中国（深 圳）激光与智能装备博览会
CHINA（SHENZHEN）LASER AND INTELLIGENT EQUIPMENT FAIR
开展时间：2019年5月8-10日
开展地点：中国 深圳会展中心
自从1960年第一束激光被人类通过发振的方式产生之后，从医疗领域开始激光不断被应用于各个领域。二十世纪七十年代起，激光技术逐步进入了工业切割领域，直到今天激光切割设备在企业中已经被普遍使用，不过也是由于激光切割设备的普及，企业之间产品价格竞争愈发激烈，这就造成了激光切割设备在企业中盈利能力下降，在当前整个加工制造业需要转型升级，企业需要将资金重点投放在工艺改进、效率提高、增加研发投入等更具附加值的生产环节的大背景下，如何降低激光切割设备的使用成本就显得十分迫切。本文将着眼于激光切割过程中使用空气作为辅助气体来降低切割成本的探讨。
不同辅助气体对切割质量的影响
首先，我们来了解一下激光切割的过程：发振器产生的激光通过透镜后，被汇聚于一点形成极小的光斑，通过精确控制透镜与板材的距离，保证激光光斑稳定在材料厚度方向上的某一位置，此时由于透镜的汇聚作用，光斑处聚集了功率密度非常大的激光能量，功率密度通常能达到106～109W/cm2，材料吸收光斑能量后瞬间熔化，通过使用辅助气体将熔化的液体吹离材料完成切断加工。
在整个切割过程中，辅助气体的主要作用是形成驱动力，将熔化金属液体从材料本身去除，这个过程中不同种类的气体对于材料和断面的影响是不同的：
⑴氧气作为辅助气体时，在吹离熔化金属液体的同时，还会发生氧化反应促进金属吸热熔化，从而实现更厚材料的熔化，这一过程会明显提高激光的加工能力。但同时也是由于氧气的存在，会使材料的切断面发生明显氧化，而且对切断面周围材料产生淬火效应，提高了这部分材料的硬度，对后续加工造成一定影响。
⑵氮气作为辅助气体时，会在熔化金属液体周围形成保护氛围，防止材料被氧化，从而保证切断面品质。但同时由于氮气没有氧化能力无法增强热量传递，就不会像氧气那样帮助提高切割能力。另外由于氮气作为辅助气体时，氮气消耗量很大，造成切割成本比使用其他气体时有所升高。
⑶空气的构成气体中，氮气约占78%，氧气约占21%，在使用空气作为辅助气体切割时，由于氧气的存在使得切割断面必然要发生氧化反应，但同时由于大量氮气的存在，氧气带来的氧化反应又不足以增强热量传递，切割能力不会提高，因此可以将空气切割效果理解为介乎于氮气切割和氧气切割之间，而好处是空气切割的成本非常低，所有成本就是空压机为提供空气而造成的电力消耗，以及空气管路中滤芯的消耗。
不同辅助气体对切割成本的影响
图1所示为1.5mm厚304不锈钢在使用氮气和空气作为辅助气体时的切割断面效果，从图1中可以看出：使用氮气作为辅助气体时，断面呈现银亮光泽，而使用空气作为辅助气体时，断面呈现淡黄色。
下面，以1.5mm厚304不锈钢为例，分析空气和氮气分别作为辅助气体时的切割成本，如表1所示。对比中使用的机型为AMADA公司最新一代光纤激光切割机，所搭载的是自主研发的光纤激光发振器。
通过以上成本分析可知，使用空气作为辅助气体切割时，每小时切割成本比使用氮气时可降低23.7%，这样的切割成本降幅对于企业整体工厂加工成本的降低可以起到非常重要的作用。另外，本文分析空压机的耗电时考虑的是，目前很多企业正在使用的是无变速螺杆空压机，如果使用永磁变频螺杆空压机，单空压机省电量就可以达到50%，使用空气的切割成本可以比使用氮气降低36.2%。
表1 切割成本对比
注：
⑴以上成本分析中，机床的稼动率按70%计算，电费按照1元/千瓦时计算，氮气成本按照液氮1.5元/公斤计算。
⑵空气切割时，空压机耗电费用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min规格的无变速螺杆空压机来计算。
⑶使用氮气作为辅助气体切割时，空压机仍然需要为机床供气，因此也会产生电费成本
(a)氮气作为辅助气体的切割断面为
b)空气作为辅助气体的切割断面
(c)两个零件的断面比较（左侧氮气，右侧为空气）
图1 使用氮气和空气作为辅助气体时的切割断面效果
空气作为辅助气体的使用范围
⑴碳钢板/Q235板，使用空气作为辅助气体切割时，板厚超过1.5mm后，切割断面会产生一定毛刺，不过所产生的毛刺并不锋利，划纸测试时不会将纸划破。对于不同功率、不同类型的发振器，空气作为辅助气体可以切割的最大厚度各有不同。
⑵不锈钢板/SUS304板，使用空气作为辅助气体切割时，切割断面会产生黄色的氧化层。
⑶铝板/A1050板和铝合金板/5052板，使用空气作为辅助气体切割时，切割毛刺相对于氮气会有所减小。
二氧化碳激光切割机和光纤激光切割机使用空气作为辅助气体时的切割加工范围如表2所示。
表2 空气作为辅助气体时切割的最大板厚值
空气作为辅助气体对切割的影响
⑴对于碳钢板，使用空气作为辅助气体切割时，零件断面会产生较小的毛刺，但毛刺并不锋利，可以应用在对毛刺要求不高的零件上。
⑵对于不锈钢板，由于空气作为辅助气体，材料在加工后切割面会被氧化，从而导致切割断面在进行焊接时氧化物会在焊道内产生夹渣和气孔等缺陷，影响焊缝质量，进而导致焊接部位强度下降。因此，对使用空气作为辅助气体完成零件切割后再对其进行焊接时，需要对焊接部位断面的氧化层进行打磨，从而改善焊接质量。另外，切割后断面会发生氧化，产生黄色的氧化层，如果该零件是外观件则有影响。氧化层同样也会对焊接产生影响，要先打磨氧化层才可以进行焊接操作。
⑶对于铝板和铝合金板，使用空气作为辅助气体可以减小切割毛刺，如果使用氮气，切割毛刺反而要大些。
结束语
在目前愈加激烈的行业竞争环境下，通过提高产品工艺难度、提升产品工业设计水平等方式提高产品附加值，是获得竞争优势的手段之一，在现有工艺状态下节省加工成本也是取得竞争优势的有效方法，使用空气作为辅助气体进行材料切割，可以降低切割成本，为企业带来更多的利润，从而为企业转型升级提供更多帮助。
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