自從1960年第一束激光被人類(lèi)通過(guò)發(fā)振的方式產(chǎn)生之后，從醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)始激光不斷被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

二十世紀(jì)七十年代起，激光技術(shù)逐步進(jìn)入了工業(yè)切割領(lǐng)域，直到今天激光切割設(shè)備在企業(yè)中已經(jīng)被普遍使用，不過(guò)也是由于激光切割設(shè)備的普及，企業(yè)之間產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，這就造成了激光切割設(shè)備在企業(yè)中盈利能力下降，在當(dāng)前整個(gè)加工制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，企業(yè)需要將資金重點(diǎn)投放在工藝改進(jìn)、效率提高、增加研發(fā)投入等更具附加值的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的大背景下，如何降低激光切割設(shè)備的使用成本就顯得十分迫切。本文將著眼于激光切割過(guò)程中使用空氣作為輔助氣體來(lái)降低切割成本的探討。

不同輔助氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響

首先，我們來(lái)了解一下激光切割的過(guò)程：發(fā)振器產(chǎn)生的激光通過(guò)透鏡后，被匯聚于一點(diǎn)形成極小的光斑，通過(guò)精確控制透鏡與板材的距離，保證激光光斑穩(wěn)定在材料厚度方向上的某一位置，此時(shí)由于透鏡的匯聚作用，光斑處聚集了功率密度非常大的激光能量，功率密度通常能達(dá)到106～109W/cm2，材料吸收光斑能量后瞬間熔化，通過(guò)使用輔助氣體將熔化的液體吹離材料完成切斷加工。

在整個(gè)切割過(guò)程中，輔助氣體的主要作用是形成驅(qū)動(dòng)力，將熔化金屬液體從材料本身去除，這個(gè)過(guò)程中不同種類(lèi)的氣體對(duì)于材料和斷面的影響是不同的：

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氧氣作為輔助氣體時(shí)

在吹離熔化金屬液體的同時(shí)，還會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)促進(jìn)金屬吸熱熔化，從而實(shí)現(xiàn)更厚材料的熔化，這一過(guò)程會(huì)明顯提高激光的加工能力。但同時(shí)也是由于氧氣的存在，會(huì)使材料的切斷面發(fā)生明顯氧化，而且對(duì)切斷面周?chē)牧袭a(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高了這部分材料的硬度，對(duì)后續(xù)加工造成一定影響。

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氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)

會(huì)在熔化金屬液體周?chē)纬杀Ｗo(hù)氛圍，防止材料被氧化，從而保證切斷面品質(zhì)。但同時(shí)由于氮?dú)鉀](méi)有氧化能力無(wú)法增強(qiáng)熱量傳遞，就不會(huì)像氧氣那樣幫助提高切割能力。另外由于氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)，氮?dú)庀牧亢艽?，造成切割成本比使用其他氣體時(shí)有所升高。

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空氣的構(gòu)成氣體中

氮?dú)饧s占78%，氧氣約占21%，在使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，由于氧氣的存在使得切割斷面必然要發(fā)生氧化反應(yīng)，但同時(shí)由于大量氮?dú)獾拇嬖冢鯕鈳?lái)的氧化反應(yīng)又不足以增強(qiáng)熱量傳遞，切割能力不會(huì)提高，因此可以將空氣切割效果理解為介乎于氮?dú)馇懈詈脱鯕馇懈钪g，而好處是空氣切割的成本非常低，所有成本就是空壓機(jī)為提供空氣而造成的電力消耗，以及空氣管路中濾芯的消耗。

不同輔助氣體對(duì)切割成本的影響

圖1所示為1.5mm厚304不銹鋼在使用氮?dú)夂涂諝庾鳛檩o助氣體時(shí)的切割斷面效果，從圖1中可以看出：使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)，斷面呈現(xiàn)銀亮光澤，而使用空氣作為輔助氣體時(shí)，斷面呈現(xiàn)淡黃色。

下面，以1.5mm厚304不銹鋼為例，分析空氣和氮?dú)夥謩e作為輔助氣體時(shí)的切割成本，如表1所示。對(duì)比中使用的機(jī)型為AMADA公司最新一代光纖激光切割機(jī)，所搭載的是自主研發(fā)的光纖激光發(fā)振器。

通過(guò)以上成本分析可知，使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，每小時(shí)切割成本比使用氮?dú)鈺r(shí)可降低23.7%，這樣的切割成本降幅對(duì)于企業(yè)整體工廠加工成本的降低可以起到非常重要的作用。另外，本文分析空壓機(jī)的耗電時(shí)考慮的是，目前很多企業(yè)正在使用的是無(wú)變速螺桿空壓機(jī)，如果使用永磁變頻螺桿空壓機(jī)，單空壓機(jī)省電量就可以達(dá)到50%，使用空氣的切割成本可以比使用氮?dú)饨档?6.2%。

