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理论联系实际 | 激光切割机到底需要什么样的空压机和压缩空气?

更新时间:2019-07-15 08:28:54    点击次数:次

激光切割是激光加工应用最广泛的一项技术,激光切割机采用压缩空气作为辅助气体进行金属切割 加工是一种常见的经济实用的加工方式。为达到最佳的工件切割效果,需要合理地选择和正确地应用空气压缩机。本文提出了根据喷嘴理论选择空气压缩机的方法,介绍了激光切割机采用压缩空气作为辅助气体切割加工需要注意的问题。

1.前言
激光切割是在全球范围内最广泛应用的一项激光加工技术。早在上世纪 70 年代,激光就被首次应 用于切割加工。进入本世纪以来,伴随着第三代激光技术光纤激光器的兴起和普及,激光切割更被广泛 应用于钣金、塑料、玻璃、陶瓷、半导体以及纺织品、木材和纸质等材料加工。2010 年以后,国内激 光企业大力发展大功率光纤激光切割机,由于大功率光纤激光加工具有独特的加工优势,加工成本大幅 下降,同时结合多种灵活的付款方式,目前越来越多的钣金加工企业、厨卫制造企业以及汽车部件加工 企业越来越多的使用激光切割机,特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式。

激光切割机能够应对各种材质和复杂形状的切割要求,除了需要能够提供高能量的激光器以外,辅 助气体是完成切割过程不可或缺的物质。用于激光切割的辅助气体主要有氧气(O2)、氮气(N2 2. 激光切割加工原理 )和压 缩空气(Compressed Air)三种。压缩空气比氧气和氮气更容易获得,价格与氧气和氮气相比非常便宜, 采用压缩空气作为辅助气体切割非常普遍。

压缩空气品质对金属激光切割质量有非常直接的影响,气体压力的大小和稳定性会影响切割的效果。配套激光切割机作为辅助气体的空气压缩机的规格大小的选择,主要应根据激光切割机所采用的激光切 割头的设计辅助气体压力和喷嘴大小来确定,这样就能得到最佳的空气压缩机与激光切割机的匹配。

2.激光切割加工原理

激光切割是利用经聚焦的高功率高密度的激光束照射工件,使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧 蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流去除熔融物质,从而实现割开工件,激光切割属于热切割方法之一。


图 1 激光切割加工原理


2.1 激光切割的主要方式
激光切割可分为激光气化切割、激光熔化切割、激光氧助熔化切割和控制断裂切割四种
A. 激光气化切割
利用激光高能力密度的激光束加热工件,使温度迅速上升,在非常短的时间内达到材料的沸点, 材料开始汽化,形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大,在蒸气喷出的同时,在材料上形成切口。材料 的气化热一般很大,所以激光气化切割需要很大的功率和功率密度。
激光气化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

 

图 2 激光气化切割
激光气化切割的切割口光滑没有毛刺。

B. 激光熔化切割
激光熔化切割是用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹高压惰性气(N2、Ar、He等),依靠气体的强大压力使液态金属排除,形成割缝。激光熔化切割不需要使金完全气化,所需激光能量只有气化切割的十分之一左右。
对薄板材料,切割速度过慢会使大部分激光束直接通过切口白白损失能量,速度提高使更多光束照射材料,增加与材料的耦合功率,获得保证切割质量的较宽参数调节区。对厚板材料,由于激光蒸发作用或熔化产物移去速度不够快,光束在割缝内材料切面上多次反射,只要熔化产物能在它被冷气流凝团前除去,切割过程将继续进行。

 

图 3 激光熔化切割

激光熔化切割的切割口边缘都呈条纹状。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割,如不锈钢、不锈铁、钛合金、铝及其合金等。激光熔化切割采用氮气做辅助气体的切割质量好,但成本比氧气切割高。

C. 激光氧助熔化切割
激光氧助熔化切割原理类似于氧乙炔切割,它是用激光作为预热热源,用氧气作为辅助切割气体。喷出的氧气一方面与被激光加热到约 1500℃的铁元素产生化学反应,从而继续放出大量的氧化热,使铁元素加热燃烧;另一方面把熔融的液态氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热,所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的 1/2,而切割速度远远大于激光气化切割和熔化切割。
激光氧助熔化切割的切割口边缘粗糙度介于激光汽化切割和激光熔化切割之间。

激光氧助熔化切割主要用与碳钢等易氧化的金属材料。也可用于不锈钢等材料的加工,但断面发黑且粗糙,而成本低于惰性气体切割。

D. 控制断裂切割
通过激光束加热,容易受破坏的脆性材料高速、可控地切断,称为控制断裂切割。其切割原理为:激光束加热脆性材料小块区域,引起热梯度和随之而来的严重机械变形,使材料形成裂缝。控制断裂切割速度快,只需很小的激光功率;功率太高会造成工件表面熔化,并破坏切割边缘。控制断裂切割主要可控参数是激光功率和光斑尺寸。

