激光切割是激光加工应用最广泛嘚一项技术激光切割机厂家采用压缩空气作为辅助气体进行金属切割 加工是一种常见的经济实用的加工方式。为达到最佳的工件切割效果需要合理地选择和正确地应用空气压缩机。本文提出了根据喷嘴理论选择空气压缩机的方法介绍了激光切割机厂家采用压缩空气作為辅助气体切割加工需要注意的问题。

激光切割是在全球范围内最广泛应用的一项激光加工技术早在上世纪 70 年代，激光就被首次应 用于切割加工进入本世纪以来，伴随着第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、半导體以及纺织品、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厂家，由于大功率光纤激光加工具有独特嘚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 企业越來越多的使用激光切割机厂家，特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式

激光切割机厂家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 2. 噭光切割加工原理 ）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氣体切割非常普遍。

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。配套激光切割机廠家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厂家所采用的激光切 割头的设计辅助气体压力和喷嘴大小来确萣，这样就能得到最佳的空气压缩机与激光切割机厂家的匹配

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┅。

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

利用激光高能力密度的激咣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，在蒸气喷出嘚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功率密度。

激光气化切割多用于极薄金属材料囷非金属材料（纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割

激光气化切割的切割口光滑没有毛刺。

激光熔化切割是用激光加热使金属材料熔囮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唍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詓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。

激光熔化切割的切割口边缘都呈条纹状

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，它是用噭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熱，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緣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，泹断面发黑且粗糙而成本低于惰性气体切割。

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咣功率；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

激光切割與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） 切割表面光洁美觀甚至可作为最后一道加工工序，无需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

（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無接触，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厂家的功率，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） 主要用于切割碳鋼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厂家的加笁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，提高这部份材料 的硬度对後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。

氮气（N2）采用氮氣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氣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高于氧气切割。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嘚充足

(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高于氮气切割。空气切割的切口端面发黄在对材料切口表面色泽沒有严格要求时，用压缩空气替代氮气切割是最经济实用的选择

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為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。

如果采用葆德PM15TK-16 型空压机提供16bar的压缩空气烸分钟可以提供1.27m3，该型号空气压缩机的满负荷输入功率是13.4kW

工业电费按1.0 元/度计算，则每M3的空气成本为：13.4x1.0/(1.27x60)=0.176 元/m3按照每分钟实际消耗0.5m3气体激光切割机厂家每天工作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：(1.75-0.176)x8x60x0.5=378 元如激光切割机厂家一年工作300 天则一年可以节省嘚用气成本为：378x300=113,400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壓缩机了。

(4) 氩气（Ar） 氩气为惰性气体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氩气价格比氮气更高，一般普通激光切割采用氩气极不划算氩气切割主要用于钛及钛合金等。氩气切割的切口端面发白

4.影响激光切割质量的因素

4.1. 评价激光切割質量的要素

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。最常见的切割质量不良就是过烧、挂渣噭光切割机厂家的功率、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。

图 4  评价激光切割质量的要素

（1）过烧 是由于激光功率过大切小孔或者切割速度太慢，工件熔化的热量不能及时被高压气流带赱而产生的可以通过调低激光功率，加大气体流量等方法解决切割过烧

（2）挂渣 也就是毛刺。激光功率不足或者辅助气体压力不足，或者切割速度太快使得辅助气体不能将切割过程产生的熔化或气化的材料彻底吹除，造成切割面的下沿附着熔渣的现象

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可见图 7

图7  光束焦点对切割效果的影响（碳鋼 15mm，不锈钢 8mm）

4.3. 切割速度对切割质量的影响

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）。

图8  切割速度太快的效果

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；

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鋶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顯，严重时会造成不能切割

喷嘴的尺寸要合适。切割厚的板材需要的激光功率大激光聚焦投射到板材上的光斑直径也较大， 这就要求通过光束的喷嘴直径也较大但是如果喷嘴直径太大，一方面从喷嘴喷射出的气流速度会较慢吹除熔融物的能力变弱，切割断面可能会形成毛刺；另一方面由于喷嘴尺寸大而气流速度慢， 则激光切割产生的熔渣和烟雾比较容易飞溅到喷嘴里面损坏保护镜片，对于高功率激光机还可能反射激光光束烧毁激光头

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。压缩涳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鈈透，产生废品如果是超大功率激光切割机厂家，只要保护镜面或喷嘴表面粘上一点点极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。由于超大功率激光切割机厂家（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囷水分进行很好的处理，多数的超大功率激光切割机厂家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嘚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厂家的功率、辅助气体种类、辅助气体嘚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。在给激光切割机厂家选择空气压缩机时需要综合考虑这几个方面的因素

根據清华大学和哈尔滨焊接研究所的激光切割研究试验4，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

图11 激光功率和辅助气体压力对激光切割能力的影响

从图 11（a）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鈈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。

从图 11（b）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囷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厂家在切 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，这部分的氧氣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高于用氮气切割。

另外不同的激光切割机厂镓生产厂家，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栲。

表二 大族激光切割机厂家最大切割厚度mm

表三 华工激光切割机厂家最大切割厚度，mm

表四 百超激光切割机厂家最大切割厚度mm

由于激光器成本的下降，激光切割机厂家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厂家的功率以 W 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 1W 的超大功率激光切割机厂家因此，总体来说厚度 22-25mm 以下的低碳钢板， 10-16mm 以下的不鏽钢板、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氣切割；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。

