激光切割使用空氣作輔助氣體可降低成本
自從1960年第一束激光被人類通過發(fā)振的方式產(chǎn)生之后，從醫(yī)療領(lǐng)域開始激光不斷被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。二十世紀七十年代起，激光技術(shù)逐步進入了工業(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，不過也是由于激光切割設(shè)備的普及，企業(yè)之間產(chǎn)品價格競爭愈發(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，在當前整個加工制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級，企業(yè)需要將資金重點投放在工藝改進、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。今天我們主要分享一下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(zhì)量的影響
首先，我們來了解一下激光切割的過程：發(fā)振器產(chǎn)生的激光通過透鏡后，被匯聚于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(wěn)定在材料厚度方向上的某一位置，此時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，功率密度通常能達到106～109W/cm2，材料吸收光斑能量后瞬間熔化，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(qū)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于材料和斷面的影響是不同的：
⑴氧氣作為輔助氣體時，在吹離熔化金屬液體的同時，還會發(fā)生氧化反應(yīng)促進金屬吸熱熔化，從而實現(xiàn)更厚材料的熔化，這一過程會明顯提高激光的加工能力。但同時也是由于氧氣的存在，會使材料的切斷面發(fā)生明顯氧化，而且對切斷面周圍材料產(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高了這部分材料的硬度，對后續(xù)加工造成一定影響。
⑵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(zhì)。但同時由于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。另外由于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。
⑶空氣的構(gòu)成氣體中，氮氣約占78%，氧氣約占21%，在使用空氣作為輔助氣體切割時，由于氧氣的存在使得切割斷面必然要發(fā)生氧化反應(yīng)，但同時由于大量氮氣的存在，氧氣帶來的氧化反應(yīng)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于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
表1所示為1.5mm厚304不銹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(xiàn)銀亮光澤，而使用空氣作為輔助氣體時，斷面呈現(xiàn)淡黃色。
下面，以1.5mm厚304不銹鋼為例，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(fā)的光纖激光發(fā)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，本文分析空壓機的耗電時考慮的是，目前很多企業(yè)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%。
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