氮气在激光切割中的应用

第 5期(总第 126 期) 2004年 10 月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANICAL　ENGINEERING　&　AU TOMATION No . 5 Oct. 文章编号: 1672-6413( 2004) 05-0079-02 氮气在激光切割中的应用 陈连军, 马德国 (经纬纺织机械股份有限公司 榆次分公司, 山西　晋中　030601) 摘要: 通过和氧气切割的对比, 介绍了氮气在激光切割中的优势和应用。 关键词: 氮气; 激光切割; 应用 中图分类号: T G48　　　文献标识码: A 收稿日期: 2004-05-10 作者简介: 陈连军( 1973-) ,男,江苏省无锡市人,工程师, 1994年毕业于东华大学,本科;马德国( 1972-) ,男,山东省蓬莱市人,工程师, 1994年毕业于 太原工业大学,本科。 0　引言 CO 2激光束通过喷嘴照射在表面, 材料吸收 能量后达到熔化状态, 辅助气体再将液态材质吹走,熔 点区域随着切割方向逐步移动产生了连续的切缝, 这就 是激光切割。我公司 1994年在激光复合机 APELIOⅡ 357上开始应用氧气切割。2001年引进激光切割机 BT L3000的同时也带来新的加工工艺—氮气切割, 不 但提高了切割质量, 而且扩大了加工范围。下面通过 对氮气切割特点、加工要素的, 说明这种新工艺 在实际应用中的良好效果。 1　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陷。下面通过和氧气切割的 比较来详细说明上述特点。 1. 1　设备简介 BT L3000激光切割机由瑞士百超公司出品, 基本 输出功率3 000W, 能提供丰富的切割参数来控制切割 的各个过程。它的高功率使得氮气切割成为可能。 1. 2　切割质量 根据使用的辅助气体, 激光切割分为氧气、氮气 两种切割方式。氧气切割时氧气参与燃烧, 熔点位置 的温度接近沸点, 高温导致反应剧烈, 无法保证断面 光滑, 加上氧化反应、增大的热影响区等因素, 切割 质量相对较差, 容易出现切缝宽、断面斜纹、粗糙度 高、熔渣等质量缺陷; 而氮气切割时材料完全依靠激 光能量熔化, 氮气吹出切缝的同时因为氮气不活泼的 化学特性, 避免了不合适的化学反应, 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、粗糙度低, 特别是 没有氧气切割时必然的氧化层。 1. 3　切割成本 高纯氮的价格是高纯氧的 3倍。氧气切割时气压 为 1×105Pa～4×105Pa, 氮气则需要 1×106Pa～ 1. 4×106Pa。例如切割 2mm 的不锈钢, 氧气需要压力 4×105Pa、耗气量 2. 3m3 / h, 氮气则对应为 1. 4× 106Pa、15. 2m3 / h。而且氮气切割时要求高功率, 相应 增加了能耗。根据以上数据, 氮气切割的综合成本是 氧气切割的 15倍以上。 1. 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 点区域温度较低, 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。 激光切割加工范围见表 1。 表 1　激光切割加工范围 材料 辅助气体 最大切割厚度 mm 碳钢 O 2 16～20 不锈钢 O 2 6～10 不锈钢 N 2 8～12 硬铝 N 2 4～8 软铝 N 2 2～6 黄铜 N 2 3～4 2　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, 我们逐步总 结出以下氮气切割要素。 2. 1　气体参数 气压和喷嘴决定了断面的粗糙度、毛刺。适当增 加气压有利于排渣, 但过大则会增加粗糙度。氮气切 割对于气体参数有如下要求: 2. 1. 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 1×106Pa～1. 4×106Pa 的高气压, 而氧气 切割的压力一般不超过 4×105Pa。 2. 1. 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 的不锈钢, 氧气使用喷嘴 HK10 (直径 10mm) , 氮气则要求 HK15 (直径 15mm)。 