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  激光切割是激光加工應用最廣泛的一項技術，激光切割機采用壓縮空氣作為輔助氣體進行金屬切割 加工是一種常見的經濟實用的加工方式。為達到最佳的工件切割效果，需要合理地選擇和正確地應用。本文提出了根據噴嘴理論選擇空氣壓縮機的方法，介紹了激光切割機采用壓縮空氣作為輔助氣體切割加工需要注意的問題。

本文作者：劉慶衛 來源：云 微信公眾號：GDBALDOR

葆德產品圖：激光切割空壓機四合一體機

  1、前言

  激光切割是在全球范圍內最廣泛應用的一項激光加工技術。早在上世紀 70 年代，激光就被首次應 用于切割加工。進入本世紀以來，伴隨著第三代激光技術光纖激光器的興起和普及，激光切割更被廣泛 應用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導體以及紡織品、木材和紙質等材料加工。2010 年以后，國內激 光企業大力發展大功率光纖激光切割機，由于大功率光纖激光加工具有獨特的加工優勢，加工成本大幅 下降，同時結合多種靈活的付款方式，目前越來越多的鈑金加工企業、廚衛制造企業以及汽車部件加工 企業越來越多的使用激光切割機，特別是在鈑金加工行業中已取代傳統加工方式。

  激光切割機能夠應對各種材質和復雜形狀的切割要求，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。用于激光切割的輔助氣體主要有氧氣（O2）、氮氣（N2 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。 

  壓縮空氣品質對金屬激光切割質量有非常直接的影響，氣體壓力的大小和穩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格大小的選擇，主要應根據激光切割機所采用的激光切 割頭的設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。

  2、激光切割加工原理

  激光切割是利用經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 蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質，從而實現割開工件，激光切割屬于熱切割方法之一。

圖一：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，在非常短的時間內達到材料的沸點， 材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，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。

圖二：激光氣化切割

激光氣化切割的切割口光滑沒有毛刺。

  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），依靠氣體的強大壓力使液態金屬排除，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。

  對薄板材料，切割速度過慢會使大部分激光束直接通過切口白白損失能量，速度提高使更多光束照射材料，增加與材料的耦合功率，獲得保證切割質量的較寬參數調節區。對厚板材料，由于激光蒸發作用或熔化產物移去速度不夠快，光束在割縫內材料切面上多次反射，只要熔化產物能在它被冷氣流凝團前除去，切割過程將繼續進行。

圖三：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氣做輔助氣體的切割質量好，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℃的鐵元素產生化學反應，從而繼續放出大量的氧化熱，使鐵元素加熱燃燒；另一方面把熔融的液態氧化物和熔化物從反應區吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的 1/2，而切割速度遠遠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，但斷面發黑且粗糙，而成本低于惰性氣體切割。

  D. 控制斷裂切割  

  通過激光束加熱，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域，引起熱梯度和隨之而來的嚴重機械變形，使材料形成裂縫。控制斷裂切割速度快，只需很小的激光功率；功率太高會造成工件表面熔化，并破壞切割邊緣。控制斷裂切割主要可控參數是激光功率和光斑尺寸。 

  2.2 激光切割的特點

   激光切割與其他切割方法相比較，總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面： 

（1） 切割質量好。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 質量。 

（2） 激光氣割切口細窄、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） 材料經過激光切割后，熱影響區寬度很小，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

（5） 切割速度快，例如：2500W 的激光切割 1mm 厚的冷軋碳鋼板，切割速度可達 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。 

  3、采用不同輔助氣體進行激光切割的比較

  激光切割時，根據切割板材的材質的不同，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。

  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、及時吹掉切割產生的熔漬、防止切割熔漬向上反彈進 入噴嘴、保護聚焦透鏡等。根據被切割材料的不同，結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反應熱促進金屬吸熱熔化，可以4 大幅度提高切割效率，實現更厚材料的切割，明顯提高激光切割機的加工能力。但同時由于氧氣的 存在，會在切口端面產生明顯的氧化膜，而且會對切割面周圍材料產生淬火效應，提高這部份材料 的硬度，對后續加工造成一定的影響。氧氣切割的材料切口端面發黑或者暗黃色。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氛圍，防止材料被氧化，避免氧化膜的形成，實現無氧化切割。但同時因為氮氣不與金屬產生化學反應，沒有反應熱的產生，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黃。在對材料切口表面色澤沒有嚴格要求時，用壓縮空氣替代氮氣切割是最經濟實用的選擇。

—— 壓縮空氣激光切割與氮氣激光切割的經濟性比較 —— 

  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 元標準狀態氮氣的比重為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  

  如果采用葆德PM15TK-16 型空壓機提供16bar的壓縮空氣，每分鐘可以提供1.27m3，該型號空氣壓縮機的滿負荷輸入功率是13.4kW。

  工業電費按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以節省的成本為：(1.75-0.176)x8x60x0.5=378 元如激光切割機一年工作300 天，則一年可以節省的用氣成本為：378x300=113,400 元，由此可見，采用壓縮空氣替代氮氣切割非常經濟實用，一年下來節省下來的用氣成本，足夠買3 臺高品質的一體式空氣壓縮機了。

