空氣作為輔助氣體在激光切割中的應用

自從1960年第一束激光被人類通過發振的方式產生之後，從醫療領域開始激光不斷被應用於各個領域。

二十世紀七十年代起，激光技術逐步進入了工業切割領域，直到今天激光切割設備在企業中已經被普遍使用，不過也是由於激光切割設備的普及，企業之間產品價格競爭愈發激烈，這就造成了激光切割設備在企業中盈利能力下降，在當前整個加工製造業需要轉型升級，企業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量的影響

首先，我們來了解一下激光切割的過程：發振器產生的激光通過透鏡後，被匯聚於一點形成極小的光斑，通過精確控制透鏡與板材的距離，保證激光光斑穩定在材料厚度方向上的某一位置，此時由於透鏡的匯聚作用，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於材料和斷面的影響是不同的：

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氧氣作為輔助氣體時

在吹離熔化金屬液體的同時，還會發生氧化反應促進金屬吸熱熔化，從而實現更厚材料的熔化，這一過程會明顯提高激光的加工能力。但同時也是由於氧氣的存在，會使材料的切斷面發生明顯氧化，而且對切斷面周圍材料產生淬火效應，提高了這部分材料的硬度，對後續加工造成一定影響。

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氮氣作為輔助氣體時

會在熔化金屬液體周圍形成保護氛圍，防止材料被氧化，從而保證切斷面品質。但同時由於氮氣沒有氧化能力無法增強熱量傳遞，就不會像氧氣那樣幫助提高切割能力。另外由於氮氣作為輔助氣體時，氮氣消耗量很大，造成切割成本比使用其他氣體時有所升高。

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空氣的構成氣體中

氮氣約佔78%，氧氣約佔21%，在使用空氣作為輔助氣體切割時，由於氧氣的存在使得切割斷面必然要發生氧化反應，但同時由於大量氮氣的存在，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於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不鏽鋼在使用氮氣和空氣作為輔助氣體時的切割斷面效果，從圖1中可以看出：使用氮氣作為輔助氣體時，斷面呈現銀亮光澤，而使用空氣作為輔助氣體時，斷面呈現淡黃色。

下面，以1.5mm厚304不鏽鋼為例，分析空氣和氮氣分別作為輔助氣體時的切割成本，如表1所示。對比中使用的機型為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，使用空氣作為輔助氣體切割時，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企業整體工廠加工成本的降低可以起到非常重要的作用。另外，本文分析空壓機的耗電時考慮的是，目前很多企業正在使用的是無變速螺桿空壓機，如果使用永磁變頻螺桿空壓機，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

註：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。空氣切割時，空壓機耗電費用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min規格的無變速螺桿空壓機來計算。使用氮氣作為輔助氣體切割時，空壓機仍然需要為機床供氣，因此也會產生電費成本

圖1 使用氮氣和空氣作為輔助氣體時的切割斷面效果

空氣作為輔助氣體的使用範圍

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碳鋼板/Q235板

使用空氣作為輔助氣體切割時，板厚超過1.5mm後，切割斷面會產生一定毛刺，不過所產生的毛刺並不鋒利，劃紙測試時不會將紙劃破。對於不同功率、不同類型的發振器，空氣作為輔助氣體可以切割的最大厚度各有不同。

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不鏽鋼板/SUS304板

使用空氣作為輔助氣體切割時，切割斷面會產生黃色的氧化層。

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鋁板/A1050板和鋁合金板/5052板

使用空氣作為輔助氣體切割時，切割毛刺相對於氮氣會有所減小。

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

表2 空氣作為輔助氣體時切割的最大板厚值

空氣作為輔助氣體對切割的影響

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對於碳鋼板

使用空氣作為輔助氣體切割時，零件斷面會產生較小的毛刺，但毛刺並不鋒利，可以應用在對毛刺要求不高的零件上。

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對於不鏽鋼板

由於空氣作為輔助氣體，材料在加工後切割面會被氧化，從而導致切割斷面在進行焊接時氧化物會在焊道內產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，對使用空氣作為輔助氣體完成零件切割後再對其進行焊接時，需要對焊接部位斷面的氧化層進行打磨，從而改善焊接質量。另外，切割後斷面會發生氧化，產生黃色的氧化層，如果該零件是外觀件則有影響。氧化層同樣也會對焊接產生影響，要先打磨氧化層才可以進行焊接操作。

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對於鋁板和鋁合金板

使用空氣作為輔助氣體可以減小切割毛刺，如果使用氮氣，切割毛刺反而要大些。

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，考慮到製造廠生產的空壓機壓力等級，應該選擇額定工作壓力能達到1.26MPa、流量達到2.3m3/min的螺桿式空壓機。對於壓縮空氣的質量也要特別注意，要保證空氣的乾燥度達到99%，含水率低於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品，並特別注意及時更換濾芯；同時在選擇乾燥機時，由於目前市面上有再生吸附式乾燥器和冷凍式乾燥器兩種類型，這兩種乾燥機各有特點，但如果考慮長時間、少維護和供氣穩定性等方面要求時，建議選擇再生吸附式乾燥機。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，目前永磁變頻螺桿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桿空壓機省電量可達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競爭環境下，通過提高產品工藝難度、提升產品工業設計水平等方式提高產品附加值，是獲得競爭優勢的手段之一，在現有工藝狀態下節省加工成本也是取得競爭優勢的有效方法，使用空氣作為輔助氣體進行材料切割，可以降低切割成本，為企業帶來更多的利潤，從而為企業轉型升級提供更多幫助。

來源：鈑金與製作

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