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氮氣在激光切割中的應用

CO2激光束通過噴嘴照射在材料表面,材料吸收能量后在到熔化狀態,,輔助氣體將液態材質吹走。熔化區域隨切割方向表逐步移動產生連續的切縫,這就是激光切割。在激光復合機APELIO 357 Ⅱ上開始應用氧氣切割。2001年引進激光切割機BTL3000的同時也帶來新的加工工藝氮氣切割。采用氮氣切割方法,不但提高了切割質量,而且擴大了加工范圍。

一、氮氣切割的特點

氮氣切割的主要優勢在于切割質量高,加工范圍廣,但也存在成本高的缺點。下面通過和氧氣切割的比較來詳細說明上述特點。

1.設備簡介

LBG氮氣設備由藍博凈化科技出品,出口氮氣流量10Nm3/h~500Nm3/h,氮氣純度99.9995%,氮氣壓力14kg~22kg,系統由壓縮空氣系統,空氣凈化系統,制氮裝置及增壓設備組成。

2.切割質量

根據使用的輔助氣體,激光切割可分為氧氣、氮氣兩種切割方式。在氧氣切割中氧氣參與燃燒,熔化位置溫度接近沸點。高溫導致反應劇烈,無法保證斷面光滑;另外加上氧化反應、增大的熱影響區,使切割質量相對較差,容易出現切縫寬、斷面斜紋、表面粗糙度差及焊渣等質量缺陷。氮氣切割中材料完全依靠激光能量熔化,氮氣吹出切縫并避免不合適的化學反應。熔點區域溫度相對較低,加上氮氣的冷卻、保護作用,反應平穩、均勻,切割質量高。斷面細膩光滑,表面粗糙度低,而且無氧化層。

3.切割成本

高純氮的價格是高純氧的3倍。氧氣切割氣壓要求(1~4)*105Pa,氮氣則需要(10~140*105Pa。例如,切割2MM厚的不銹鋼板,氧氣需要壓力4*105Pa、耗氣量2.3m3/h,氮氣則對應為14*105Pa、15.2m3/h。而且氮氣切割時要求高功率,相應增加了能耗。氮氣切割的綜合成本是氧氣切割的15倍以上。

4.加工范圍

氧氣輔助燃燒增加熱量,提高了切割厚度。優勢在于低成本,主要應用于碳鋼。氮氣不輔助燃燒,熔化區域溫度較低,適合加工鋁、黃銅等低熔點材料。氮氣保護切縫不被氧化,還可用于不銹鋼的無氧化切割,加工范圍見表1。

表1 激光切割加工范圍

材料

輔助氣體

大切割厚度/mm

碳鋼

O2

16~20

不銹鋼

O2

6~10

不銹鋼

N2

8~12

硬鋁

N2

4~8

軟鋁

N2

2~6

黃銅

N2

3~4

 

二、氮氣切割要素

氮氣切割因自身的特點,切割條件和氧氣切割有著明顯的差異。經過兩年多的實際應用,我們通過實踐逐步掌握了氮氣切割的要素。

1.氣體參數

氣壓和噴嘴決定了切斷面的表面粗糙度、毛刺。適當增加氣壓有利于排渣,但過大則會增加表面粗糙度值。氮氣切割對于氣體參數有如下要求:(1)氣壓 氮氣不參與燃燒,用于吹掉相對溫度較低的液態材質,需要(10~14)*105Pa的高氣壓。而氧氣切割的壓力一般不超過4*105Pa。(2) 噴嘴 氮氣使用高壓,要求較大的噴嘴直徑以保證出氣量。例如切割2mm厚的不銹鋼,氧氣使用噴嘴HK10(? 10mm),氮氣則要求HK15(?15mm)。(3)純度氮氣純度對切割質量有很大影響(見表2),所含氧氣影響切割質量。而水分則會對激光器造成危害,因此氣體級別至少應保證在4.5級。

2.切割參數

切割參數、加工程序相互獨立,方便了參數的調整。豐富的參數可控制切割過程的各個方面,是決定切割質量的關鍵所在。氮氣切割和氧氣切割因加工方式上的差異,對下列切割參數有著不同的要求。

