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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上，將材料快速加熱，使其達(dá)到沸點后汽化形成空洞，再通過移動激光光束在材料表面造成切縫，完成對加工物體的切割。

 

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，總的特點是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個方面：

 

（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，無需機械加工，零件可直接使用。

 

（4） 材料經(jīng)過激光切割后，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)间摪澹懈钏俣瓤蛇_(dá)16-19m/min。

 

（6）非接觸式切割，激光切割時噴嘴與工件無接觸，不存在工具磨損。

 

一、激光切割占激光設(shè)備市場的39%

 

2019年激光市場雖然有所增長，但與前兩年相比增速開始放緩，全部領(lǐng)域的激光設(shè)備(含進(jìn)口)市場銷售收入為658億元，同比增長8.8%。受全球經(jīng)濟走勢不確定的影響，預(yù)計2020年中國激光設(shè)備市場整體銷售收入為645億元，將出現(xiàn)近十年來首次負(fù)增長，但其前景依然廣闊，絕對量不小。

 

工業(yè)激光設(shè)備市場中，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，國產(chǎn)激光切割機技術(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，中國激光切割領(lǐng)域市場規(guī)模將一直保持著高速發(fā)展的趨勢。

 

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三、壓縮空氣在激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用

 

激光切割機能夠應(yīng)對各種材質(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）、氮氣（N2）和壓縮空氣（Compressed Air）三種。壓縮空氣比氧氣和氮氣更容易獲得，價格與氧氣和氮氣相比非常便宜，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)定性會影響切割的效果。配套激光切割機作為輔助氣體的空氣壓縮機的規(guī)格大小的選擇，主要應(yīng)根據(jù)激光切割機所采用的激光切割頭的設(shè)計輔助氣體壓力和噴嘴大小來確定，這樣就能得到最佳的空氣壓縮機與激光切割機的匹配。

 

采用不同輔助氣體進(jìn)行激光切割的比較

 

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

 

激光切割加工常用的輔助氣體有氧氣（O2）、氮氣（N2）和壓縮空氣（Compressed Air），有時還會用到氬氣（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。不同種類輔助氣體的特點、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，實現(xiàn)更厚材料的切割，明顯提高激光切割機的加工能力。但同時由于氧氣的存在，會在切口端面產(chǎn)生明顯的氧化膜，而且會對切割面周圍材料產(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高這部份材料的硬度，對后續(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) 氮氣（N2）采用氮氣作為輔助氣體切割時，氮氣會在熔化的金屬周圍形成保護(hù)氛圍，防止材料被氧化，避免氧化膜的形成，實現(xiàn)無氧化切割。但同時因為氮氣不與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，沒有反應(yīng)熱的產(chǎn)生，切割能力不如氧氣，而且氮氣切割的氮氣消耗量比氧氣大數(shù)倍，切割成本要高于氧氣切割。無氧化切割面具有可直接熔接、涂抹、耐腐蝕性強等特點，切口端面發(fā)白。一般采用氮氣切割不銹鋼、鍍鋅板、鋁及鋁合金板、黃銅等材料，用低壓穿孔，用高壓切割。氮氣切割時，氣體流量的改變對切割的影響很大，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直接提供，相對于氧氣和氮氣要容易獲得，價格非常便宜。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，但切割能力與氮氣接近，空氣切割效率略高于氮氣切割。空氣切割的切口端面發(fā)黃。在對材料切口表面色澤沒有嚴(yán)格要求時，用壓縮空氣替代氮氣切割是最經(jīng)濟實用的選擇。

 

(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。但是氬氣價格比氮氣更高，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價格在3元以上，姑且按1400元/噸計算。

 

120x1.4=168元，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氮氣的比重為1.25kg/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的氮氣成本為：168/96=1.75元/Nm3

 

如果采用某國產(chǎn)品牌空壓機提供16bar的壓縮空氣，每分鐘提供1.27m3，該型號空氣壓縮機的滿負(fù)荷輸入功率是13.4kW。

 

工業(yè)電費按1.0元/度計算，則每m3的空氣成本為：13.4x1.0/(1.27x60)=0.176元/m3，按照每分鐘實際消耗0.5m3氣體，激光切割機每天工作8小時計算，則采用空氣切割相比氮氣切割每天可節(jié)省的成本為：(1.75-0.176)x8x60x0.5=378元。如激光切割機一年工作300天，則一年可節(jié)省的用氣成本為：378x300=113,400元。由此可見，采用壓縮空氣替代氮氣切割非常經(jīng)濟實用。