激光切割是激光加工應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，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(jīng)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(yīng)用空氣壓縮機。本文提出了根據(jù)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。

1.前言
激光切割是在全球范圍內(nèi)最廣泛應(yīng)用的一項激光加工技術(shù)。早在上世紀 70 年代，激光就被首次應(yīng) 用于切割加工。進入本世紀以來，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，國內(nèi)激 光企業(yè)大力發(fā)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(yōu)勢，加工成本大幅 下降，同時結(jié)合多種靈活的付款方式，目前越來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)越來越多的使用激光切割機，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 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(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。

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 蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件，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，在非常短的時間內(nèi)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 2 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(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(zhì)量的較寬參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)。對厚板材料，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前除去，切割過程將繼續(xù)進行。

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氣做輔助氣體的切割質(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(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?？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
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
非常快
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?，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(jù)切割板材的材質(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。

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(chǎn)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(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)熱促進金屬吸熱熔化，可以4 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。

壓縮空氣激光切割與氮氣激光切割的經(jīng)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(biāo)準狀態(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(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以節(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，則一年可以節(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，一年下來節(jié)省下來的用氣成本，足夠買3 臺高品質(zhì)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(fā)白。