激光切割是激光加工應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行金屬切割 加工是一種常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工方式。為達(dá)到最佳的工件切割效果，需要合理地選擇和正確地應(yīng)用空氣壓縮機(jī)。本文提出了根據(jù)噴嘴理論選擇空氣壓縮機(jī)的方法，介紹了激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體切割加工需要注意的問(wèn)題。

1.前言
激光切割是在全球范圍內(nèi)最廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)激光加工技術(shù)。早在上世紀(jì) 70 年代，激光就被首次應(yīng) 用于切割加工。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，伴隨著第三代激光技術(shù)光纖激光器的興起和普及，激光切割更被廣泛 應(yīng)用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工。2010 年以后，國(guó)內(nèi)激 光企業(yè)大力發(fā)展大功率光纖激光切割機(jī)，由于大功率光纖激光加工具有獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)，加工成本大幅 下降，同時(shí)結(jié)合多種靈活的付款方式，目前越來(lái)越多的鈑金加工企業(yè)、廚衛(wèi)制造企業(yè)以及汽車部件加工 企業(yè)越來(lái)越多的使用激光切割機(jī)，特別是在鈑金加工行業(yè)中已取代傳統(tǒng)加工方式。

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 2. 激光切割加工原理 ）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阋耍?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。

2.激光切割加工原理

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率高密度的激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒 蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開(kāi)工件，激光切割屬于熱切割方法之一。

圖 1 激光切割加工原理

2.1 激光切割的主要方式
激光切割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
A. 激光氣化切割
利用激光高能力密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)， 材料開(kāi)始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。材料 的氣化熱一般很大，所以激光氣化切割需要很大的功率和功率密度。
激光氣化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

圖 2 激光氣化切割
激光氣化切割的切割口光滑沒(méi)有毛刺。

B. 激光熔化切割
激光熔化切割是用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過(guò)與光束同軸的噴嘴噴吹高壓惰性氣（N2、Ar、He等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排除，形成割縫。激光熔化切割不需要使金完全氣化，所需激光能量只有氣化切割的十分之一左右。
對(duì)薄板材料，切割速度過(guò)慢會(huì)使大部分激光束直接通過(guò)切口白白損失能量，速度提高使更多光束照射材料，增加與材料的耦合功率，獲得保證切割質(zhì)量的較寬參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)。對(duì)厚板材料，由于激光蒸發(fā)作用或熔化產(chǎn)物移去速度不夠快，光束在割縫內(nèi)材料切面上多次反射，只要熔化產(chǎn)物能在它被冷氣流凝團(tuán)前除去，切割過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行。

圖 3 激光熔化切割

激光熔化切割的切割口邊緣都呈條紋狀。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、不銹鐵、鈦合金、鋁及其合金等。激光熔化切割采用氮?dú)庾鲚o助氣體的切割質(zhì)量好，但成本比氧氣切割高。

C. 激光氧助熔化切割
激光氧助熔化切割原理類似于氧乙炔切割，它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣作為輔助切割氣體。噴出的氧氣一方面與被激光加熱到約 1500℃的鐵元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而繼續(xù)放出大量的氧化熱，使鐵元素加熱燃燒；另一方面把熔融的液態(tài)氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過(guò)程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的 1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光氣化切割和熔化切割。
激光氧助熔化切割的切割口邊緣粗糙度介于激光汽化切割和激光熔化切割之間。

激光氧助熔化切割主要用與碳鋼等易氧化的金屬材料。也可用于不銹鋼等材料的加工，但斷面發(fā)黑且粗糙，而成本低于惰性氣體切割。

D. 控制斷裂切割
通過(guò)激光束加熱，容易受破壞的脆性材料高速、可控地切斷，稱為控制斷裂切割。其切割原理為：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起熱梯度和隨之而來(lái)的嚴(yán)重機(jī)械變形，使材料形成裂縫?？刂茢嗔亚懈钏俣瓤欤恍韬苄〉募す夤β?；功率太高會(huì)造成工件表面熔化，并破壞切割邊緣?？刂茢嗔亚懈钪饕煽貐?shù)是激光功率和光斑尺寸。

2.2 激光切割的特點(diǎn)
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)表一，切割材料為低碳鋼板。
表一 幾種切割方法的切割速度比較
切割方法
激光切割
等離子切割
氧乙炔切割
水力切割
切割速度
非?？?br /> 快
慢
非常慢

（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(shí)噴嘴與工件無(wú)接觸，不存在工具磨損。

3.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)切割板材的材質(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。

3.1. 輔助氣體的種類
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。

3.2.輔助氣體種類的選擇
激光切割輔助氣體的作用主要：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4 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)切割面周圍材料產(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)在熔化的金屬周圍形成保護(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諝馇懈钚事愿哂诘獨(dú)馇懈??？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。

壓縮空氣激光切割與氮?dú)饧す馇懈畹慕?jīng)濟(jì)性比較

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
如果采用葆德PM15TK-16 型空壓機(jī)提供16bar的壓縮空氣，每分鐘可以提供1.27m3，該型號(hào)空氣壓縮機(jī)的滿負(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)馇懈蠲刻炜梢怨?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，則一年可以節(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，一年下來(lái)節(jié)省下來(lái)的用氣成本，足夠買3 臺(tái)高品質(zhì)的一體式空氣壓縮機(jī)了。

(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。