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輔助氣體空氣在激光切割中的應用

2016.07.25 8074 字號

  目前光纖激光器已經占據著激光切割行業絕大部分市場,究其原因最重要一點是成本,而使用空氣作為輔助氣體切割無疑會進一步增加成本優勢。

  在激光加工行業,如何降低成本是很多用戶最關心的問題。隨著光纖激光器在厚板切割工藝上的進步,使得傳統的二氧化碳激光器幾乎沒有了優勢,目前光纖激光器已經占據著激光切割行業絕大部分市場,究其原因最重要一點是成本,而使用空氣作為輔助氣體切割無疑會進一步增加成本優勢。我們只有充分認識到其優缺點,才能發揮其優勢為廣大用戶降低成本。

  常用的激光光切割氣體主要有三種,氧氣、氮氣和空氣,氧氣和氮氣作為常規切割氣體。

  氧氣主要用于碳鋼切割和不銹鋼鋁板厚板的穿孔,主要與切割金屬發生氧化反應,放出大量的氧化熱,另外一定壓力的氣體會吹走氧化物和熔渣,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱,切割不需要太高的功率。缺點是薄板切割速度慢,切割尖角時容易過燒。

  氮氣主要用于不銹鋼和鋁板切割,如果激光器功率足夠大薄的碳鋼板用氮氣切割速度會得到大幅提升。氮氣在切割過程中的作用是杜絕氧化反應并利用其高氣壓吹走融熔物,所以可以得到比較光亮的斷面效果,當然尖角的效果也會更好。缺點是氣體成本高,厚板切割速度慢。

  空氣本身存在于空氣中,我只需要空壓機將其壓縮到儲氣罐,然后再經過過濾冷卻和干燥即可使用,主要成本是電費和設備保養費用。空氣的主要成分就是大約80%的氮氣和20%氧氣的混合,所以空氣在一定程度可以彌補氧氣和氮氣的不足。根據我們目前實驗,以3000w光纖激光切割機為例,只需要空壓機出口壓力達到1.2Mpa的空氣即可實現對2mm以下碳鋼,10mm以下不銹鋼,5毫米以下鋁板優質切割。傳統的二氧化碳激光器也可以用空氣切割,但是光斑特性影響切割質量不好,光纖激光器由于能量密度更大熱影響區域更小配合空氣切割可以達到意想不到的結果。下面我們針對碳鋼、不銹鋼和鋁板實驗得出的數據具體分析一下空氣切割的優缺點。

  碳鋼氧氣和空氣切割數據對比

  空氣切割只需要1.2mpa的空氣壓力2mm以下碳鋼實現斷面光滑無掛渣,最重要的是其加工速度實現成倍的增長。為什么數據會出現這么大變化,這是因為使用氧氣切割薄板一般不會用到滿功率,滿功率使用氧氣切割薄板切割速度也上不來,還容易造成轉角處過燒,這就是氧氣切割薄板的瓶頸所在。使用空氣切割恰好解決這些問題,可以實現滿功率切割,速度大幅提升,尖角的切割效果也會得到改善。

  當然如果想要切割更厚的碳鋼板則需要繼續提高空氣壓力,可能會用到增壓裝置,對過濾裝置的要求也會增加,所以成本會增加很多。另外中厚碳鋼板更適合用氧氣切割,碳鋼中厚板使用空氣切割不僅切割速度慢切割質量也不如氧氣切割,這也是我們為什么只建議2mm以下使用空氣切割的原因。

  不銹鋼氮氣和空氣切割數據對比

  根據數據可以看到,空氣切割不銹鋼時除了3mm厚度切割速度沒有增加,切割其他厚度速度都有不同程度的提升。一般人可能認為,空氣中含有20%左右的氧氣,切割出的斷面肯定是發黃發黑的,根據我們測試的效果看,2mm以下不銹鋼使用空氣切割出來的效果幾乎是白色亮面無渣,這主要是由于光纖激光器能量密度大熱影響區域小當切割速度夠快時氧化的效果就不明顯了。3~4mm切割斷面呈略黃狀態,斷面不錯,無掛渣。5~10mm厚度斷面就發黑了,厚度越大速度越慢,斷面越黑,但是空氣切割速度還是比氮氣切割速度提高不少。我們知道切割不銹鋼時厚度越大所需的氣體壓力就越大,例如切割10mm不銹鋼時切割氣體壓力需要達到1.5~1.8mpa,一瓶普通氮氣10分鐘不到就用完了,一瓶氮氣的成本大約25元,一個小時算下來氣體成本至少也要100元,而用空氣切割只消耗電費一個小時成本不超過10塊錢。事實上很多客戶對切割工件斷面顏色本身并無過多要求,主要是尺寸要求,還有無掛渣。空氣切割8mm以下不銹鋼無掛渣,10mm不銹鋼只有少量毛渣,很容易就處理掉。

  如下圖:上面為空切割,下面為氮氣切割10mm不銹鋼

  從圖中看,除了切割面是黑的外,無論是刮渣情況還是切割斷面都不遜于氮氣切割。

  鋁板氮氣和空氣切割數據對比

  不得不說空氣切割鋁板優勢更明顯,首先速度得到了明顯提升,而且不存在斷面發黑的問題,因為氧化鋁本身就是白色。了解光纖激光切割的人都知道,光纖激光器比二氧化碳激光器更適合切割鋁板,但是光纖激光使用氮氣切割鋁板很難避免刮渣的問題,這也是一直困擾很多用戶的麻煩。然而,經過實驗室工藝試驗使用空氣切割3mm以下鋁板使用新工藝方法可以做到幾乎不掛渣。這就是空氣帶來的神奇效果,氮氣切割達不到的效果。

  如下圖:左邊為氮氣切割,右邊為空氣切割2mm鋁板

  從圖中看,空氣切割斷面不錯而且沒有掛渣,這是氮氣切割難以做到的。

  通過上述三個表格數據對比可以看出,使用空氣切割對切割效率和切割質量改善都有獨特之處,在面對不同材料的切割時為我們增加了一個很有意義的選擇。空氣切割不僅僅可以用于碳鋼、不銹鋼和鋁板,還可以用于切割紫銅板、鍍鋅板等材料。針對不同材料的切割工藝還有很多工作需要我們去做,也許還有更精彩的發現。

  當然,空氣切割也不是沒有缺點,我們需要特別注意如果經常使用空氣切割,那么請一定記得空壓機和冷干機按時保養,保證空氣質量潔凈無水無油。如果不注意這些可能造成的空氣不潔凈含水含油,不潔凈的空氣進入切割頭首先會污染保護鏡影響切割質量,如果不及時處理還有可能損害傳感器。未加裝增壓裝置的設備,受壓力限制切割厚度和切割速度會受到限制。另外,中小功率光纖激光切割機使用空氣切割對切割速度提升效果不大,大功率光纖激光器會更有優勢。

  如今大功率光纖激光切割機越來越多的走向市場,競爭也越來越激烈,如果擁有更大的成本優勢就更有機會抓住訂單把握市場。空氣切割技術成熟與推廣必定會帶來更多的機遇,這也需要我們激光人繼續努力,為用戶帶來更多的實惠!

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