自從(cong) 1960年第一束激光被人類通過發振的方式產(chan) 生之後，從(cong) 醫療領域開始激光不斷被應用於(yu) 各個(ge) 領域。

二十世紀七十年代起，激光技術逐步進入了工業(ye) 切割領域，直到今天激光切割設備在企業(ye) 中已經被普遍使用，不過也是由於(yu) 激光切割設備的普及，企業(ye) 之間產(chan) 品價(jia) 格競爭(zheng) 愈發激烈，這就造成了激光切割設備在企業(ye) 中盈利能力下降，在當前整個(ge) 加工製造業(ye) 需要轉型升級，企業(ye) 需要將資金重點投放在工藝改進、效率提高、增加研發投入等更具附加值的生產(chan) 環節的大背景下，如何降低激光切割設備的使用成本就顯得十分迫切。本文將著眼於(yu) 激光切割過程中使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 來降低切割成本的探討。

不同輔助氣體(ti) 對切割質量的影響

首先，我們(men) 來了解一下激光切割的過程：發振器產(chan) 生的激光通過透鏡後，被匯聚於(yu) 一點形成極小的光斑，通過精確控製透鏡與(yu) 板材的距離，保證激光光斑穩定在材料厚度方向上的某一位置，此時由於(yu) 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，功率密度通常能達到106～109W/cm2，材料吸收光斑能量後瞬間熔化，通過使用輔助氣體(ti) 將熔化的液體(ti) 吹離材料完成切斷加工。

在整個(ge) 切割過程中，輔助氣體(ti) 的主要作用是形成驅動力，將熔化金屬液體(ti) 從(cong) 材料本身去除，這個(ge) 過程中不同種類的氣體(ti) 對於(yu) 材料和斷麵的影響是不同的：

0 1

氧氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時

在吹離熔化金屬液體(ti) 的同時，還會(hui) 發生氧化反應促進金屬吸熱熔化，從(cong) 而實現更厚材料的熔化，這一過程會(hui) 明顯提高激光的加工能力。但同時也是由於(yu) 氧氣的存在，會(hui) 使材料的切斷麵發生明顯氧化，而且對切斷麵周圍材料產(chan) 生淬火效應，提高了這部分材料的硬度，對後續加工造成一定影響。

0 2

氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時

會(hui) 在熔化金屬液體(ti) 周圍形成保護氛圍，防止材料被氧化，從(cong) 而保證切斷麵品質。但同時由於(yu) 氮氣沒有氧化能力無法增強熱量傳(chuan) 遞，就不會(hui) 像氧氣那樣幫助提高切割能力。另外由於(yu) 氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時，氮氣消耗量很大，造成切割成本比使用其他氣體(ti) 時有所升高。

0 3

空氣的構成氣體(ti) 中

氮氣約占78%，氧氣約占21%，在使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，由於(yu) 氧氣的存在使得切割斷麵必然要發生氧化反應，但同時由於(yu) 大量氮氣的存在，氧氣帶來的氧化反應又不足以增強熱量傳(chuan) 遞，切割能力不會(hui) 提高，因此可以將空氣切割效果理解為(wei) 介乎於(yu) 氮氣切割和氧氣切割之間，而好處是空氣切割的成本非常低，所有成本就是空壓機為(wei) 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(ti) 對切割成本的影響

圖1所示為(wei) 1.5mm厚304不鏽鋼在使用氮氣和空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時的切割斷麵效果，從(cong) 圖1中可以看出：使用氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時，斷麵呈現銀亮光澤，而使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時，斷麵呈現淡黃色。

下麵，以1.5mm厚304不鏽鋼為(wei) 例，分析空氣和氮氣分別作為(wei) 輔助氣體(ti) 時的切割成本，如表1所示。對比中使用的機型為(wei) AMADA公司最新一代光纖激光切割機，所搭載的是自主研發的光纖激光發振器。

通過以上成本分析可知，使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，每小時切割成本比使用氮氣時可降低23.7%，這樣的切割成本降幅對於(yu) 企業(ye) 整體(ti) 工廠加工成本的降低可以起到非常重要的作用。另外，本文分析空壓機的耗電時考慮的是，目前很多企業(ye) 正在使用的是無變速螺杆空壓機，如果使用永磁變頻螺杆空壓機，單空壓機省電量就可以達到50%，使用空氣的切割成本可以比使用氮氣降低36.2%。

