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激光切割是利用激光束高功率密度的性質(zhì)，把激光匯聚到很小的光點(diǎn)上，將材料快速加熱，使其達(dá)到沸點(diǎn)后汽化形成空洞，再通過(guò)移動(dòng)激光光束在材料表面造成切縫，完成對(duì)加工物體的切割。

 

激光切割屬于熱切割方法之一，可分為激光氣化切割、激光熔化切割、激光氧助熔化切割和控制斷裂切割四種。

 

激光切割工作原理

 

激光切割與其他切割方法相比較，總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面：

 

（1）切割質(zhì)量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。

 

（2）激光氣割切口細(xì)窄、切縫兩面平行并且與表面垂直度好。

 

（3）切割表面光潔美觀，甚至可作為最后一道加工工序，無(wú)需機(jī)械加工，零件可直接使用。

 

（4） 材料經(jīng)過(guò)激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高。激光切割與其它切割方法的切割速度比較見(jiàn)下表，切割材料為低碳鋼板。

 

幾種切割方法的切割速度比較：

 

（5）切割速度快，例如：2500W的激光切割1mm厚的冷軋?zhí)间摪?，切割速度可達(dá)16-19m/min。

 

（6）非接觸式切割，激光切割時(shí)噴嘴與工件無(wú)接觸，不存在工具磨損。

 

一、激光切割占激光設(shè)備市場(chǎng)的39%

 

2019年激光市場(chǎng)雖然有所增長(zhǎng)，但與前兩年相比增速開(kāi)始放緩，全部領(lǐng)域的激光設(shè)備(含進(jìn)口)市場(chǎng)銷(xiāo)售收入為658億元，同比增長(zhǎng)8.8%。受全球經(jīng)濟(jì)走勢(shì)不確定的影響，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)激光設(shè)備市場(chǎng)整體銷(xiāo)售收入為645億元，將出現(xiàn)近十年來(lái)首次負(fù)增長(zhǎng)，但其前景依然廣闊，絕對(duì)量不小。

 

工業(yè)激光設(shè)備市場(chǎng)中，激光切割應(yīng)用最為廣泛，占比達(dá)到39%，打標(biāo)與焊接分列第二、三位，占比分別為19%、12%。

 

二、朝高功率、高精度、大幅面的方向挺進(jìn)

 

近幾年，國(guó)產(chǎn)激光切割機(jī)技術(shù)有了突破性的發(fā)展，并朝著高功率、高精度、大幅面的方向挺進(jìn)。在中國(guó)智能制造大背景下，工業(yè)領(lǐng)域都呈現(xiàn)從傳統(tǒng)加工向高端制造轉(zhuǎn)型的態(tài)勢(shì)，中國(guó)激光切割領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模將一直保持著高速發(fā)展的趨勢(shì)。

 

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三、壓縮空氣在激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用

 

激光切割機(jī)能夠應(yīng)對(duì)各種材質(zhì)和復(fù)雜形狀的切割要求，除了需要能夠提供高能量的激光器以外，輔助氣體是完成切割過(guò)程不可或缺的物質(zhì)。用于激光切割的輔助氣體主要有氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）和壓縮空氣（Compressed Air）三種。壓縮空氣比氧氣和氮?dú)飧菀撰@得，價(jià)格與氧氣和氮?dú)庀啾确浅１阋?，采用壓縮空氣作為輔助氣體切割非常普遍。

 

壓縮空氣品質(zhì)對(duì)金屬激光切割質(zhì)量有非常直接的影響，氣體壓力的大小和穩(wěn)定性會(huì)影響切割的效果。配套激光切割機(jī)作為輔助氣體的空氣壓縮機(jī)的規(guī)格大小的選擇，主要應(yīng)根據(jù)激光切割機(jī)所采用的激光切割頭的設(shè)計(jì)輔助氣體壓力和噴嘴大小來(lái)確定，這樣就能得到最佳的空氣壓縮機(jī)與激光切割機(jī)的匹配。

 

采用不同輔助氣體進(jìn)行激光切割的比較

 

激光切割時(shí)，根據(jù)切割板材材質(zhì)的不同，來(lái)選擇不同的切割氣體。切割氣體及其壓力的選擇，對(duì)激光切割品質(zhì)有很大的影響。

 

激光切割加工常用的輔助氣體有氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）和壓縮空氣（Compressed Air），有時(shí)還會(huì)用到氬氣（Ar）。按照氣體壓力又可分為高壓氣體和低壓氣體。

 

