激光切割是激光加工應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行金屬切割 加工是一種常見的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工方式。為達(dá)到最佳的工件切割效果，需要合理地選擇和正確地應(yīng)用空氣壓縮機(jī)。本文提出了根據(jù)噴嘴理論選擇空氣壓縮機(jī)的方法，介紹了激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體切割加工需要注意的問題。

本文作者：劉慶衛(wèi) 來源：葆德云 微信公眾號：GDBALDOR

葆德產(chǎn)品圖：激光切割空壓機(jī)四合一體機(jī)

  激光切割是激光加工應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行金屬切割 加工是一種常見的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工方式。為達(dá)到最佳的工件切割效果，需要合理地選擇和正確地應(yīng)用空氣壓縮機(jī)。本文提出了根據(jù)噴嘴理論選擇空氣壓縮機(jī)的方法，介紹了激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體切割加工需要注意的問題。

  1、前言

  激光切割是在全球范圍內(nèi)最廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)激光加工技術(shù)。早在上世紀(jì) 70 年代，激光就被首次應(yīng) 用于切割加工。進(jìn)入本世紀(jì)以來，伴隨著第三代激光技術(shù)光纖激光器的興起和普及，激光切割更被廣泛 應(yīng)用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工。2010 年以后，國內(nèi)激 光企業(yè)大力發(fā)展大功率光纖激光切割機(jī)，由于大功率光纖激光加工具有獨(dú)特的加工優(yōu)勢，加工成本大幅 下降，同時(shí)結(jié)合多種靈活的付款方式，目前越來越多的鈑金加工企業(yè)、廚衛(wèi)制造企業(yè)以及汽車部件加工 企業(yè)越來越多的使用激光切割機(jī)，特別是在鈑金加工行業(yè)中已取代傳統(tǒng)加工方式。

  激光切割機(jī)能夠應(yīng)對各種材質(zhì)和復(fù)雜形狀的切割要求，除了需要能夠提供高能量的激光器以外，輔 助氣體是完成切割過程不可或缺的物質(zhì)。用于激光切割的輔助氣體主要有氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2 2. 激光切割加工原理 ）和壓 縮空氣（Compressed Air）三種。壓縮空氣比氧氣和氮?dú)飧菀撰@得，價(jià)格與氧氣和氮?dú)庀啾确浅１阋耍?采用壓縮空氣作為輔助氣體切割非常普遍。 

  壓縮空氣品質(zhì)對金屬激光切割質(zhì)量有非常直接的影響，氣體壓力的大小和穩(wěn)定性會影響切割的效果。配套激光切割機(jī)作為輔助氣體的空氣壓縮機(jī)的規(guī)格大小的選擇，主要應(yīng)根據(jù)激光切割機(jī)所采用的激光切 割頭的設(shè)計(jì)輔助氣體壓力和噴嘴大小來確定，這樣就能得到最佳的空氣壓縮機(jī)與激光切割機(jī)的匹配。

  2、激光切割加工原理

  激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率高密度的激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒 蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開工件，激光切割屬于熱切割方法之一。

圖一：激光切割加工原理

  2.1 激光切割的主要方式

  激光切割可分為激光氣化切割、激光熔化切割、激光氧助熔化切割和控制斷裂切割四種

  A. 激光氣化切割  

  利用激光高能力密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)， 材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。材料 的氣化熱一般很大，所以激光氣化切割需要很大的功率和功率密度。 

  激光氣化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

圖二：激光氣化切割

激光氣化切割的切割口光滑沒有毛刺。

  B. 激光熔化切割

  激光熔化切割是用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹高壓惰性氣（N2、Ar、He等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排除，形成割縫。激光熔化切割不需要使金完全氣化，所需激光能量只有氣化切割的十分之一左右。

  對薄板材料，切割速度過慢會使大部分激光束直接通過切口白白損失能量，速度提高使更多光束照射材料，增加與材料的耦合功率，獲得保證切割質(zhì)量的較寬參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)。對厚板材料，由于激光蒸發(fā)作用或熔化產(chǎn)物移去速度不夠快，光束在割縫內(nèi)材料切面上多次反射，只要熔化產(chǎn)物能在它被冷氣流凝團(tuán)前除去，切割過程將繼續(xù)進(jìn)行。