表1 切割成本對比

注：⑴以上成本分析中，機床的稼動率按70%計算，電費按照1元/千瓦時計算，氮氣成本按照液氮1.5元/公斤計算。⑵空氣切割時，空壓機耗電費用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min規格的無變速螺杆空壓機來計算。⑶使用氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，空壓機仍然需要為(wei) 機床供氣，因此也會(hui) 產(chan) 生電費成本

(a)氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 的切割斷麵

b)空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 的切割斷麵

(c)兩(liang) 個(ge) 零件的斷麵比較

圖1 使用氮氣和空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時的切割斷麵效果

空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 的使用範圍

0 1

碳鋼板/Q235板

使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，板厚超過1.5mm後，切割斷麵會(hui) 產(chan) 生一定毛刺，不過所產(chan) 生的毛刺並不鋒利，劃紙測試時不會(hui) 將紙劃破。對於(yu) 不同功率、不同類型的發振器，空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 可以切割的最大厚度各有不同。

0 2

不鏽鋼板/SUS304板

使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，切割斷麵會(hui) 產(chan) 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(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，切割毛刺相對於(yu) 氮氣會(hui) 有所減小。

二氧化碳激光切割機和光纖激光切割機使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時的切割加工範圍如表2所示。

表2 空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時切割的最大板厚值

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對於(yu) 碳鋼板

使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，零件斷麵會(hui) 產(chan) 生較小的毛刺，但毛刺並不鋒利，可以應用在對毛刺要求不高的零件上。

0 2

對於(yu) 不鏽鋼板

由於(yu) 空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) ，材料在加工後切割麵會(hui) 被氧化，從(cong) 而導致切割斷麵在進行焊接時氧化物會(hui) 在焊道內(nei) 產(chan) 生夾渣和氣孔等缺陷，影響焊縫質量，進而導致焊接部位強度下降。因此，對使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 完成零件切割後再對其進行焊接時，需要對焊接部位斷麵的氧化層進行打磨，從(cong) 而改善焊接質量。另外，切割後斷麵會(hui) 發生氧化，產(chan) 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(hui) 對焊接產(chan) 生影響，要先打磨氧化層才可以進行焊接操作。

0 3

對於(yu) 鋁板和鋁合金板

使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 可以減小切割毛刺，如果使用氮氣，切割毛刺反而要大些。

空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 對供氣裝置的要求

使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 切割時，空氣壓力需要0.9MPa，考慮到製造廠生產(chan) 的空壓機壓力等級，應該選擇額定工作壓力能達到1.26MPa、流量達到2.3m3/min的螺杆式空壓機。對於(yu) 壓縮空氣的質量也要特別注意，要保證空氣的幹燥度達到99%，含水率低於(yu) 1/100。因此，壓縮空氣管路中的過濾元件一定要使用質量可靠的品牌產(chan) 品，並特別注意及時更換濾芯；同時在選擇幹燥機時，由於(yu) 目前市麵上有再生吸附式幹燥器和冷凍式幹燥器兩(liang) 種類型，這兩(liang) 種幹燥機各有特點，但如果考慮長時間、少維護和供氣穩定性等方麵要求時，建議選擇再生吸附式幹燥機。最後，在選擇壓縮空氣管路直徑和減壓器時，一定要滿足壓縮機輸出氣體(ti) 的流量和壓力，這樣才能保證在使用壓縮空氣時壓力的穩定。另外，目前永磁變頻螺杆空壓機在市場上已有銷售，這種空壓機相比目前的無變速螺杆空壓機省電量可達50%，可以進一步降低切割成本。

結束語

在目前愈加激烈的行業(ye) 競爭(zheng) 環境下，通過提高產(chan) 品工藝難度、提升產(chan) 品工業(ye) 設計水平等方式提高產(chan) 品附加值，是獲得競爭(zheng) 優(you) 勢的手段之一，在現有工藝狀態下節省加工成本也是取得競爭(zheng) 優(you) 勢的有效方法，使用空氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 進行材料切割，可以降低切割成本，為(wei) 企業(ye) 帶來更多的利潤，從(cong) 而為(wei) 企業(ye) 轉型升級提供更多幫助。