  (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白。 

  4、影響激光切割質量的因素

  4.1. 評價激光切割質量的要素

  有許多評判激光切割邊緣質量的標準。像毛刺形式、凹陷、紋路等標準可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口寬度等則需要采用專用儀器來測量。材料沉積，腐蝕，熱影響區域和變形也是衡量激光 切割質量的重要要素。最常見的切割質量不良就是過燒、掛渣。激光切割機的功率、激光脈沖頻率、切割速度、光束焦點、光束偏振方向、噴嘴尺寸、輔助氣體壓力和流量都會影響評價激光切割質量的要素。

圖四：評價激光切割質量的要素 

  （1）過燒 是由于激光功率過大，切小孔或者切割速度太慢，工件熔化的熱量不能及時被高壓氣流帶走而產生的。可以通過調低激光功率，加大氣體流量等方法解決切割過燒。

圖五：過燒

  （2）掛渣 也就是毛刺。激光功率不足，或者輔助氣體壓力不足，或者切割速度太快，使得輔助氣體不能將切割過程產生的熔化或氣化的材料徹底吹除，造成切割面的下沿附著熔渣的現象。

圖六：掛渣（毛刺）

  4.2. 評價激光切割質量的要素

   激光光束焦點位置對切割質量具有重要的影響。切割不同的材質，切割的厚度不同，需要調整不同的的焦點位置。有時候，切割出現毛刺并不是因為輔助氣體壓力不足，而是焦點太高。光束焦點位置對切割質量的影響可見圖 7。

圖七：光束焦點對切割效果的影響（碳鋼 15mm，不銹鋼 8mm）

  4.3. 切割速度對切割質量的影響

   A. 切割速度太快

  1） 可能造成無法切割，火花四濺；

  2） 有些區域可以切斷，有些區域不能切斷；

  3） 整個切割斷面較粗糙；

  4） 形成斜切紋，在板材下部產生熔渣（圖 8）。

圖八：切割速度太快的效果

  B. 切割速度太慢

  1） 造成切割板材過熔，切割斷面較粗糙；

  2） 切縫變寬，在小圓角或尖角部位造成整個區域熔化，產生過燒；

  3） 切割效率降低。

  4.4. 噴嘴對激光切割質量的影響

  當噴嘴的中心與激光光束的中心不同軸時，從噴嘴噴出的高速氣流就會對切割的熔融物進行偏吹， 使得切割斷面較容易出現一邊有熔渣，而另一邊沒有的現象。這一現象在切割 3mm 厚度以上的板材時表現明顯，嚴重時會造成不能切割。

  噴嘴的尺寸要合適。切割厚的板材需要的激光功率大，激光聚焦投射到板材上的光斑直徑也較大， 這就要求通過光束的噴嘴直徑也較大。但是如果噴嘴直徑太大，一方面從噴嘴噴射出的氣流速度會較慢，吹除熔融物的能力變弱，切割斷面可能會形成毛刺；另一方面，由于噴嘴尺寸大而氣流速度慢， 則激光切割產生的熔渣和煙霧比較容易飛濺到噴嘴里面，損壞保護鏡片，對于高功率激光機還可能反射激光光束燒毀激光頭。

  4.5. 壓縮空氣品質對激光切割質量的影響

  壓縮空氣的品質對激光切割質量有非常直接的影響。壓縮空氣中含有水霧和油，如果沒有處理干凈， 高壓噴射到激光切割頭的保護鏡面上，就會嚴重影響激光束的傳輸，使焦點分散，造成產品切不透，產生廢品。如果是超大功率激光切割機，只要保護鏡面或噴嘴表面粘上一點點極細微的油膜或水霧，也有可能造成高能激光發射燒壞激光頭。由于超大功率激光切割機（12000W 以上）的激光頭價格都在 2 萬以上，而大多數空氣壓縮機的提供者都不能對壓縮空氣中的油和水分進行很好的處理，多數的超大功率激光切割機的用戶都不愿意冒險采用壓縮空氣作為輔助氣體。圖 9 和圖 10 分別展示的是未被污染的鏡片和被污染了的鏡片。

圖九：未被污染的鏡片

圖十：被污染了的鏡片

  5、影響金屬激光切割厚度和切割效率的因素

  從大量實踐來看，激光切割機的功率、輔助氣體種類、輔助氣體的壓力和流量影響金屬激光切割厚度和切割效率的主要因素。在給激光切割機選擇空氣壓縮機時需要綜合考慮這幾個方面的因素。

  根據清華大學和哈爾濱焊接研究所的激光切割研究試驗4，激光功率和輔助氣體壓力對激光切割能力的影響見圖九，切割工件為 2mm厚低碳鋼板，切割速度 3m/min，光斑直徑0.16mm，噴嘴形狀為圓錐形，噴嘴底部直徑 1.5mm，噴嘴到工件距離為 1mm。

