压缩空气；氧气；氮气对激光切割效果；效率的影响

采用IPG光纤激光器

时间：2022-09-01

1、前言

激光切割是在**范围内较广泛应用的一项激光加工技术。早在上世纪 70 年代，激光就被**应用于切割加工。进入本世纪以来，伴随着*三代激光技术光纤激光器的兴起和普及，激光切割更被广泛应用于钣金、塑料、玻璃、陶瓷、半导体以及纺织品、木材和纸质等材料加工。2010 年以后，国内激光企业大力发展大功率光纤激光切割机，由于大功率光纤激光加工具有*特的加工优势，加工成本大幅下降，同时结合多种灵活的付款方式，目前越来越多的钣金加工企业、厨卫制造企业以及汽车部件加工企业越来越多的使用激光切割机，特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式。

激光切割机能够应对各种材质和复杂形状的切割要求，除了需要能够提供高能量的激光器以外，辅助气体是完成切割过程不可或缺的物质。用于激光切割的辅助气体主要有氧气（O2）、氮气（N2 ）和压缩空气（Compressed Air）三种。压缩空气比氧气和氮气更容易获得，价格与氧气和氮气相比非常便宜，采用压缩空气作为辅助气体切割非常普遍。

压缩空气品质对金属激光切割质量有非常直接的影响，气体压力的大小和稳定性会影响切割的效果。配套激光切割机作为辅助气体的空气压缩机的规格大小的选择，主要应根据激光切割机所采用的激光切割头的设计辅助气体压力和喷嘴大小来确定，这样就能得到较佳的空气压缩机与激光切割机的匹配。

2、激光切割加工原理

激光切割是利用经聚焦的高功率高密度的激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流去除熔融物质，从而实现割开工件，激光切割属于热切割方法之一。

2.1 激光切割的主要方式

激光切割可分为激光气化切割、激光熔化切割、激光氧助熔化切割和控制断裂切割四种

A. 激光气化切割

利用激光高能力密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的气化热一般很大，所以激光气化切割需要很大的功率和光束密度。

激光气化切割多用于较薄金属材料和非金属材料（纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

B. 激光熔化切割

激光熔化切割是用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹高压惰性气（N2、Ar、He等），依靠气体的强大压力使液态金属排除，形成割缝。激光熔化切割不需要使金完全气化，所需激光能量只有气化切割的十分之一左右。

对薄板材料，切割速度过慢会使大部分激光束直接通过切口白白损失能量，速度提高使更多光束照射材料，增加与材料的耦合功率，获得保证切割质量的较宽参数调节区。对厚板材料，由于激光蒸发作用或熔化产物移去速度不够快，光束在割缝内材料切面上多次反射，只要熔化产物能在它被冷气流凝团前除去，切割过程将继续进行。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、不锈铁、钛合金、铝及其合金等。激光熔化切割采用氮气做辅助气体的切割质量好，但成本比氧气切割高。

C. 激光氧助熔化切割

激光氧助熔化切割原理类似于氧乙炔切割，它是用激光作为预热热源，用氧气作为辅助切割气体。喷出的氧气一方面与被激光加热到约 1500℃的铁元素产生化学反应，从而继续放出大量的氧化热，使铁元素加热燃烧；另一方面把熔融的液态氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的 1/2，而切割速度远远大于激光气化切割和熔化切割。

激光氧助熔化切割的切割口边缘粗糙度介于激光汽化切割和激光熔化切割之间。

激光氧助熔化切割主要用与碳钢等易氧化的金属材料。也可用于不锈钢等材料的加工，但断面发黑且粗糙，而成本低于惰性气体切割。

D. 控制断裂切割

通过激光束加热，容易受破坏的脆性材料高速、可控地切断，称为控制断裂切割。其切割原理为：激光束加热脆性材料小块区域，引起热梯度和随之而来的严重机械变形，使材料形成裂缝。控制断裂切割速度快，只需很小的激光功率；功率太高会造成工件表面熔化，并破坏切割边缘。控制断裂切割主要可控参数是激光功率和光斑尺寸。

