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氮气在 激光切割中的应用

作者: 发布时间:2019-01-30 浏览次数:197
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  CO2激光束 通过喷嘴照射在材料表面,材料吸 收能量后在到熔化状态,,辅助气 体将液态材质吹走。熔化区 域随切割方向表逐步移动产生连续的切缝,这就是激光切割。在激光复合机APELIO 357 Ⅱ上开始应用氧气切割。2001年引进激光切割机BTL3000的同时 也带来新的加工工艺氮气切割。采用氮气切割方法,不但提高了切割质量,而且扩大了加工范围。

  一、氮气切割的特点

  氮气切 割的主要优势在于切割质量高,加工范围广,但也存 在成本高的缺点。下面通 过和氧气切割的比较来详细说明上述特点。

  1.设备简介

  LBG氮气设 备由蓝博净化科技出品,出口氮气流量10Nm3/h~500Nm3/h,氮气纯度99.9995%,氮气压力14kg~22kg,系统由压缩空气系统,空气净化系统,制氮装 置及增压设备组成。

  2.切割质量

  根据使用的辅助气体,激光切割可分为氧气、氮气两种切割方式。在氧气 切割中氧气参与燃烧,熔化位 置温度接近沸点。高温导致反应剧烈,无法保证断面光滑;另外加上氧化反应、增大的热影响区,使切割质量相对较差,容易出现切缝宽、断面斜纹、表面粗 糙度差及焊渣等质量缺陷。氮气切 割中材料完全依靠激光能量熔化,氮气吹 出切缝并避免不合适的化学反应。熔点区 域温度相对较低,加上氮气的冷却、保护作用,反应平稳、均匀,切割质量高。断面细腻光滑,表面粗糙度低,而且无氧化层。

  3.切割成本

  高纯氮 的价格是高纯氧的3倍。氧气切割气压要求(1~4)*105Pa,氮气则需要(10~140*105Pa。例如,切割2MM厚的不锈钢板,氧气需要压力4*105Pa、耗气量2.3m3/h,氮气则对应为14*105Pa、15.2m3/h。而且氮 气切割时要求高功率,相应增加了能耗。氮气切 割的综合成本是氧气切割的15倍以上。

  4.加工范围

  氧气辅 助燃烧增加热量,提高了切割厚度。优势在于低成本,主要应用于碳钢。氮气不辅助燃烧,熔化区域温度较低,适合加工铝、黄铜等低熔点材料。氮气保 护切缝不被氧化,还可用 于不锈钢的无氧化切割。

  二、氮气切割要素

  氮气切 割因自身的特点,切割条 件和氧气切割有着明显的差异。经过两 年多的实际应用,我们通 过实践逐步掌握了氮气切割的要素。

  1.气体参数

  气压和 喷嘴决定了切断面的表面粗糙度、毛刺。适当增 加气压有利于排渣,但过大 则会增加表面粗糙度值。氮气切 割对于气体参数有如下要求:(1)气压 氮气不参与燃烧,用于吹 掉相对温度较低的液态材质,需要(10~14)*105Pa的高气压。而氧气 切割的压力一般不超过4*105Pa。(2) 喷嘴 氮气使用高压,要求较 大的喷嘴直径以保证出气量。例如切割2mm厚的不锈钢,氧气使用喷嘴HK10(? 10mm),氮气则要求HK15(?15mm)。(3)纯度氮 气纯度对切割质量有很大影响(见表2),所含氧 气影响切割质量。而水分 则会对激光器造成危害,因此气体级别***少应保证在4.5级。

  2.切割参数

  切割参数、加工程序相互独立,方便了参数的调整。丰富的 参数可控制切割过程的各个方面,是决定 切割质量的关键所在。氮气切 割和氧气切割因加工方式上的差异,对下列 切割参数有着不同的要求。

  安全无氧化,断面有光泽

  (1)速度 氮气切 割仅仅依靠激光熔化材料,需要时间较长,切割速 度较氧气切割慢。

  (2)功率 氮气切 割要求高功率保证持续的村质熔化。一律在100%左右。

  (3)焦点位置 氮气切 割完全依靠激光能量,焦点下 移能够增强光束能量,要求焦 点接近板材的底端。氧气切 割则要求焦点在板材表面。

  (4)穿孔气 压到切割气压的转换时间 氮气切 割时穿孔气压为2*105Pa,和切割 气压有很大差距。气压陡 然上升容易导致激光断弧。提供几 十毫秒的缓冲时间使气压平衡过渡,保证切割质量。氧气切 割时穿孔气压和切割气压差距很小,不需要 提供这个转换时间。

  (5)加速因子 切割改 变方向时的加速度。氮气切 割时因能量需求增加,所以一般低于1m/s2,而且随 厚度的增加而急剧降低。氧气切割时为一般1m/s2左右,而且不 随厚度剧烈变化,而是小幅下降。

  三、氮气切割的应用

  氮气切 割在实际生产中解决了许多加工难题,并且将 加工范围扩大到了铝、黄铜等 氧气切割很难加工的领域。下面介 绍一下它在各种材料、领域中的应用。

  1.碳钢

  碳钢使用氧气切割。表面温 度因为碳辅助熔化、氧气助燃而非常高。当切割尖锐角、直径小于料厚的孔时,狭小的 区域内集中了过多的热量,使切割质量无法保证。氮气不辅助燃烧,加之具有的冷却作用,适合解 决这类加工难题,能够提高产品质量。

  2.不锈钢

  从成本考虑,切割边 氧化不影响使用的不锈钢零件采用氧气切割。但不锈钢中合金元素Ni等的含量较大,熔化物粘度大,流动性差,氧气切 割时较低的气压 容易导 致粘渣等质量缺陷。焊接不 锈钢时氧化层严重影响焊接质量,特别是氩弧焊。氮气切 割提供的优质无氧化断面,满足了 不锈钢焊接对切割断面的高要求。

  3.铝、黄铜

  铝、黄铜对 激光有着高反射率、低吸收率,要求高 功率来熔化材料。而且要 配备反射吸收装置,使不平 线性波不反射回透镜,来保护激光器的安全。要求氮气切割。

  铝的熔点较低,3mm厚以下 的可用氧气切割,但质量很差,断面而且毛刺坚硬。使用氮 气切割断面光滑,4mm厚以下 能够获得没有获得毛刺的效果。铝粘性 大加上的热传导性,熔化物 可能没来得及吹走就已经冷却了,所以容易出现毛刺。通过调整焦点,升高气压,降低速 度来降低表面粗糙度值,以保证毛刺可轻易清 除。

  4.刻蚀

  刻蚀是一种特殊切割,能量只有基本功率的5%。它仅对 材料表面发生作用,主要用来刻蚀标记。氧气刻蚀温度高度,有时表面出现焊渣。集中刻 蚀还会因热量集中而损伤零件表面。氮气刻 蚀光亮且不损伤表面,可用来 刻蚀要求较高的说明文字。

  四、结语

  氧气切割厚度大、成本低,主要应用于碳钢。氮气的冷却、保护作 用提高了切割质量,并且在不锈钢、铝、黄铜的 切割中取得良好效果,解决了许多加工难题。

  另外,不辅助 燃烧的特点还能用来加工木材、有机玻璃等特殊材料,有着广阔的应用前景。


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