表2 氮氣純度和切割質量的關系

氣體級別

氣體純度(%)

氧氣含量*10-6

水含量*10-6

切割斷面面質量

2.8

≥99.8

≤500

≤20

無氧氣,表面微黃

3.5

≥99.95

≤100

≤10

無氧化,沒有光澤

4.5

≥99.995

≤10

≤5

無氧化,斷面光亮

5.0

≥99.9999

≤3

≤5

安全無氧化,斷面有光澤

(1)速度 氮氣切割僅僅依靠激光熔化材料,需要時間較長,切割速度較氧氣切割慢。

(2)功率 氮氣切割要求高功率保證持續的村質熔化。一律在100左右。

(3)焦點位置 氮氣切割完全依靠激光能量,焦點下移能夠增強光束能量,要求焦點接近板材的底端。氧氣切割則要求焦點在板材表面。

(4)穿孔氣壓到切割氣壓的轉換時間 氮氣切割時穿孔氣壓為2*105Pa,和切割氣壓有很大差距。氣壓陡然上升容易導致激光斷弧。提供幾十毫秒的緩沖時間使氣壓平衡過渡,保證切割質量。氧氣切割時穿孔氣壓和切割氣壓差距很小,不需要提供這個轉換時間。

(5)加速因子 切割改變方向時的加速度。氮氣切割時因能量需求增加,所以一般低于1m/s2,而且隨厚度的增加而急劇降低。氧氣切割時為一般1m/s2左右,而且不隨厚度劇烈變化,而是小幅下降。

三、氮氣切割的應用

氮氣切割在實際生產中解決了許多加工難題,并且將加工范圍擴大到了鋁、黃銅等氧氣切割很難加工的領域。下面介紹一下它在各種材料、領域中的應用。

1.碳鋼

碳鋼使用氧氣切割。表面溫度因為碳輔助熔化、氧氣助燃而非常高。當切割尖銳角、直徑小于料厚的孔時,狹小的區域內集中了過多的熱量,使切割質量無法保證。氮氣不輔助燃燒,加之具有的冷卻作用,適合解決這類加工難題,能夠提高產品質量。

2.不銹鋼

從成本考慮,切割邊氧化不影響使用的不銹鋼零件采用氧氣切割。但不銹鋼中合金元素Ni等的含量較大,熔化物粘度大,流動性差,氧氣切割時較低的氣壓容易導致粘渣等質量缺陷。焊接不銹鋼時氧化層嚴重影響焊接質量,特別是氬弧焊。氮氣切割提供的優質無氧化斷面,滿足了不銹鋼焊接對切割斷面的高要求。

3.鋁、黃銅

鋁、黃銅對激光有著高反射率、低吸收率,要求高功率來熔化材料。而且要配備反射吸收裝置,使不平線性波不反射回透鏡,來保護激光器的安全。要求氮氣切割。

鋁的熔點較低,3mm厚以下的可用氧氣切割,但質量很差,斷面而且毛刺堅硬。使用氮氣切割斷面光滑,4mm厚以下能夠獲得沒有獲得毛刺的效果。鋁粘性大加上的熱傳導性,熔化物可能沒來得及吹走就已經冷卻了,所以容易出現毛刺。通過調整焦點,升高氣壓,降低速度來降低表面粗糙度值,以保證毛刺可輕易清除。

4.刻蝕

刻蝕是一種特殊切割,能量只有基本功率的5%。它僅對材料表面發生作用,主要用來刻蝕標記。氧氣刻蝕溫度高度,有時表面出現焊渣。集中刻蝕還會因熱量集中而損傷零件表面。氮氣刻蝕光亮且不損傷表面,可用來刻蝕要求較高的說明文字。

四、結語

氧氣切割厚度大、成本低,主要應用于碳鋼。氮氣的冷卻、保護作用提高了切割質量,并且在不銹鋼、鋁、黃銅的切割中取得良好效果,解決了許多加工難題。

另外,不輔助燃燒的特點還能用來加工木材、有機玻璃等特殊材料,有著廣闊的應用前景。


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