激光切割过程中使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)来降低切割成本
不同辅助气體(tǐ)对切割质量的影响
首先，我们来了解一下激光切割的过程：发振器产生的激光通过透镜后，被汇聚于一点形成极小(xiǎo)的光斑，通过精确控制透镜与板材的距离，保证激光光斑稳定在材料厚度方向上的某一位置，此时由于透镜的汇聚作用(yòng)，光斑处聚集了功率密度非常大的激光能(néng)量，功率密度通常能(néng)达到106～109W/cm2，材料吸收光斑能(néng)量后瞬间熔化，通过使用(yòng)辅助气體(tǐ)将熔化的液體(tǐ)吹离材料完成切断加工。
在整个切割过程中，辅助气體(tǐ)的主要作用(yòng)是形成驱动力，将熔化金属液體(tǐ)从材料本身去除，这个过程中不同种类的气體(tǐ)对于材料和断面的影响是不同的：
0 1
氧气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时
在吹离熔化金属液體(tǐ)的同时，还会发生氧化反应促进金属吸热熔化，从而实现更厚材料的熔化，这一过程会明显提高激光的加工能(néng)力。但同时也是由于氧气的存在，会使材料的切断面发生明显氧化，而且对切断面周围材料产生淬火效应，提高了这部分(fēn)材料的硬度，对后续加工造成一定影响。
0 2
氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时
会在熔化金属液體(tǐ)周围形成保护氛围，防止材料被氧化，从而保证切断面品质。但同时由于氮气没有(yǒu)氧化能(néng)力无法增强热量传递，就不会像氧气那样帮助提高切割能(néng)力。另外由于氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时，氮气消耗量很(hěn)大，造成切割成本比使用(yòng)其他(tā)气體(tǐ)时有(yǒu)所升高。
0 3
空气的构成气體(tǐ)中
氮气约占78%，氧气约占21%，在使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，由于氧气的存在使得切割断面必然要发生氧化反应，但同时由于大量氮气的存在，氧气带来的氧化反应又(yòu)不足以增强热量传递，切割能(néng)力不会提高，因此可(kě)以将空气切割效果理(lǐ)解為(wèi)介乎于氮气切割和氧气切割之间，而好处是空气切割的成本非常低，所有(yǒu)成本就是空压机為(wèi)提供空气而造成的電(diàn)力消耗，以及空气管路中滤芯的消耗。
不同辅助气體(tǐ)对切割成本的影响
图1所示為(wèi)1.5mm厚304不锈钢在使用(yòng)氮气和空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时的切割断面效果，从图1中可(kě)以看出：使用(yòng)氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时，断面呈现银亮光泽，而使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时，断面呈现淡黄色。
下面，以1.5mm厚304不锈钢為(wèi)例，分(fēn)析空气和氮气分(fēn)别作為(wèi)辅助气體(tǐ)时的切割成本，如表1所示。对比中使用(yòng)的机型為(wèi)AMADA公司最 新(xīn)一代光纤激光切割机，所搭载的是自主研发的光纤激光发振器。
通过以上成本分(fēn)析可(kě)知，使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，每小(xiǎo)时切割成本比使用(yòng)氮气时可(kě)降低23.7%，这样的切割成本降幅对于企业整體(tǐ)工厂加工成本的降低可(kě)以起到非常重要的作用(yòng)。另外，本文(wén)分(fēn)析空压机的耗電(diàn)时考虑的是，目前很(hěn)多(duō)企业正在使用(yòng)的是无变速螺杆空压机，如果使用(yòng)永磁变频螺杆空压机，单空压机省電(diàn)量就可(kě)以达到50%，使用(yòng)空气的切割成本可(kě)以比使用(yòng)氮气降低36.2%。
表1 切割成本对比
注：⑴以上成本分(fēn)析中，机床的稼动率按70%计算，電(diàn)费按照1元/千瓦时计算，氮气成本按照液氮1.5元/公斤计算。⑵空气切割时，空压机耗電(diàn)费用(yòng)按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min规格的无变速螺杆空压机来计算。⑶使用(yòng)氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，空压机仍然需要為(wèi)机床供气，因此也会产生電(diàn)费成本
(a)氮气作為(wèi)辅助气體(tǐ)的切割断面
b)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)的切割断面
(c)两个零件的断面比较
图1 使用(yòng)氮气和空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时的切割断面效果
0 1
碳钢板/Q235板
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，板厚超过1.5mm后，切割断面会产生一定毛刺，不过所产生的毛刺并不锋利，划纸测试时不会将纸划破。对于不同功率、不同类型的发振器，空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)可(kě)以切割的最 大厚度各有(yǒu)不同。
0 2
不锈钢板/SUS304板
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，切割断面会产生黄色的氧化层。
0 3
铝板/A1050板和铝合金板/5052板
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，切割毛刺相对于氮气会有(yǒu)所减小(xiǎo)。
二氧化碳激光切割机和光纤激光切割机使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时的切割加工范围如表2所示。
表2 空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)时切割的最 大板厚值
0 1
对于碳钢板
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，零件断面会产生较小(xiǎo)的毛刺，但毛刺并不锋利，可(kě)以应用(yòng)在对毛刺要求不高的零件上。
0 2
对于不锈钢板
由于空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)，材料在加工后切割面会被氧化，从而导致切割断面在进行焊接时氧化物(wù)会在焊道内产生夹渣和气孔等缺陷，影响焊缝质量，进而导致焊接部位强度下降。因此，对使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)完成零件切割后再对其进行焊接时，需要对焊接部位断面的氧化层进行打磨，从而改善焊接质量。另外，切割后断面会发生氧化，产生黄色的氧化层，如果该零件是外观件则有(yǒu)影响。氧化层同样也会对焊接产生影响，要先打磨氧化层才可(kě)以进行焊接操作。
0 3
对于铝板和铝合金板
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)可(kě)以减小(xiǎo)切割毛刺，如果使用(yòng)氮气，切割毛刺反而要大些。
使用(yòng)空气作為(wèi)辅助气體(tǐ)切割时，空气压力需要0.9MPa，考虑到制造厂生产的空压机压力等级，应该选择额定工作压力能(néng)达到1.26MPa、流量达到2.3m3/min的螺杆式空压机。对于压缩空气的质量也要特别注意，要保证空气的干燥度达到99%，含水率低于1/100。因此，压缩空气管路中的过滤元件一定要使用(yòng)质量可(kě)靠的品牌产品，并特别注意及时更换滤芯；同时在选择干燥机时，由于目前市面上有(yǒu)再生吸附式干燥器和冷冻式干燥器两种类型，这两种干燥机各有(yǒu)特点，但如果考虑長(cháng)时间、少维护和供气稳定性等方面要求时，建议选择再生吸附式干燥机。最 后，在选择压缩空气管路直径和减压器时，一定要满足压缩机输出气體(tǐ)的流量和压力，这样才能(néng)保证在使用(yòng)压缩空气时压力的稳定。另外，目前永磁变频螺杆空压机在市场上已有(yǒu)销售，这种空压机相比目前的无变速螺杆空压机省電(diàn)量可(kě)达50%，可(kě)以进一步降低切割成本。
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