2.2 激光切割的特点

激光切割与其他切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面：

（1）切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。

（2）激光气割切口细窄、切缝两面平行并且与表面垂直度好。

（3）切割表面光洁美观，甚至可作为最后一道加工工序，*机械加工，零件可直接使用。

（4）材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高。激光切割与其它切割方法的切割速度比较见表一，切割材料为低碳钢板。

表一几种切割方法的切割速度比较

切割方法	激光切割	等离子切割	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 厚的冷轧碳钢板，切割速度可达 16-19m/min。

（6）非接触式切割，激光切割时喷嘴与工件无接触，不存在工具磨损。

3、采用不同辅助气体进行激光切割的比较

激光切割时，根据切割板材的材质的不同，来选择不同的切割气体。切割气体及其压力的选择，对激光切割品质有很大的影响。

3.1. 辅助气体的种类

激光切割加工常用的辅助气体有氧气（O2）、氮气（N2）和压缩空气（Compressed Air），有时还会用到氩气（Ar）。按照气体压力又可分为高压气体和低压气体。

3.2. 辅助气体种类的选择

激光切割辅助气体的作用主要：助燃及散热、及时吹掉切割产生的熔渍、防止切割熔渍向上反弹进入喷嘴、保护聚焦透镜等。根据被切割材料的不同，结合激光切割机的功率，选择不同的激光切割工艺，辅助气体的选择也不尽相同。不同种类辅助气体的特点、用途和适用范围如下：

(1) 氧气（O2）主要用于切割碳钢材料。氧气与铁元素的化学反应热促进金属吸热熔化，可以4 大幅度提高切割效率，实现更厚材料的切割，明显提高激光切割机的加工能力。但同时由于氧气的存在，会在切口端面产生明显的氧化膜，而且会对切割面周围材料产生淬火效应，降低这部份材料的硬度，对后续加工造成一定的影响。氧气切割的材料切口端面发黑或者暗黄色。一般碳钢板采用氧气切割，低压打孔，低压切割。

(2) 氮气（N2）采用氮气作为辅助气体切割时，氮气会在熔化的金属周围形成保护氛围，防止材料被氧化，避免氧化膜的形成，实现无氧化切割。但同时因为氮气不与金属产生化学反应，没有反应热的产生，切割能力不如氧气，而且氮气切割的氮气消耗量比氧气大数倍，切割成本要**氧气切割。无氧化切割面具有可直接熔接、涂抹、耐腐蚀性强等特点，切口端面发白。一般采用氮气切割不锈钢、镀锌板、铝及铝合金板、黄铜等材料，用低压穿孔，用高压切割。氮气切割时，气体流量的改变对切割的影响很大，在保证切割气体压力的情况下，一定要保证气体流量的充足。

(3)压缩空气（Compressed Air）压缩空气可以用空气压缩机直接提供，相对于氧气和氮气要容易获得，价格非常便宜。虽然空气中只含有约20%的氧气，切割效率远不及氧气切割，但切割能力与氮气接近，空气切割效率略**氮气切割。空气切割的切口端面发黄。在对材料切口表面色泽没有严格要求时，用压缩空气替代氮气切割是较经济实用的选择。

—— 压缩空气激光切割与氮气激光切割的经济性比较 ——

目前市场上的液氮大约为1400 元/吨，激光切割用的液氮都需要采用杜瓦罐，一般是120kg 一罐，1kg 价格在3 元以上。姑且按1400 元/吨计算。120x1.4=168 元标准状态氮气的比重为1.25kg/m3，因此一罐杜瓦罐液氮的较大使用量约为：120/1.25=96Nm3折算成每Nm3的氮气成本为：168/96=1.75 元/ Nm3

