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激光切割使用空氣作輔助氣體可降低成本


自從1960年第一束激光被人類通過(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。今天我們主要分享一下激光切割過(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)程中不同種類的氣體對(duì)于材料和斷面的影響是不同的：

⑴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)切斷面周圍材料產(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。

⑵氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)，會(huì)在熔化金屬液體周圍形成保護(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牧亢艽螅斐汕懈畛杀颈仁褂闷渌麣怏w時(shí)有所升高。

⑶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

表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%。



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