激光切割過程中使用空氣作為輔助氣體來降低切割成本
不同輔助氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響
首先，我們來了解一下激光切割的過程：發(fā)振器產(chǎn)生的激光通過透鏡后，被匯聚于一點(diǎn)形成極小的光斑，通過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)過程中不同種類的氣體對(duì)于材料和斷面的影響是不同的：
0 1
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。
0 2
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]有氧化能力無法增強(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。
0 3
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)獾拇嬖冢鯕鈳淼难趸磻?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)格的無變速螺桿空壓機(jī)來計(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
0 1
碳鋼板/Q235板
使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，板厚超過1.5mm后，切割斷面會(huì)產(chǎn)生一定毛刺，不過所產(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。
0 2
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
0 1
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。
0 2
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。
0 3
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)猓懈蠲谭炊笮?/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)上已有銷售，這種空壓機(jī)相比目前的無變速螺桿空壓機(jī)省電量可達(dá)50%，可以進(jìn)一步降低切割成本。
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