自從1960年激光被人類(lèi)通過(guò)發(fā)振的方式產(chǎn)生之后，從醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)始激光不斷被應(yīng)用于各個(gè)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(guò)也是由于激光切割設(shè)備的普及，企業(yè)之間產(chǎn)品價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)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(gè)加工制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，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。
不同輔助氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響
首先，我們來(lái)了解一下激光切割的過(guò)程：發(fā)振器產(chǎn)生的激光通過(guò)透鏡后，被匯聚于一點(diǎn)形成極小的光斑，通過(guò)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(shí)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(guò)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(gè)切割過(guò)程中，輔助氣體的主要作用是形成驅(qū)動(dòng)力，將熔化金屬液體從材料本身去除，這個(gè)過(guò)程中不同種類(lèi)的氣體對(duì)于材料和斷面的影響是不同的：
⑴氧氣作為輔助氣體時(shí)，在吹離熔化金屬液體的同時(shí)，還會(huì)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(guò)程會(huì)明顯提高激光的加工能力。但同時(shí)也是由于氧氣的存在，會(huì)使材料的切斷面發(fā)生明顯氧化，而且對(duì)切斷面周?chē)牧袭a(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高了這部分材料的硬度，對(duì)后續(xù)加工造成一定影響。
⑵氮?dú)?/b>作為輔助氣體時(shí)，會(huì)在熔化金屬液體周?chē)纬杀Ｗo(hù)氛圍，防止材料被氧化，從而保證切斷面品質(zhì)。但同時(shí)由于氮?dú)鉀](méi)有氧化能力無(wú)法增強(qiáng)熱量傳遞，就不會(huì)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(shí)，氮?dú)庀牧亢艽?，造成切割成本比使用其他氣體時(shí)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(shí)，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(shí)由于大量氮?dú)獾拇嬖?，氧氣帶?lái)的氧化反應(yīng)又不足以增強(qiáng)熱量傳遞，切割能力不會(huì)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(duì)切割成本的影響
使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，每小時(shí)切割成本比使用氮?dú)鈺r(shí)可降低23.7%，這樣的切割成本降幅對(duì)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(shí)考慮的是，目前很多企業(yè)正在使用的是無(wú)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%。
注：
⑴以上成本分析中，機(jī)床的稼動(dòng)率按70%計(jì)算，電費(fèi)按照1元/千瓦時(shí)計(jì)算，氮?dú)獬杀景凑找旱?.5元/公斤計(jì)算。
⑵空氣切割時(shí)，空壓機(jī)耗電費(fèi)用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min規(guī)格的無(wú)變速螺桿空壓機(jī)來(lái)計(jì)算。
⑶使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體切割時(shí)，空壓機(jī)仍然需要為機(jī)床供氣，因此也會(huì)產(chǎn)生電費(fèi)成本
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(shí)，板厚超過(guò)1.5mm后，切割斷面會(huì)產(chǎn)生一定毛刺，不過(guò)所產(chǎn)生的毛刺并不鋒利，劃紙測(cè)試時(shí)不會(huì)將紙劃破。對(duì)于不同功率、不同類(lèi)型的發(fā)振器，空氣作為輔助氣體可以切割的厚度各有不同。
⑵不銹鋼板/SUS304板，使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，切割斷面會(huì)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(shí)，切割毛刺相對(duì)于氮?dú)鈺?huì)有所減小。
二氧化碳激光切割機(jī)和光纖激光切割機(jī)使用空氣作為輔助氣體時(shí)的切割加工范圍如表2所示。
空氣作為輔助氣體對(duì)切割的影響
⑴對(duì)于碳鋼板，使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，零件斷面會(huì)產(chǎn)生較小的毛刺，但毛刺并不鋒利，可以應(yīng)用在對(duì)毛刺要求不高的零件上。
⑵對(duì)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(huì)被氧化，從而導(dǎo)致切割斷面在進(jìn)行焊接時(shí)氧化物會(huì)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(duì)使用空氣作為輔助氣體完成零件切割后再對(duì)其進(jìn)行焊接時(shí)，需要對(duì)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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)?，切割毛刺反而要大些?
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