2.2 激光切割的特点
激光切割与其他切割方法相比较,总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面:
(1) 切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割 质量。
(2) 激光气割切口细窄、切缝两面平行并且与表面垂直度好。
(3) 切割表面光洁美观,甚至可作为最后一道加工工序,无需机械加工,零件可直接使用。

(4) 材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变 形小,切割精度高。激光切割与其它切割方法的切割速度比较见表一,切割材料为低碳钢板。
表一 几种切割方法的切割速度比较
切割方法
激光切割
等离子切割
氧乙炔切割
水力切割
切割速度
非常快


非常慢

(5) 切割速度快,例如:2500W 的激光切割 1mm 厚的冷轧碳钢板,切割速度可达 16-19m/min。
(6) 非接触式切割,激光切割时喷嘴与工件无接触,不存在工具磨损。


3.采用不同辅助气体进行激光切割的比较

激光切割时,根据切割板材的材质的不同,来选择不同的切割气体。切割气体及其压力的选择,对 激光切割品质有很大的影响。

3.1. 辅助气体的种类
激光切割加工常用的辅助气体有氧气(O2)、氮气(N2)和压缩空气(Compressed Air),有时还会 用到氩气(Ar)。按照气体压力又可分为高压气体和低压气体。

3.2.辅助气体种类的选择
激光切割辅助气体的作用主要:助燃及散热、及时吹掉切割产生的熔渍、防止切割熔渍向上反弹进 入喷嘴、保护聚焦透镜等。根据被切割材料的不同,结合激光切割机的功率,选择不同的激光切割工艺,辅助气体的选择也不 尽相同。不同种类辅助气体的特点、用途和适用范围如下:

(1) 氧气(O2) 主要用于切割碳钢材料。氧气与铁元素的化学反应热促进金属吸热熔化,可以4 大幅度提高切割效率,实现更厚材料的切割,明显提高激光切割机的加工能力。但同时由于氧气的 存在,会在切口端面产生明显的氧化膜,而且会对切割面周围材料产生淬火效应,提高这部份材料 的硬度,对后续加工造成一定的影响。氧气切割的材料切口端面发黑或者暗黄色。一般碳钢板采用 氧气切割,低压打孔,低压切割。

(2) 氮气(N2)采用氮气作为辅助气体切割时,氮气会在熔化的金属周围形成保护氛围,防止材料被氧化,避免氧化膜的形成,实现无氧化切割。但同时因为氮气不与金属产生化学反应,没有反应热的产生,切割能力不如氧气,而且氮气切割的氮气消耗量比氧气大数倍,切割成本要高于氧气切割。无氧化切割面具有可直接熔接、涂抹、耐腐蚀性强等特点,切口端面发白。一般采用氮气切割不锈钢、镀锌板、铝及铝合金板、黄铜等材料,用低压穿孔,用高压切割。氮气切割时,气体流量的改变对切割的影响很大,在保证切割气体压力的情况下,一定要保证气体流量的充足。

(3)压缩空气(Compressed Air) 压缩空气可以用空气压缩机直接提供,相对于氧气和氮气要容易获得,价格非常便宜。虽然空气中只含有约20%的氧气,切割效率远不及氧气切割,但切割能力与氮气接近,空气切割效率略高于氮气切割。空气切割的切口端面发黄。在对材料切口表面色泽没有严格要求时,用压缩空气替代氮气切割是最经济实用的选择。


压缩空气激光切割与氮气激光切割的经济性比较


目前市场上的液氮大约为1400 元/吨,激光切割用的液氮都需要采用杜瓦罐,一般是120kg 一罐,1kg 价格在3 元以上。姑且按1400 元/吨计算。
120x1.4=168 元标准状态氮气的比重为1.25kg/m3,因此一罐杜瓦罐液氮的最大使用量约为:120/1.25=96Nm3折算成每Nm3的氮气成本为:168/96=1.75 元/ Nm3
如果采用葆德PM15TK-16 型空压机提供16bar的压缩空气,每分钟可以提供1.27m3,该型号空气压缩机的满负荷输入功率是13.4kW。
工业电费按1.0 元/度计算,则每M3的空气成本为:13.4x1.0/(1.27x60)=0.176 元/m3按照每分钟实际消耗0.5m3气体,激光切割机每天工作8 小时计算,则采用空气切割相比氮气切割每天可以节省的成本为:(1.75-0.176)x8x60x0.5=378 元如激光切割机一年工作300 天,则一年可以节省的用气成本为:378x300=113,400元,由此可见,采用压缩空气替代氮气切割非常经济实用,一年下来节省下来的用气成本,足够买3 台高品质的一体式空气压缩机了。

(4) 氩气(Ar) 氩气为惰性气体,在激光切割中能起到防止氧化和氮化的作用,在溶接中也可以使用。但是氩气价格比氮气更高,一般普通激光切割采用氩气极不划算。氩气切割主要用于钛及钛合金等。氩气切割的切口端面发白。  

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