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激光切割用空压机的优点与激光切割工艺参数如何确定

文章来源:handler    时间:2019-10-29 09-05-03

今年以来,只要大家稍微留意,就会发现至少有十几家企业推出了激光切割专用空压机。

激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加热至汽化温度,蒸发形成孔洞,随着光束对材料的移动,孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝,完成对材料的切割。

激光切割广泛应用于钣金加工、金属加工、广告制作、厨具、汽车、灯具、锯片、升降电梯、金属工艺品、纺织机械、粮食机械、眼镜制作、航空航天、医疗器械、仪器仪表等行业。特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式,深受行业用户的青睐。激光切割占工业激光加工的40%以上,是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

2010年之前,由于激光切割设备价格高昂,一台大幅面激光切割机(配备4 kW激光器)售价近600万元人民币,国内采用大幅面激光切割机的企业并不多。2011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使用激光切割机。最近几年激光加工设备得以快速普及,2017年我国激光切割成套设备销售量超过2.5万台。

2013年,我国拥有的激光切割装备企业大约50-60家,而能够生产2000瓦以上高功率产品的不足20家。至2018年初,保守估计我国拥有激光切割装备企业超过400家,能够生产3000瓦以上高功率产品的企业超过200家。

在过去十年中,激光切割行业经历了一系列变革,包括切割材料质量和厚度的提升、机器功率和效率的提高,从而使得如今的激光切割机能够以更高的速度、精度及更优的质量对包括汽车、航空航天、医疗保健、塑料、电气和电子、纺织品、木工等在内不计其数的零部件产品进行高效加工。

2012年的时候,光纤激光切割装备流行比拼的是2000瓦的功率,在2014年则是3000-4000瓦,很多人认为4千瓦已经可以满足大部分厚度板材切割加工需求。然而到2016下半年大族激光首先推出8千瓦的机器,引发了新一轮高功率激光切割的争夺。如今,各个主要激光切割厂商已经在比拼1.2万瓦、1.5万瓦功率的产品。不得不承认,激光产品升级换代非常迅速,市场发展也是瞬息万变。

2017年全球激光加工设备市场规模为313.7亿美元,同比增长12%。2017年中国激光设备市场销售总规模超过442亿元,激光切割设备占全国工业激光加工设备市场规模的46%。其中中小功率激光切割设备市场销售规模一直保持较高的增长速度,其核心激光器实现了较高的国产化率。

 

在激光切割设备市场高速增长的同时,为激光切割机提供辅助气源的空气压缩机也引起了各界的关注。

激光切割机能够应对各种材质和复杂形状的切割要求,除需要能够提供高能量的激光器外,辅助气体是完成切割不可或缺的物质。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。其主要作用,一是冷却防止材料硬化,也就是被热处理;二是带压气体将切割熔化的金属熔渣吹掉,防止灰尘堵塞激光喷嘴,保护并延长其使用寿命。

由于氮气、氧气成本均高于压缩空气,且氮气、氧气的价格逐年上涨,因此使用空气作为切割辅助气体,能大大降低生产成本,幅度约一半左右。另外,由于空气本身含有约20%的氧气,因此可在一定程度弥补氧气和氮气的不足。采用压缩空气替代氮气切割非常经济实用,一年节省下来的用气成本,足够买3台高品质的激光专用一体式空气压缩机。所以,采用压缩空气作为辅助气体切割越来越普遍,这也带动了激光切割专用空气压缩机市场的兴起。

配套激光切割机作为辅助气体的空气压缩机规格大小的选择,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。

目前需要1.6MPa以上压缩空气的激光切割机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。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,再选配合适的冷干机和精密过滤器。压缩机宜采用永磁变频电机,这样可以保持供气压力的稳定,保障最佳的切割效果。

随着激光切割机功率从小功率向中功率再向大功率以至超大功率发展,配套激光切割机的空气压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。因此,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。