如果采用寿尔激光切割**空压机提供16bar的压缩空气，每分钟可以提供1.2m3，该型号空气压缩机的满负荷输入功率是15kW。

电费按1.0 元/度计算，则每m3的空气成本为：15x1.0/（1.27x60)=0.196 元/m3按照每分钟实际消耗0.5m3气体，激光切割机每天工作8 小时计算，则采用空气切割相比氮气切割每天可以节省的成本为：(1.75-0.19)x8x60x0.5=374 元如激光切割机一年工作300 天，则一年可以节省的用气成本为：378x300=112,320 元，由此可见，采用压缩空气替代氮气切割非常经济实用，一年下来节省下来的用气成本，足够买3 台高品质的一体式空气压缩机了。

4、影响激光切割质量的因素

4.1. 评价激光切割质量的要素

有许多评判激光切割边缘质量的标准。像毛刺形式、凹陷、纹路等标准可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口宽度等则需要采用专用仪器来测量。材料沉积，腐蚀，热影响区域和变形也是衡量激光切割质量的重要要素。较常见的切割质量不良就是过烧、挂渣。激光切割机的功率、激光脉冲频率、切割速度、光束焦点、光束偏振方向、喷嘴尺寸、辅助气体压力和流量都会影响评价激光切割质量的要素。

4.2. 评价激光切割质量的要素

激光光束焦点位置对切割质量具有重要的影响。切割不同的材质，切割的厚度不同，需要调整不同的的焦点位置。有时候，切割出现毛刺并不是因为辅助气体压力不足，而是焦点太高。光束焦点位置对切割质量的影响

4.3. 切割速度对切割质量的影响

A. 切割速度太快

1）可能造成无法切割，火花四溅；

2）有些区域可以切断，有些区域不能切断；

3）整个切割断面较粗糙；

4）形成斜切纹，在板材下部产生熔渣（图 8）。

B. 切割速度太慢

1）造成切割板材过熔，切割断面较粗糙；

2）切缝变宽，在小圆角或尖角部位造成整个区域熔化，产生过烧；

3）切割效率降低。

4.4. 喷嘴对激光切割质量的影响

当喷嘴的中心与激光光束的中心不同轴时，从喷嘴喷出的高速气流就会对切割的熔融物进行偏吹，使得切割断面较容易出现一边有熔渣，而另一边没有的现象。这一现象在切割 3mm 厚度以上的板材时表现明显，严重时会造成不能切割。

4.5. 压缩空气品质对激光切割质量的影响

压缩空气的品质对激光切割质量有非常直接的影响。压缩空气中含有水雾和油，如果没有处理干净，高压喷射到激光切割头的保护镜面上，就会严重影响激光束的传输，使焦点分散，造成产品切不透，产生废品。如果是**大功率激光切割机，只要保护镜面或喷嘴表面粘上一点点较细微的油膜或水雾，也有可能造成高能激光发射烧坏激光头。由于**大功率激光切割机（12000W 以上）的激光头价格都在 2 万以上，而大多数空气压缩机的提供者都不能对压缩空气中的油和水分进行很好的处理，多数的**大功率激光切割机的用户都不愿意冒险采用压缩空气作为辅助气体。图 9 和图 10 分别展示的是未被污染的镜片和被污染了的镜片。

5、影响金属激光切割厚度和切割效率的因素

从大量实践来看，激光切割机的功率、辅助气体种类、辅助气体的压力和流量影响金属激光切割厚度和切割效率的主要因素。在给激光切割机选择空气压缩机时需要综合考虑这几个方面的因素。

根据清华大学和哈尔滨焊接研究所的激光切割研究试验，激光功率和辅助气体压力对激光切割能力的影响见图九，切割工件为 2mm厚低碳钢板，切割速度 3m/min，光斑直径0.16mm，喷嘴形状为圆锥形，喷嘴底部直径 1.5mm，喷嘴到工件距离为 1mm。

可以看出，对于 2mm 厚的低碳钢板，如果激光功率低于 860W，无论把辅助气体氮气的压力提高到多少，也无法切断工件，因为激光所提供的能量不足以熔透工件。如果激光功率足够大，足以熔透工件，那么，激光功率越大，则所需要的辅助气体压力越低。

