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氮气在激光切割中的应用

作者: 发布时间:2015-05-07 浏览次数:2686
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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(ø 10mm),氮气则要求HK15(ø15mm)。(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,因此气体级别至少应保证在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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