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(tài)，，輔助氣體將液態(tài)材質吹走。熔化區(qū)域隨切割方向表逐步移動產(chǎn)生連續(xù)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(yōu)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(tǒng)由壓縮空氣系統(tǒng)，空氣凈化系統(tǒng)，制氮裝置及增壓設備組成。
2.切割質量
根據(jù)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(qū)，使切割質量相對較差，容易出現(xiàn)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(qū)域溫度相對較低，加上氮氣的冷卻、保護作用，反應平穩(wěn)、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(yōu)勢在于低成本，主要應用于碳鋼。氮氣不輔助燃燒，熔化區(qū)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            最大切割厚度/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(jīng)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(shù)
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(shù)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(tài)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(shù)
切割參數(shù)、加工程序相互獨立，方便了參數(shù)的調整。豐富的參數(shù)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(shù)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(xù)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(chǎn)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(qū)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(chǎn)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(yōu)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(jīng)冷卻了，所以容易出現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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。