二十世紀七十年代起，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備的普及，企業(yè)之間產(chǎn)品價(jià)格競爭愈發(fā)激烈，這就造成了激光切割設備在企業(yè)中盈利能力下降，在當前整個(gè)加工制造業(yè)需要轉型升級，激光切割機品牌企業(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)節的大背景下，如何降低激光切割設備的使用成本就顯得十分迫切。本文將著(zhù)眼于激光切割過(guò)程中使用空氣作為輔助氣體來(lái)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(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)準確控制透鏡與板材的距離，保證激光光斑穩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)的氣體對于材料和斷面的影響是不同的：

1、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)生氧化反應促進(jìn)金屬吸熱熔化，從而實(shí)現更厚材料的熔化，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，而且對切斷面周?chē)牧袭a(chǎn)生淬火效應，提高了這部分材料的硬度，對后續加工造成一定影響。

2、氮氣作為輔助氣體時(shí)，會(huì )在熔化金屬液體周?chē)纬杀Ｗo氛圍，防止材料被氧化，從而保證切斷面品質(zhì)。但同時(shí)由于氮氣沒(méi)有氧化能力無(wú)法增強熱量傳遞，就不會(huì )像氧氣那樣幫助提高切割能力。另外由于氮氣作為輔助氣體時(shí)，氮氣消耗量很大，造成切割成本比使用其他氣體時(shí)有所升高。

3、空氣的構成氣體中，氮氣約占78%，氧氣約占21%，在使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，由于氧氣的存在使得切割斷面必然要發(fā)生氧化反應，但同時(shí)由于大量氮氣的存在，氧氣帶來(lái)的氧化反應又不足以增強熱量傳遞，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

圖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(shí)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(shí)，斷面呈現銀亮光澤，而使用空氣作為輔助氣體時(shí)，斷面呈現淡黃色。

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(shí)的切割成本，如表1所示。對比中使用的機型為AMADA公司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(guò)以上成本分析可知，使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，每小時(shí)切割成本比使用氮氣時(shí)可降低23.7%，這樣的切割成本降幅對于企業(yè)整體工廠(chǎng)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(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，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%。

表1 切割成本對比

注：⑴以上成本分析中，機床的稼動(dòng)率按70%計算，電費按照1元/千瓦時(shí)計算，氮氣成本按照液氮1.5元/公斤計算。

  ⑵空氣切割時(shí)，空壓機耗電費用按照17.5kW、1.26MPa、2.3m3/min規格的無(wú)變速螺桿空壓機來(lái)計算。

  ⑶使用氮氣作為輔助氣體切割時(shí)，空壓機仍然需要為機床供氣，因此也會(huì )產(chǎn)生電費成本

(a)氮氣作為輔助氣體的切割斷面

(b)空氣作為輔助氣體的切割斷面

(c)兩個(gè)零件的斷面比較（左側氮氣，右側為空氣）

空氣作為輔助氣體的使用范圍

1、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，劃紙測試時(shí)不會(huì )將紙劃破。對于不同功率、不同類(lèi)型的發(fā)振器，空氣作為輔助氣體可以切割的大厚度各有不同。

2、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。

3、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)，切割毛刺相對于氮氣會(huì )有所減小。

二氧化碳激光切割機和光纖激光切割機使用空氣作為輔助氣體時(shí)的切割加工范圍如表2所示。

表2 空氣作為輔助氣體時(shí)切割的大板厚值

空氣作為輔助氣體對切割的影響

1、對于碳鋼板，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，可以應用在對毛刺要求不高的零件上。

2、對于不銹鋼板，由于空氣作為輔助氣體，材料在加工后切割面會(huì )被氧化，從而導致切割斷面在進(jìn)行焊接時(shí)氧化物會(huì )在焊道內產(chǎn)生夾渣和氣孔等缺陷，影響焊縫質(zhì)量，進(jìn)而導致焊接部位強度下降。因此，對使用空氣作為輔助氣體完成零件切割后再對其進(jìn)行焊接時(shí)，需要對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(guān)件則有影響。氧化層同樣也會(huì )對焊接產(chǎn)生影響，要先打磨氧化層才可以進(jìn)行焊接操作。

3、對于鋁板和鋁合金板，使用空氣作為輔助氣體可以減小切割毛刺，如果使用氮氣，切割毛刺反而要大些。

空氣作為輔助氣體對供氣裝置的要求

使用空氣作為輔助氣體切割時(shí)，空氣壓力需要0.9MPa，考慮到制造廠(chǎng)生產(chǎn)的空壓機壓力等級，應該選擇額定工作壓力能達到1.26MPa、流量達到2.3m3/min的螺桿式空壓機。對于壓縮空氣的質(zhì)量也要特別注意，要保證空氣的干燥度達到99%，含水率低于1/100。因此，壓縮空氣管路中的過(guò)濾元件一定要使用質(zhì)量可靠的品牌產(chǎn)品，并特別注意及時(shí)更換濾芯；同時(shí)在選擇干燥機時(shí)，由于目前市面上有再生吸附式干燥器和冷凍式干燥器兩種類(lèi)型，這兩種干燥機各有特點(diǎn)，但如果考慮長(cháng)時(shí)間、少維護和供氣穩定性等方面要求時(shí)，建議選擇再生吸附式干燥機。在選擇壓縮空氣管路直徑和減壓器時(shí)，一定要滿(mǎn)足壓縮機輸出氣體的流量和壓力，這樣才能保證在使用壓縮空氣時(shí)壓力的穩定。另外，目前永磁變頻螺桿空壓機在市場(chǎng)上已有銷(xiāo)售，這種空壓機相比目前的無(wú)變速螺桿空壓機省電量可達50%，可以進(jìn)一步降低切割成本。