表1 切割成本對(duì)比

注：⑴以上成本分析中，機(jī)床的稼動(dòng)率按70%計(jì)算，電費(fèi)按照1元/千瓦時(shí)計(jì)算，氮?dú)獬杀景凑找旱?.5元/公斤計(jì)算。⑵空氣切割時(shí)，空壓機(jī)耗電費(fèi)用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min規(guī)格的無(wú)變速螺桿空壓機(jī)來(lái)計(jì)算。⑶使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體切割時(shí)，空壓機(jī)仍然需要為機(jī)床供氣，因此也會(huì)產(chǎn)生電費(fèi)成本

(a)氮?dú)庾鳛檩o助氣體的切割斷面

b)空氣作為輔助氣體的切割斷面

(c)兩個(gè)零件的斷面比較

圖1 使用氮?dú)夂涂諝庾鳛檩o助氣體時(shí)的切割斷面效果

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碳鋼板/Q235板

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，板厚超過(guò)1.5mm后，切割斷面會(huì)產(chǎn)生一定毛刺，不過(guò)所產(chǎn)生的毛刺并不鋒利，劃紙測(cè)試時(shí)不會(huì)將紙劃破。對(duì)于不同功率、不同類(lèi)型的發(fā)振器，空氣作為輔助氣體可以切割的最大厚度各有不同。

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不銹鋼板/SUS304板

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，切割斷面會(huì)產(chǎn)生黃色的氧化層。

0 3

鋁板/A1050板和鋁合金板/5052板

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，切割毛刺相對(duì)于氮?dú)鈺?huì)有所減小。

二氧化碳激光切割機(jī)和光纖激光切割機(jī)使用空氣作為輔助氣體時(shí)的切割加工范圍如表2所示。

表2 空氣作為輔助氣體時(shí)切割的最大板厚值

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對(duì)于碳鋼板

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，零件斷面會(huì)產(chǎn)生較小的毛刺，但毛刺并不鋒利，可以應(yīng)用在對(duì)毛刺要求不高的零件上。

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對(duì)于不銹鋼板

由于空氣作為輔助氣體，材料在加工后切割面會(huì)被氧化，從而導(dǎo)致切割斷面在進(jìn)行焊接時(shí)氧化物會(huì)在焊道內(nèi)產(chǎn)生夾渣和氣孔等缺陷，影響焊縫質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致焊接部位強(qiáng)度下降。因此，對(duì)使用空氣作為輔助氣體完成零件切割后再對(duì)其進(jìn)行焊接時(shí)，需要對(duì)焊接部位斷面的氧化層進(jìn)行打磨，從而改善焊接質(zhì)量。另外，切割后斷面會(huì)發(fā)生氧化，產(chǎn)生黃色的氧化層，如果該零件是外觀件則有影響。氧化層同樣也會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生影響，要先打磨氧化層才可以進(jìn)行焊接操作。

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對(duì)于鋁板和鋁合金板

使用空氣作為輔助氣體可以減小切割毛刺，如果使用氮?dú)?，切割毛刺反而要大些?/span>

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，空氣壓力需要0.9MPa，考慮到制造廠生產(chǎn)的空壓機(jī)壓力等級(jí)，應(yīng)該選擇額定工作壓力能達(dá)到1.26MPa、流量達(dá)到2.3m3/min的螺桿式空壓機(jī)。對(duì)于壓縮空氣的質(zhì)量也要特別注意，要保證空氣的干燥度達(dá)到99%，含水率低于1/100。因此，壓縮空氣管路中的過(guò)濾元件一定要使用質(zhì)量可靠的品牌產(chǎn)品，并特別注意及時(shí)更換濾芯；同時(shí)在選擇干燥機(jī)時(shí)，由于目前市面上有再生吸附式干燥器和冷凍式干燥器兩種類(lèi)型，這兩種干燥機(jī)各有特點(diǎn)，但如果考慮長(zhǎng)時(shí)間、少維護(hù)和供氣穩(wěn)定性等方面要求時(shí)，建議選擇再生吸附式干燥機(jī)。最后，在選擇壓縮空氣管路直徑和減壓器時(shí)，一定要滿(mǎn)足壓縮機(jī)輸出氣體的流量和壓力，這樣才能保證在使用壓縮空氣時(shí)壓力的穩(wěn)定。另外，目前永磁變頻螺桿空壓機(jī)在市場(chǎng)上已有銷(xiāo)售，這種空壓機(jī)相比目前的無(wú)變速螺桿空壓機(jī)省電量可達(dá)50%，可以進(jìn)一步降低切割成本。

結(jié)束語(yǔ)

在目前愈加激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，通過(guò)提高產(chǎn)品工藝難度、提升產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)水平等方式提高產(chǎn)品附加值，是獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的手段之一，在現(xiàn)有工藝狀態(tài)下節(jié)省加工成本也是取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的有效方法，使用空氣作為輔助氣體進(jìn)行材料切割，可以降低切割成本，為企業(yè)帶來(lái)更多的利潤(rùn)，從而為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供更多幫助。