圖十一：激光功率和輔助氣體壓力對激光切割能力的影響

  從圖 11（a）可以看出，對于 2mm 厚的低碳鋼板，如果激光功率低于 860W，無論把輔助氣體氮氣的壓力提高到多少，也無法切斷工件，因為激光所提供的能量不足以熔透工件。如果激光功率足夠大， 足以熔透工件，那么，激光功率越大，則所需要的輔助氣體壓力越低。

  從圖 11（b）可以看出，如果采用氧氣切割同樣厚度的低碳鋼板，激光能量和輔助氣體壓力對切割能力的影響規律與采用氮氣切割時相似，但是切割所需要的激光功率和輔助氣體壓力均大為降低，這是因為切割時氧氣與鐵元素產生化學反應燃燒放出了約為激光功率四倍的能量。這也解釋了為什么一般中功率激光切割機在切 2mm 以上低碳鋼板時都偏好喜歡用氧氣切割的原因。

  壓縮空氣切割碳鋼板時，因為空氣中含有約 20%的氧氣，這部分的氧氣在切割時也與鐵元素產生化學反應燃燒放出熱量，所以用壓縮空氣切割碳鋼板的效率要略高于用氮氣切割。

  另外，不同的激光切割機生產廠家，由于其所采用的激光器和采用的工藝的不同，切割能力也不盡相同。本文摘取其中幾家有代表性的廠家公開數據，供讀者參考。

表二 大族激光切割機最大切割厚度，mm

表三 華工激光切割機最大切割厚度，mm

表四 百超激光切割機最大切割厚度，mm

  由于激光器成本的下降，激光切割機的整體成本也已經大幅度下降，現在一般的金屬加工用戶購買的激光切割機的功率以 3000W-4000W 居多，少數位于金屬材料市場周圍的承接大量金屬加工的用戶則主要購買 12000W-15000W 的超大功率激光切割機。因此，總體來說，厚度 22-25mm 以下的低碳鋼板， 10-16mm 以下的不銹鋼板、鋁合金板、銅合金板均可以采用激光切割。其中，厚度 2-2.5mm 以下的低碳鋼板宜采用高壓壓縮空氣切割，厚度 2-2.5mm 以上的低碳鋼板宜采用氧氣切割；不銹鋼板、鍍鋅板、鋁合金板、銅合金板宜采用氮氣或高壓壓縮空氣切割。

  6、空氣壓縮機的選擇

  6.1、空氣壓縮機壓力和排氣量的選擇

  根據前面的論述可知，激光切割機配套空氣壓縮機能切割多厚的板材這樣的問題，主要取決于激光功率，而與壓縮空氣壓力關系不大。如果激光功率足夠大，壓縮空氣壓力低一點也能切割；如果激光功率不夠大，壓縮空氣壓力再高也切割不了。只要激光功率足夠大，壓縮空氣壓力越高，激光切割質量越好，切割效率越高。隨著激光切割機功率從小功率向中功率再向大功率以至超大功率發展，配套激光切割機的空氣壓縮機的壓力的要求也從最開始的8bar 提高到兩年前的13bar，再提高到現在的16bar，并且還在進一步往20-30bar 發展。

  對于采用壓縮空氣作為輔助氣體的激光切割機來說，壓縮空氣經過干燥凈化之后，分成三路，分別作為切割氣體、氣缸動力氣源和光路正壓除塵氣體維持激光切割機的正常運行，切割氣體所占的比重大約是壓縮空氣總消耗量的80-90%。對于不采用壓縮空氣而采用氮氣或氧氣作為輔助氣體的激光切割機，其仍然需要一臺流量很小的空氣壓縮機提供氣缸動力氣源，不過只需要的是6-7bar 的常壓氣源。

  采用壓縮空氣作為輔助氣體的激光切割機，應該配套多大排氣量的空氣壓縮機？

  壓縮空氣作為輔助氣體是要通過與激光光束同軸的噴嘴高速噴出來輔助激光切割的，計算出噴嘴通過的壓縮空氣流量就可以確定需要配套多大排氣量的空氣壓縮機了。

  設噴嘴前空氣絕對壓力為p，噴嘴后空氣絕對壓力為p0。根據噴嘴理論，當p0/p≦0.528 時，通過噴嘴的壓縮空氣在標準狀態下的流量為：

其中，Q——空氣流量，L/min

S ——噴嘴有效面積，㎡   

μ——流量系數，μ＜1，一般取 0.92-0.94 

A——噴嘴面積   ㎡

d——噴嘴直徑，m 

p ——噴嘴前絕對壓力，Pa

T ——噴嘴前氣體滯止溫度，K

p ——噴嘴前絕對壓力，Pa

T ——噴嘴前氣體滯止溫度，K

  在計算空氣壓縮機的排氣量時，需要考慮到激光切割機有空走時間，工作時實際出氣時間在 50-70%之間。實際需要的排氣量QN 按下式算： 

  激光切割機的使用的噴嘴規格，根據激光切割機的功率大小常見的有：1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0mm 七個規格。圖 12 給出了各種規格噴嘴采用不同切割氣壓時對應的輔助氣體流量。

圖十二：各種規格噴嘴采用不同切割氣壓時對應的輔助氣體流量，m3/min