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。激光切割机用户一般配四级过滤,甚至五级过滤,目的是为更好保护激光切割机的使用寿命。如果压缩空气中含有的水雾和油没有处理干净,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。因此,目前市场上,比较流行的做法是集压缩机、储气罐、水分离器、冷干机、过滤器为一体,提供激光切割专用一体式空气压缩机方案,省去用户自配储气罐、冷干机和过滤器,用户现场安装和接管,需要多家供应商提供服务等多种麻烦,这是一种比较理想的选择。目前,已有近十家压缩机企业推出了激光切割专用一体式螺杆压缩机产品。

吉林快3计划不过,虽然近几年国产激光切割机技术有了突破性的发展,朝着高功率、高精度、大幅面的方向挺进,但是,功率激光切割机相比于中低功率激光切割机发展较晚,对国外进口依赖较大。而且由于超大功率激光切割机(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。所以,对于激光切割压缩机,业界需要突破的不只是提供无油无水的洁净压缩空气,更要以用户的需求为基础,在降低成本、性能稳定、操作方便等方面下功夫,积极培育市场,改变用户固有思维习惯,为压缩机在激光切割领域拓展更广阔的市场。

在中国智能制造大背景下,工业领域都呈现从传统加工向高端制造转型的态势,中国激光切割领域市场规模将一直保持着高速发展的趋势。在此大背景下,相信螺杆压缩机在激光切割领域的表现将非常喜人。

激光切割工作原理

激光切割加工是用不可见的光束代替了传统的机械刀,具有精度高,切割快速,不局限于切割图案限制,自动排版节省材料,切口平滑,加工成本低等特点,将逐渐改进或取代于传统的金属切割工艺设备。激光刀头的机械部分与工件无接触,在工作中不会对工件表面造成划伤;激光切割速度快,切口光滑平整,一般无需后续加工;切割热影响区小,板材变形小,切缝(0.1mm~0.3mm);切口没有机械应力,无剪切毛刺;加工精度高,重复性好,不损伤材料表面;数控编程,可加工任意的平面图,可以对幅面很大的整板切割,无需开模具,经济省时。

激光器切割设备的组成

激光器切割设备主要由激光器、导光系统、数控运动系统、自动调高切割头、工作平台和吹高压气体等系统组成。许多参数会影响激光切割过程,其中一些取决于激光器和机床的技术性能,而另一些参数是变化的。激光切割的主要参数有:

激光切割的主要参数

1光束模式

基模,也称高斯模,是切割最理想的模式,主要出现在功率小于1kW的小功率激光器。多模,是高阶模的混合,在相同功率下多模的聚焦性差,切割能力低,单模激光的切割能力和切割质量优于多模。

2激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取决于切割材料、材料厚度和切割速度要求。激光功率对切割厚度、切割速度、切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大,所能切割材料的厚度也增加,切割速度加快,切口宽度也有所加大。

3焦点位置

焦点位置对切口宽度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3扳厚处切割深度最大,且口宽度最小。

4焦矩

切割较厚钢板时,应采用焦矩较长的光束,以获得垂直度良好的切割面。焦点深度大,光斑直径也增大,功率密度随之减小,是切割速度降低。要保持一定的切割速度需要增大激光功率。切割薄板宜采用焦距较小的光束,这样光斑直径小,功率密度大,切割速度快。

5辅助气体

切割低碳钢多采用氧气作切割气体,以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程,而且切割速度快,切口质量好,可以获得无挂渣的切口。其压力增大,动能增加,排渣能力增强;切割气压的大小根据材料、板厚、切割速度和切割表面质量因素确定。

6喷嘴结构

喷嘴的结构形状和出光口尺寸大小,也影响激光切割质量和效率,不同的切割要求选用不同的喷嘴。常用的喷嘴形状有:圆柱形、锥形、所方形等形状。激光切割一般采用同轴(气流与光轴同心)吹气方式,如气流与光轴不同轴,那么在切割时易产生大量的飞溅。为保证切割过程的稳定性,通常要控制喷嘴端面与工件表面的距离,一般为0.5~2.0mm,以便切割顺利进行。

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