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閱讀：78發(fā)布時間：2023-5-27
自從1960年束激光被人類通過發(fā)振的方式產(chǎn)生之后，從醫(yī)療領(lǐng)域開始激光不斷被應(yīng)用于各個領(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，不過也是由于激光切割設(shè)備的普及，企業(yè)之間產(chǎn)品價格競爭愈發(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)前整個加工制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級，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程中使用空氣作為輔助氣體來降低切割成本的探討。
不同輔助氣體對切割質(zhì)量的影響
優(yōu)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)形成非常小的光斑，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。
在整個切割過程中，輔助氣體的主要作用是形成驅(qū)動力，將熔化金屬液體從材料本身去除，這個過程中不同種類的氣體對于材料和斷面的影響是不同的：
⑴氧氣作為輔助氣體時，在吹離熔化金屬液體的同時，還會發(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，這一過程會明顯提高激光的加工能力。但同時也是由于氧氣的存在，會使材料的切斷面發(fā)生明顯氧化，而且對切斷面周圍材料產(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高了這部分材料的硬度，對后續(xù)加工造成一定影響。
⑵氮?dú)庾鳛檩o助氣體時，會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)。但同時由于氮?dú)鉀]有氧化能力無法增強(qiáng)熱量傳遞，就不會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，氮?dú)庀牧亢艽螅斐汕懈畛杀颈仁褂闷渌麣怏w時有所升高。
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，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，斷面呈現(xiàn)銀亮光澤，而使用空氣作為輔助氣體時，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作為輔助氣體時的切割成本，如表1所示。對比中使用的機(jī)型為AMADA公司新一代光纖，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，每小時切割成本比使用氮?dú)鈺r可降低23.7%，這樣的切割成本降幅對于企業(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 切割成本對比
注：⑴以上成本分析中，機(jī)床的稼動率按70%計(jì)算，電費(fèi)按照1元/千瓦時計(jì)算，氮?dú)獬杀景凑找旱?.5元/公斤計(jì)算。⑵空氣切割時，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，空壓機(jī)仍然需要為機(jī)床供氣，因此也會產(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)兩個零件的斷面比較（左側(cè)氮?dú)猓覀?cè)為空氣）
圖1 使用氮?dú)夂涂諝庾鳛檩o助氣體時的切割斷面效果
空氣作為輔助氣體的使用范圍
⑴碳鋼板/Q235板，使用空氣作為輔助氣體切割時，板厚超過1.5mm后，切割斷面會產(chǎn)生一定毛刺，不過所產(chǎn)生的毛刺并不鋒利，劃紙測試時不會將紙劃破。對于不同功率、不同類型的發(fā)振器，空氣作為輔助氣體可以切割的大厚度各有不同。
⑵不銹鋼板/SUS304板，使用空氣作為輔助氣體切割時，切割斷面會產(chǎn)生黃色的氧化層。
⑶鋁板/A1050板和鋁合金板/5052板，使用空氣作為輔助氣體切割時，切割毛刺相對于氮?dú)鈺兴鶞p小。
二氧化碳激光切割機(jī)和使用空氣作為輔助氣體時的切割加工范圍如表2所示。
表2 空氣作為輔助氣體時切割的大板厚值
空氣作為輔助氣體對切割的影響
⑴對于碳鋼板，使用空氣作為輔助氣體切割時，零件斷面會產(chǎn)生較小的毛刺，但毛刺并不鋒利，可以應(yīng)用在對毛刺要求不高的零件上。
⑵對于不銹鋼板，由于空氣作為輔助氣體，材料在加工后切割面會被氧化，從而導(dǎo)致切割斷面在進(jìn)行焊接時氧化物會在焊道內(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，對使用空氣作為輔助氣體完成零件切割后再對其進(jìn)行焊接時，需要對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。氧化層同樣也會對焊接產(chǎn)生影響，要先打磨氧化層才可以進(jìn)行焊接操作。
⑶對于鋁板和鋁合金板，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>
空氣作為輔助氣體對供氣裝置的要求
使用空氣作為輔助氣體切割時，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，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，并特別注意及時更換濾芯；同時在選擇干燥機(jī)時，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)，但如果考慮長時間、少維護(hù)和供氣穩(wěn)定性等方面要求時，建議選擇再生吸附式干燥機(jī)。后，在選擇壓縮空氣管路直徑和減壓器時，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壓力的穩(wěn)定。另外，目前永磁變頻螺桿空壓機(jī)在市場上已有銷售，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。
結(jié)束語
在目前愈加激烈的行業(yè)競爭環(huán)境下，通過提高產(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，是獲得競爭優(yōu)勢的手段之一，在現(xiàn)有工藝狀態(tài)下節(jié)省加工成本也是取得競爭優(yōu)勢的有效方法，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)帶來更多的利潤，從而為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供更多幫助。
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