可以看出，如果采用氧气切割同样厚度的低碳钢板，激光能量和辅助气体压力对切割能力的影响规律与采用氮气切割时相似，但是切割所需要的激光功率和辅助气体压力均大为降低，这是因为切割时氧气与铁元素产生化学反应燃烧放出了约为激光功率四倍的能量。这也解释了为什么一般中功率激光切割机在切 2mm 以上低碳钢板时都偏好喜欢用氧气切割的原因。

压缩空气切割碳钢板时，因为空气中含有约 20%的氧气，这部分的氧气在切割时也与铁元素产生化学反应燃烧放出热量，所以用压缩空气切割碳钢板的效率要略**用氮气切割。

另外，不同的激光切割机生产厂家，由于其所采用的激光器和采用的工艺的不同，切割能力也不尽相同。本文摘取其中几家有代表性的厂家公开数据，供读者参考。

表二大族激光切割机较大切割厚度，mm

表三华工激光切割机较大切割厚度，mm

表四百**激光切割机较大切割厚度，mm

材料	500W	1000W	2000W	3000W
低碳钢	6	10	16	20
不锈钢	3	5	8	10
铝板	2	3	5	8
铜板	2	3	5	8

由于激光器成本的下降，激光切割机的整体成本也已经大幅度下降，现在一般的金属加工用户购买的激光切割机的功率以 3000W-4000W 居多，少数位于金属材料市场周围的承接大量金属加工的用户则主要购买 12000W-15000W 的**大功率激光切割机。因此，总体来说，厚度 22-25mm 以下的低碳钢板， 10-16mm 以下的不锈钢板、铝合金板、铜合金板均可以采用激光切割。其中，厚度 2-2.5mm 以下的低碳钢板宜采用高压压缩空气切割，厚度 2-2.5mm 以上的低碳钢板宜采用氧气切割；不锈钢板、镀锌板、铝合金板、铜合金板宜采用氮气或高压压缩空气切割。

6、空气压缩机的选择

6.1、空气压缩机压力和排气量的选择

根据前面的论述可知，激光切割机配套空气压缩机能切割多厚的板材这样的问题，主要取决于激光功率，而与压缩空气压力关系不大。如果激光功率足够大，压缩空气压力低一点也能切割；如果激光功率不够大，压缩空气压力再高也切割不了。只要激光功率足够大，压缩空气压力越高，激光切割质量越好，切割效率越高。随着激光切割机功率从小功率向中功率再向大功率以至**大功率发展，配套激光切割机的空气压缩机的压力的要求也从较开始的8bar 提高到两年前的13bar，再提高到现在的16bar，并且还在进一步往20-30bar 发展。

对于采用压缩空气作为辅助气体的激光切割机来说，压缩空气经过干燥净化之后，分成三路，分别作为切割气体、气缸动力气源和光路正压除尘气体维持激光切割机的正常运行，切割气体所占的比重大约是压缩空气总消耗量的80-90%。对于不采用压缩空气而采用氮气或氧气作为辅助气体的激光切割机，其仍然需要一台流量很小的空气压缩机提供气缸动力气源，不过只需要的是6-7bar 的常压气源。

举例一 用户的激光切割机采用2.0mm的喷嘴，希望切割气压达到1.6MPa绝压，应该怎么配空气压缩机？

答：由图12知，2.0mm喷嘴维持1.6MPa绝压，需要有0.491m3/min的压缩空气流量；

按照实际出气时间在70%，压缩机90%的排气量用于辅助切割计算，则需要的气量为：0.491*0.7/0.9=0.382m3/min，两台则需要不小于0.764m3/min。