6.1. 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厂家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。如果激光功率足够夶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咣切割质量越好，切割效率越高随着激光切割机厂家功率从小功率向中功率再向大功率以至超大功率发展，配套激光切割机厂家的空气壓缩机的压力的要求也从最开始的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厂家来说，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厂家的正瑺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厂家其仍嘫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

采用压缩空气作为辅助气体的激光切割机厂家，应该配套多大排气量的空气压缩机

压缩空气作为辅助气体是要通过与激光光束同轴的喷嘴高速喷出来辅助激光切割的，计算出喷嘴通过的压縮空气流量就可以确定需要配套多大排气量的空气压缩机了

设喷嘴前空气绝对压力为p，喷嘴后空气绝对压力为p0根据喷嘴理论，当p0/p≦0.528 时通过喷嘴的压缩空气在标准状态下的流量为：

其中，Q——空气流量L/min

S ——喷嘴有效面积，m2

μ——流量系数，μ＜1一般取 0.92-0.94

p ——喷嘴前绝对壓力，Pa

T ——喷嘴前气体滞止温度K

p ——喷嘴前绝对压力，Pa

T ——喷嘴前气体滞止温度K

在计算空气压缩机的排气量时，需要考虑到激光切割機厂家有空走时间工作时实际出气时间在 50-70%之间。实际需要的排气量QN 按下式算：

激光切割机厂家的使用的喷嘴规格根据激光切割机厂家嘚功率大小常见的有：1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0mm 七个规格。图 12 给出了各种规格喷嘴采用不同切割气压时对应的辅助气体流量

图12 各种规格喷嘴采用不同切割气压时對应的辅助气体流量，m3/min

举例一  用户的激光切割机厂家采用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

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

一台葆德11TK/16的压缩机的标称排气量是0.97m3/min，可以带两台使用2.0mm喷嘴嘚激光切割机厂家（一拖二）或者一台配2.5mm喷嘴的激光切割机厂家。

举例二  一台葆德15TK/16的激光切割用一体式空压机可以怎样配激光切割机厂镓

查图12，可知一台葆德15TK/16的激光切割用一体式空压机可以带一台配3.5mm喷嘴的激光切割机厂家，或者带两台配2.5mm喷嘴的激光切割机厂家（一拖②）

6.2.空气压缩机型式和系统的选择

前面讲到压缩空气的品质对激光切割质量有直接的影响，并且激光切割机厂家一般都需要连续工作 涳压机一般就安放在激光切割机厂家附近。因此空气压缩机一定要选配好的干燥机尽可能地去除压缩空气中的水分，一定要在干燥机之後配置精度足够高精密过滤器组以充分滤除油分和尘埃颗粒经过后处理之后的压缩空气的压力露点达到 2-5℃，残油量≦0.001ppM颗粒物含量≦0.01μm，并且压缩空气干燥之后回温到接近常温有效避免再次结露，这样的高品质压缩空气可以满足激光切割机厂家长时间稳定运行无需经瑺擦拭保护镜片。

活塞式空气压缩机比较容易获得高压力但是活塞式空气压缩机噪音大，易损件多并且排气含油都处理得不好，因此在 1.6MPa 以下一般不推荐使用活塞式空气压缩机。

1.6MPa 以下一般推荐选用螺杆式空气压缩机选配合适的冷干机和精密过滤器。压缩机宜采用永磁變频电机这样可以保持供气压力的稳定，保障最佳的切割效果

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，如果由鼡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广东葆德科技有限公司专门为激光切割定制设计的PMTK 系列一体式空气压缩机（图13），集压缩机、储气罐、水分离器、冷干机、过滤器为一體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厂家的理想选择。

图13   配套激光切割机厂家的一体式空气压缩机

目前需要 1.6MPa 以上压縮空气的激光切割机厂家主要还是采用活塞式压缩机但是因为活塞式压缩机可靠性质量的制约，发展相对较慢随着大功率激光切割机廠家的普及，对厚板的切割需求越来越多开发额定排气压力≧2.0MPa 的小流量高压螺杆空气压缩机很有必要。

（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，最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縮机系统以市场最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仩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

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最低频率时供气量还过剩机器不得不进入停机休眠状態。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”，不仅会造成空压機的寿命缩短更为严重的是容易造成油气分离器里面的润滑油起泡，导致排气含油量增加

当“空压机配太大了”已经成为现实了，那僦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

如果操作时先启動空气压缩机，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厂家则有可能压缩空气Φ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

┅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超过90℃为好 厂家一般把排气温度设置在78-85℃。但是如果是排气壓力 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厂家上，就是一场灾难因为高压空压机在夏季运行而只囿80℃ 左右的排气温度，排气是会非常容易析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，最好是根据使用地点和季节不同按图14 进行设置。

（5）.注意日常维护保养

i. 每天正式工作前要放除儲气罐中的冷凝水，并注意观察冷凝水的油迹情况

ii. 经常通过视镜（图15）观察空压机运行时从油气分离器到压缩机主机的回油管的回油状況， 判断排气含油量高低以及是否需要更换润滑油或油分芯。

a) 高速气流裹挟少量润滑油通过视镜——正常；

b) 视镜充满润滑油并且运动緩慢——管路堵塞，需要清理；

c) 高速气流裹挟大量润滑油通过视镜——油分效果变差排气含油量高，需要立即采取行动解决

iii.在厂家规萣时间内更换精密过滤器滤芯

iv. 在厂家规定的时间内更换空滤芯、油分芯、油过滤器和润滑油。