2. 1. 3　纯度 氮气纯度对切割质量有很大影响, 所含氧气影响切 割质量, 水分则会对激光器造成危害。氮气纯度至少应该 保证 4. 5级, 氮气纯度和切割质量的关系见表2。 表 2　氮气纯度和切割质量的关系 气体 级别 氮气质量分数 % 氧气质量分数 % 水质量分数 % 切割断面质量 2. 8 ≥99. 8 ≤5×10- 4 ≤2×10- 5 无氧化, 断面微黄 3. 5 ≥99. 95 ≤1×10- 4 ≤1×10- 5 无氧化, 没有光泽 4. 5 ≥99. 995 ≤1×10- 5 ≤5×10- 6 无氧化, 断面光亮 5. 0 ≥99. 999 ≤3×10- 6 ≤5×10- 6 完全无氧化,断面有光泽 2. 2　切割参数 BT L3000的切割参数与加工程序相互独立, 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明显不 同的要求。 2. 2. 1　速度 氮气切割仅仅依靠激光熔化材料,需要时间较长, 速度较氧气切割慢。 2. 2. 2　功率 氮气切割要求高功率以保证材料持续熔化, 一律 在基本输出功率的 100%左右; 氧气切割时功率随料 厚的增加而增长, 一般切割 8mm 以上的碳钢时才要 求功率达基本输出功率的 100%。 2. 2. 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, 所以要求焦点接近板材的底端; 氧气切割 则要求焦点位置在板材表面。 2. 2. 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, 与切割时的高 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能使气压平稳过渡, 保证了切 割质量;氧气切割时穿孔气压与切割气压差距很小, 不 需要提供这个转换时间。 2. 2. 5　加速因子 切割改变方向时的加速度主要控制拐角的切割质 量。氮气切割能量需求增加, 加速度一般低于1m / s2 , 而且随厚度的增加而急剧降低; 氧气切割时加速度一 般在1m / s2左右, 而且只是随厚度小幅下降。 3　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, 所 以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。 3. 1　碳钢加工 碳钢主要使用氧气切割, 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, 切割质 量无法保证。氮气不辅助燃烧, 加之具有的冷却作用, 正适合解决这类加工难题, 能够提高产品质量。 3. 2　不锈钢加工 从成本考虑, 切割断面氧化如不影响使用时不锈 钢零件应该采用氧气切割。但不锈钢含高合金元素Ni 等的比例较大, 熔化物黏度大、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 割时氮气的保护作用能够产生优质的无氧化断面, 这 就满足了不锈钢焊接零件对切割断面的高要求。而且氮 气切割时的高气压也容易克服上述质量缺陷。氮气切割 适合加工有焊接要求或者高附加值的不锈钢零件。 3. 3　铝、黄铜加工 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, 使水 平线性波不反射回透镜, 保护激光器的安全, 所以要 求氮气切割。 铝的熔点较低, 3mm 以下可用氧气切割, 但质量 很差, 断面粗糙而且毛刺坚硬。氮气切割断面平滑, 4mm 以下能够获得没有毛刺的效果。铝黏性大, 加上 良好的热传导性, 熔化物可能没来得及吹走已经冷却 了, 所以容易出现毛刺。通过调整焦点、升高气压、降 (下转第 82页) ·80· 机 械 工 程 与 自 动 化　 　　　　　　　　　　　　　　2004 年第 5 期　 小风室风门: 1风室开启 1/ 3; 2风室开启 1/ 2～2/ 3; 3风室全开; 4风室开启 1/ 2。 ( 2) 在能满足锅炉出力要求的情况下, 尽可能使 调节板压低, 提高炉排速度, 创造薄煤层燃烧条件。 ( 3) 在锅炉负荷发生变动时, 首先调整炉排速度, 增减给煤量, 再根据燃烧情况调整送风。 ( 4) 在煤质比较稳定的情况下, 不能经常调整煤 层调节板, 否则将造成燃烧不稳定。 ( 5) 要经常给传动链条加油, 以保持良好的分层 效果。 ( 6) 每个班至少振动一次筛子, 靠振动清除筛子 上的杂物, 保持良好的分层效果。 ( 7) 压火时应先停风机, 使炉排继续走进 1m～ 2m 后停下炉排, 并且在每次扬火后都必须使炉排走 进1m～2m, 防止烧坏挡煤板。 4　煤质要求 燃用煤的发热量为 22M J/ kg 左右, 挥发分在 18%以上, 灰分在 30%以上, 全水分不超过 7%, 中 等焦结性, 煤粒不大于 25mm (运行中应严格控制煤 粒, 最大不超过 35mm , 否则影响燃烧效果) , 可使用 无烟煤、贫煤或混煤。烧无烟煤的锅炉采用该技 术后, 燃烧效果明显改善。 5　改造后的效果 在无烟煤锅炉设施处于完好状态和司炉工能按规 程操作的情况下能收到下列效果: ( 1) 煤进入炉膛内同时起燃接近一条线, 火床燃 烧得均衡又均匀, 不会出现 “火咀”, 一般情况下不钩 火。减轻高负荷时炉尾部跑 “红火”, 炉膛温度相应提 高, 火焰呈均匀的麦黄色。风机电流有所下降。 ( 2) 锅炉出力平均提高 15%以上, 蒸发量达到 95%, 上负荷快, 能及时满足生产用气的需要。 ( 3) 炉渣含碳量从 30%下降到 15%左右。 ( 4) 燃烧效率达到 70%。 ( 5) 排烟黑度达到 0～1 级, 烟尘排放浓度在 200mg / m 3以下。 煤炭是我国的主要能源, 80%以上的煤炭是通过 燃烧而被利用。小型的锅炉燃烧技术落后, 燃烧利用 率低。使用该装置不仅效果和效益显著, 而且设备结 构比较简单, 实施费用少, 便于操作, 省去了拨火等 繁重的劳动, 具有一定的推广价值。 Application of Coal Feeding Device to the Coal-f ired Boiler GAO Jian-guang ( Jinch eng Coal In dust ry Grou p, Jinchen g 048006, Ch ina) Abstract: A iming to r esolve the low thermal efficiency pr oblem of coal-fired bo iler, this paper r efo rmed the coal feeding device. The result is satisfied w ith the higher t hermal efficiency and the lower cost. Key words: the chain bo iler o f coal fir ed; co al feeding dev ice; applica tion (上接第 80页) 低速度来降低粗糙度, 至少要保证毛刺可轻易清除。 3. 4　刻蚀 刻蚀作为一种特殊切割, 消耗能量只有基本输出 功率的 5%, 仅对材料表面发生作用, 主要用来刻蚀标 记。氧气刻蚀时温度高,有时表面出现熔渣,集中刻蚀 时还会因热量聚集而损伤零件表面; 氮气刻蚀则光亮 且不损伤表面,可用来刻蚀要求较高的说明文字。 4　结束语 氧气切割厚度大、成本低,主要应用于碳钢。氮气 的冷却、保护作用能够提高切割质量,对于不锈钢则能 够提供高质量的无氧化断面,加工范围还扩大到铝、黄 铜等氧气切割无法加工的领域。氮气切割在实际应用 中取得良好的效果,解决了许多加工难题, 但也存在成 本过高的缺陷,它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,有着广阔的前景。 Application of Nitrogen in Laser Cutting CHEN Lian-jun,MA De-guo ( Jingw ei T ex til e Machin ery Co. Ltd. , Yuci Bran ch, J inzhong 030601, China) Abstract: This paper intr oduced the advantage and application of nitr og en in laser cutting , by comparing with oxygen lance cut ting . Key words: nitr og en; la ser cut ting ; application ·82· 机 械 工 程 与 自 动 化　 　　　　　　　　　　　　　　2004 年第 5 期