激光切割輔助氣體的作用主要包括：助燃及散熱、及時(shí)吹掉切割產(chǎn)生的熔漬、防止切割熔漬向上反彈進(jìn)入噴嘴、保護(hù)聚焦透鏡等。根據(jù)被切割材料的不同，結(jié)合激光切割機(jī)的功率，選擇不同的激光切割工藝，輔助氣體的選擇也不盡相同。不同種類(lèi)輔助氣體的特點(diǎn)、用途和適用范圍如下：

 

(1) 氧氣（O2）主要用于切割碳鋼材料。氧氣與鐵元素的化學(xué)反應(yīng)熱促進(jìn)金屬吸熱熔化，可以大幅度提高切割效率，實(shí)現(xiàn)更厚材料的切割，明顯提高激光切割機(jī)的加工能力。但同時(shí)由于氧氣的存在，會(huì)在切口端面產(chǎn)生明顯的氧化膜，而且會(huì)對(duì)切割面周?chē)牧袭a(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高這部份材料的硬度，對(duì)后續(xù)加工造成一定的影響。氧氣切割的材料切口端面發(fā)黑或者暗黃色。一般碳鋼板采用氧氣切割，低壓打孔，低壓切割。

 

(2) 氮?dú)猓∟2）采用氮?dú)庾鳛檩o助氣體切割時(shí)，氮?dú)鈺?huì)在熔化的金屬周?chē)纬杀Ｗo(hù)氛圍，防止材料被氧化，避免氧化膜的形成，實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化切割。但同時(shí)因?yàn)榈獨(dú)獠慌c金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有反應(yīng)熱的產(chǎn)生，切割能力不如氧氣，而且氮?dú)馇懈畹牡獨(dú)庀牧勘妊鯕獯髷?shù)倍，切割成本要高于氧氣切割。無(wú)氧化切割面具有可直接熔接、涂抹、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，切口端面發(fā)白。一般采用氮?dú)馇懈畈讳P鋼、鍍鋅板、鋁及鋁合金板、黃銅等材料，用低壓穿孔，用高壓切割。氮?dú)馇懈顣r(shí)，氣體流量的改變對(duì)切割的影響很大，在保證切割氣體壓力的情況下，一定要保證氣體流量的充足。

 

(3)壓縮空氣（Compressed Air）壓縮空氣可以用空氣壓縮機(jī)直接提供，相對(duì)于氧氣和氮?dú)庖菀撰@得，價(jià)格非常便宜。雖然空氣中只含有約20%的氧氣，切割效率遠(yuǎn)不及氧氣切割，但切割能力與氮?dú)饨咏?，空氣切割效率略高于氮?dú)馇懈睢？諝馇懈畹那锌诙嗣姘l(fā)黃。在對(duì)材料切口表面色澤沒(méi)有嚴(yán)格要求時(shí)，用壓縮空氣替代氮?dú)馇懈钍亲罱?jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

 

(4) 氬氣（Ar）氬氣為惰性氣體，在激光切割中能起到防止氧化和氮化的作用，在溶接中也可以使用。但是氬氣價(jià)格比氮?dú)飧?，一般普通激光切割采用氬氣極不劃算。氬氣切割主要用于鈦及鈦合金等，氬氣切割的切口端面發(fā)白。

 

目前市場(chǎng)上的液氮大約為1400元/噸，激光切割用的液氮都需要采用杜瓦罐，一般是120kg一罐，1kg價(jià)格在3元以上，姑且按1400元/噸計(jì)算。

 

120x1.4=168元，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氮?dú)獾谋戎貫?.25kg/m3，因此一罐杜瓦罐液氮的最大使用量約為：120/1.25=96Nm3，折算成每Nm3的氮?dú)獬杀緸椋?68/96=1.75元/Nm3

 

如果采用某國(guó)產(chǎn)品牌空壓機(jī)提供16bar的壓縮空氣，每分鐘提供1.27m3，該型號(hào)空氣壓縮機(jī)的滿(mǎn)負(fù)荷輸入功率是13.4kW。

 

工業(yè)電費(fèi)按1.0元/度計(jì)算，則每m3的空氣成本為：13.4x1.0/(1.27x60)=0.176元/m3，按照每分鐘實(shí)際消耗0.5m3氣體，激光切割機(jī)每天工作8小時(shí)計(jì)算，則采用空氣切割相比氮?dú)馇懈蠲刻炜晒?jié)省的成本為：(1.75-0.176)x8x60x0.5=378元。如激光切割機(jī)一年工作300天，則一年可節(jié)省的用氣成本為：378x300=113,400元。由此可見(jiàn)，采用壓縮空氣替代氮?dú)馇懈罘浅＝?jīng)濟(jì)實(shí)用。