激光切割用气辅助气体的选择，为什么选择压缩空气

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20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独特的加工优势，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） 3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，这样就能得到最佳的空气压缩机与激光切割机的匹配。

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。

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4种：

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功率密度。激光气化切割多用于极薄金属材料和非金属 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

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体 （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属完全气化，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。

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。

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。

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，提高这部份材料的硬度，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 泽没有严格要求时，用压缩空气替代氮气切割是最经济实用的选择。

压缩空气 （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没有严格要求时，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为1400元/t，激光切割用的液氮都需要采用杜瓦罐，一般是120 kg一罐， 1 kg价格在3元以上。姑且按1400元/t计算。

120×1.4=168元

标准状态氮气的比重为1.25 kg/m3 ，因此一罐杜瓦罐液氮的最大使用量约120/1.25=96Nm3 折算成每Nm3 的氮气成本为 168/96=1.75元/Nm3 。如果采用空压机提供16bar 的压缩空气，每分钟可以提供1.27 m3 ，该型号空 气压缩机的满负荷输入功率是13.4 kW。工业电费 按1.0元/kW·h计算，则每m3 的空气成本为13.4×1.0/（1.27×60）=0.176元/m3 按照每分钟实际消耗0.5 m3 气体，激光切割机 每天工作8 h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）×8×60×0.5=378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

378×300=113400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，足买3台高品质的一体式空气压缩机了。

（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。

影响激光切割质量的因素

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。最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。

（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 压气流带走而产生的。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。

光束焦点对切割质量的影响

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。

切割速度对切割质量的影响

1.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见图。

2.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。

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。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。

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。如果是超大功率激光切割机，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 （12000 W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，多数的超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。

用压缩空气做激光切割辅助用气必须考虑压缩空气的后处理问题，这个是厂家容易忽视的环节，因此需要得到重视。采用合理和有效的除油除水产品也是非常重要的。