的供气方式变成固态罐。因为对氧气的要求不是很高，最高仅为50 PSI和250 scfh，这可以通过两个液压缸利用多管连接到一个圆顶加压、平衡杆式调节器。平衡杆式的设计使得每小时的流量可以高达10000立方英尺/小时，而且压强下降幅度很小，约在30-40 PSI之间。传统的反向阀座调节器并不适合这里的应用，因为它们的气流曲线有严重的下降。随着对调节器流速要求的上升，它们所得到的出口处压强下降得更严重。这样，当激光器内最小的压强无法维持时，保护电路被触发，激光器就被自动关闭。

        调节器的圆顶加压特性让一小部分气体从主级调节器中排出，送至次级调节器，次级调节器再将气体送回该主级调节器的圆顶处。使用这些气体，而不是用弹簧，来压住横膈膜打开阀座，让下游的气体通过。这样的设计使得出口处压强可以在0-100 PSI之间或在0-2000 PSI之间变化，而且，尽管入口处的压强存在波动，出口处的流速和压强也能保持不变。

        以液压缸供应气体的方式来提供氮气并不是很实用。因为所需的最大流速为1800 scfh，压强则为256 PSIG，这将需要八个液压缸一同进行多管式供气，并且必须使用多管阀来实现这项任务。然而，如果将液体从两个液体罐中抽取出来，然后送入流速为5000 scf的带散热片型气化器。从气化器流出的氮气被送入类似于氧气供气设备中的圆顶加压、平衡杆式调节器。

        为了加快从液体罐中抽取气体的过程，并且维持两个液压缸顶部压强，该公司又使用了一个杜瓦瓶作为推动器。从该液压缸中抽取出来的氮气被调节器送入两个原有的液压缸中，流速为450 PSIG。
        氧气和氮气供气装置在激光器的入口处都包括了一个精度为40微米的T形过滤器和一个大流量安全阀。与共振腔气体类似，这些装置起到最后的保护作用，防止粒子污染和过压情况的产生。

        对Allen County Fabrication公司来说，新装置的启用不仅提高了效率，还节约了成本。从他们开始使用新型供气系统到目前为止的三个月中，激光从来没有发生过自动关闭的情况，而且使用了液压缸后，公司所得到的收益增加了20%到25%。除了在气体方面的资金节约外，该公司也减少了更换液体罐的次数，每更换一次大约需要30分钟。节约的成本每月约为700到1000美元。