激光制造活动目前包括切割、焊接、热处理、熔覆、气相沉积、雕刻、划线、修整、退火和冲击硬化。激光制造工艺在技术和经济上都与传统和非传统制造工艺(例如机械加工和热加工、电弧焊、电化学加工、电火花加工 (EDM)、磨料水射流切割、等离子切割和火焰切割)展开竞争。

水刀切割是一种利用高达每平方英寸60,000磅(psi)的高压水射流切割材料的工艺。通常,水会与石榴石等磨料混合,以便更精确地切割各种材料,并确保切口平整、边缘光洁度高。水刀切割可加工多种工业材料,包括不锈钢、因科镍合金、钛、铝、工具钢、陶瓷、花岗岩和装甲钢板。该工艺会产生较大的噪音。

下表对工业材料加工中采用 CO2 激光切割工艺和水刀切割工艺进行金属切割进行了比较。
§ 基本过程差异
§ 典型工艺应用和用途
初始投资和平均运营成本
§ 工艺精度
§ 安全注意事项和操作环境
基本过程差异
| 主题 | 二氧化碳激光器 | 水刀切割 |
| 能量传递方法 | 光强 10.6 米(远红外范围) | 水 |
| 能源来源 | 气体激光器 | 高压泵 |
| 能量是如何传递的 | 镜面引导光束(飞行光学);光纤传输 适用于二氧化碳激光 | 刚性高压软管传递能量 |
| 切割材料的排出方式 | 气体喷射,加上额外的气体,将材料排出 | 高压水射流将废料排出 |
| 喷嘴与材料之间的距离及最大允许公差 | 大约 0.2 英寸 0.004 英寸,需要距离传感器、调节装置和 Z 轴。 | 大约 0.12 英寸至 0.04 英寸,需要距离传感器、调节装置和 Z 轴。 |
| 物理机器设置 | 激光源始终位于机器内部。 | 工作区域和水泵可以分开布置。 |
| 桌子尺寸范围 | 8英尺 x 4英尺至20英尺 x 6.5英尺 | 8′ x 4′ 至 13′ x 6.5′ |
| 工件处的典型光束输出 | 1500至2600瓦 | 4至17千瓦(4000巴) |
典型工艺应用及用途
| 主题 | 二氧化碳激光器 | 水刀切割 |
| 典型工艺用途 | 切割、钻孔、雕刻、烧蚀、结构化、焊接 | 切割、消融、结构化 |
| 3D材料切割 | 由于刚性光束导向和距离调节的限制,实现起来比较困难。 | 部分可能性存在,因为工件背后的残余能量会被破坏。 |
| 可通过该工艺切割的材料 | 所有金属(高反射金属除外)、所有塑料、玻璃和木材都可以切割 | 所有材料都可以通过这种方法切割。 |
| 材料组合 | 熔点不同的材料几乎无法切割。 | 有可能,但存在分层的风险。 |
| 带空腔的夹层结构 | 二氧化碳激光器无法做到这一点。 | 能力有限 |
| 在通道受限或受阻的情况下切割材料 | 由于距离短和激光切割头体积大,这种情况很少发生。 | 由于喷嘴与材料之间的距离较小,因此受到限制。 |
| 影响加工的切割材料特性 | 材料在 10.6 米处的吸收特性 | 材料硬度是关键因素 |
| 切割或加工经济效益最高的材料厚度 | 根据材料不同,尺寸约为 0.12 英寸至 0.4 英寸。 | 约0.4英寸至2.0英寸 |
| 该过程的常见应用 | 用于钣金加工的中等厚度扁钢板的切割 | 切割较厚的石材、陶瓷和金属 |
初始投资和平均运营成本
| 主题 | 二氧化碳激光器 | 水刀切割 |
| 初始资本投资要求 | 30万美元,配备一台20千瓦的水泵和一张6.5英尺×4英尺的桌子 | 30万美元以上 |
| 易损件 | 防护玻璃,气体 喷嘴,以及灰尘和颗粒过滤器 | 水射流喷嘴、聚焦喷嘴以及所有高压部件,例如阀门、软管和密封件。 |
| 整套切割系统的平均能耗 | 假设使用一台1500瓦的二氧化碳激光器: 用电量: 24-40千瓦 激光气体(CO2、N2、He): 2-16 升/小时 切割气体(O2、N2): 500-2000 升/小时 | 假设水泵功率为 20 kW: 用电量: 22-35千瓦 水:10 升/小时 磨料:36 公斤/小时 切割废料的处理 |
工艺精度
| 主题 | 二氧化碳激光器 | 水刀切割 |
| 切割缝的最小尺寸 | 0.006英寸,具体数值取决于切割速度 | 0.02英寸 |
| 切割面外观 | 切面会呈现出条纹状结构 | 根据切割速度的不同,切割表面看起来会像经过喷砂处理一样。 |
| 切口边缘完全平行的程度 | 良好;偶尔会呈现锥形边缘。 | 很好;对于较厚的材料,曲线确实存在“拖尾”效应。 |
| 加工容差 | 约 0.002 英寸 | 约 0.008 英寸 |
| 切口毛刺程度 | 仅发生部分烧伤 | 未出现毛刺 |
| 材料的热应力 | 材料中可能会发生形变、回火和结构变化。 | 未发生热应力 |
| 在加工过程中,气体或水射流方向上作用于材料上的力 | 气体压力 薄的问题 工件,距离 无法维持 | 高:因此,薄而小的零件只能进行有限程度的加工。 |
安全考虑因素和操作环境
| 主题 | 二氧化碳激光器 | 水刀切割 |
| 人身安全设备要求 | 激光防护眼镜并非绝对必要 | 需要佩戴防护眼镜、耳塞和防高压水射流接触装置。 |
| 加工过程中产生的烟尘 | 确实会发生;塑料和某些金属合金可能会产生有毒气体。 | 不适用于水射流切割 |
| 噪音污染和危险 | 非常低 | 异常高 |
| 由于工艺流程造成的混乱,需要进行机器清洁。 | 低清理 | 高度清洁 |
| 切割过程中产生的废料 | 切割废料主要以粉尘形式存在,需要进行真空吸尘和过滤。 | 由于水与磨料混合,会产生大量的切削废料。 |