一台寿尔20A/16的压缩机的标称排气量是1m3/min，可以带两台使用2.0mm喷嘴的激光切割机（一拖二），或者一台配2.5mm喷嘴的激光切割机。

举例二 一台15TK/16的激光切割用一体式空压机可以怎样配激光切割机？

答：寿尔20A/16的压缩机的标称排气量是1m3/min，折算成可用气量为：1*0.9/0.7=1.28m3/min

可知，一寿尔20A/16的激光切割用一体式空压机可以带一台配3.5mm喷嘴的激光切割机，或者带两台配2.5mm喷嘴的激光切割机（一拖二）。

6.2、空气压缩机型式和系统的选择

由于大多数用户不具备空气压缩机和压缩空气净化处理的知识，如果由用户单独一个个购买空气压缩机、储气罐、冷干机和过滤器再自行安装，不仅麻烦，而且很可能整个系统达不到需要的压缩空气品质要求。寿尔科技(上海)有限公司专门为激光切割定制设计的一体式空气压缩机（图13），集压缩机、储气罐、水分离器、冷干机、过滤器为一体，省去了用户自配储气罐、冷干机和过滤器的麻烦，省去了用户现场安装和接管的麻烦，省去了需要多家供应商提供服务的麻烦，能提供持续、稳定、洁净的压缩空气，是配套大功率激光切割机的理想选择。

7、需要注意的问题（1）、过分考虑购机成本

购买激光切割用的空压机时，如果过分考虑购机成本，较终很可能买来一堆烂货。因为空压机供应商也要赚钱，如果他按保证高品质压缩空气的压缩机系统以市场较低的价格卖给你，那他就无利可图。为了生意和利润，那他只能以次充好，以小充大。举例说，为了竞争和利润，现在市场上标称处理流量1m3/min的冷干机，没有一台能够达到标称的2-8℃的压力露点温度，实际压力露点都在 12-16 摄氏度以上。如果激光切割用的空压机配上这样的冷干机，保护镜片一天就得擦拭多次，激光切割质量也无法保证。同样，油气分离芯和本身价值就不高的精密过滤器更不能图便宜。

（2）、贪大心理

在选择空压机时，用户一般会选择排气量比实际需求大一些的空压机，销售人员也愿意卖排气量大的空压机。但是，如果空压机排气量太大，比实际需求大很多，即使空压机有变频调节，也有可能造成空压机运行在较低频率时供气量还过剩，机器不得不进入停机休眠状态。而为了维持供气压力稳定，一旦用气继续，空压机又不得不启动运行。这样频繁的“启动-运行-休眠-启动-运行-休眠”，不仅会造成空压机的寿命缩短，更为严重的是容易造成油气分离器里面温度达不到80度以上产生冷凝水，长期使用导致螺杆机头生锈损坏。

当“空压机配太大了”已经成为现实了，那就要通过修改控制器参数，设法让空压机减少自动启停次数，比如把通常的 10s 空载延时改为180s 空载延时。

（3）、良好的操作习惯

如果操作时先启动空气压缩机，再启动冷干机，有可能排气在相当长的时间内达不到所需要的压力露点。这时候操作激光切割机，则有可能压缩空气中没有除尽的水份会在激光切割头的保护镜片上结雾。正确的操作习惯是先启动冷干机，待冷媒温度降到5 摄氏度左右时，再启动空压机。

（4）、运行温度设置

一般普通用的7-8bar 排气压力的空气压缩机，正常使用条件下的排气温度都以不**过90℃为好，厂家一般把排气温度设置在78-85℃。但是，如果是排气压力 1.6MPa 以上的空气压缩机，如果还是要求这么低的排气温度，如果用在激光切割机上，就是一场灾难。因为高压空压机在夏季运行而只有80℃ 左右的排气温度，排气温度低会非常容易积水，导致润滑油的乳化起泡，而造成排气含油量的剧增。其结果就是造成不能切割或切出废品，甚至损坏聚焦镜。排气温度的设置，较好是根据使用地点和季节不同，按图14 进行设置。

结论：激光切割机采用压缩空气作为辅助气体有着广泛的应用，可以代替氧气切割碳钢薄板，可以代替氮气切割不锈钢、镀锌板、铝合金、铜合金。正确地选择和使用空气压缩机不但可以**激光切割质量，而且可以获得不错的切割效率和非常明显的加工成本节省。

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