圖三：激光熔化切割

激光熔化切割的切割口邊緣都呈條紋狀。

   激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、不銹鐵、鈦合金、鋁及其合金等。激光熔化切割采用氮?dú)庾鲚o助氣體的切割質(zhì)量好，但成本比氧氣切割高。 

  C. 激光氧助熔化切割

  激光氧助熔化切割原理類似于氧乙炔切割，它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣作為輔助切割氣體。噴出的氧氣一方面與被激光加熱到約 1500℃的鐵元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而繼續(xù)放出大量的氧化熱，使鐵元素加熱燃燒；另一方面把熔融的液態(tài)氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的 1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光氣化切割和熔化切割。

  激光氧助熔化切割的切割口邊緣粗糙度介于激光汽化切割和激光熔化切割之間。

  激光氧助熔化切割主要用與碳鋼等易氧化的金屬材料。也可用于不銹鋼等材料的加工，但斷面發(fā)黑且粗糙，而成本低于惰性氣體切割。

  D. 控制斷裂切割  

  通過激光束加熱，容易受破壞的脆性材料高速、可控地切斷，稱為控制斷裂切割。其切割原理為：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起熱梯度和隨之而來的嚴(yán)重機(jī)械變形，使材料形成裂縫。控制斷裂切割速度快，只需很小的激光功率；功率太高會造成工件表面熔化，并破壞切割邊緣?？刂茢嗔亚懈钪饕煽貐?shù)是激光功率和光斑尺寸。 

  2.2 激光切割的特點(diǎn)

   激光切割與其他切割方法相比較，總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面： 

（1） 切割質(zhì)量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割 質(zhì)量。 

（2） 激光氣割切口細(xì)窄、切縫兩面平行并且與表面垂直度好。 

（3） 切割表面光潔美觀，甚至可作為最后一道加工工序，無需機(jī)械加工，零件可直接使用。

（4） 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變 形小，切割精度高。激光切割與其它切割方法的切割速度比較見表一，切割材料為低碳鋼板。

表一 幾種切割方法的切割速度比較

（5） 切割速度快，例如：2500W 的激光切割 1mm 厚的冷軋?zhí)间摪?，切割速度可達(dá) 16-19m/min。 

（6） 非接觸式切割，激光切割時(shí)噴嘴與工件無接觸，不存在工具磨損。 

  3、采用不同輔助氣體進(jìn)行激光切割的比較

  激光切割時(shí)，根據(jù)切割板材的材質(zhì)的不同，來選擇不同的切割氣體。切割氣體及其壓力的選擇，對 激光切割品質(zhì)有很大的影響。

  3.1. 輔助氣體的種類 

  激光切割加工常用的輔助氣體有氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）和壓縮空氣（Compressed Air），有時(shí)還會 用到氬氣（Ar）。按照氣體壓力又可分為高壓氣體和低壓氣體。

  3.2. 輔助氣體種類的選擇

  激光切割輔助氣體的作用主要：助燃及散熱、及時(shí)吹掉切割產(chǎn)生的熔漬、防止切割熔漬向上反彈進(jìn) 入噴嘴、保護(hù)聚焦透鏡等。根據(jù)被切割材料的不同，結(jié)合激光切割機(jī)的功率，選擇不同的激光切割工藝，輔助氣體的選擇也不 盡相同。不同種類輔助氣體的特點(diǎn)、用途和適用范圍如下：

  (1) 氧氣（O2） 主要用于切割碳鋼材料。氧氣與鐵元素的化學(xué)反應(yīng)熱促進(jìn)金屬吸熱熔化，可以4 大幅度提高切割效率，實(shí)現(xiàn)更厚材料的切割，明顯提高激光切割機(jī)的加工能力。但同時(shí)由于氧氣的 存在，會在切口端面產(chǎn)生明顯的氧化膜，而且會對切割面周圍材料產(chǎn)生淬火效應(yīng)，提高這部份材料 的硬度，對后續(xù)加工造成一定的影響。氧氣切割的材料切口端面發(fā)黑或者暗黃色。一般碳鋼板采用 氧氣切割，低壓打孔，低壓切割。

  (2) 氮?dú)猓∟2）采用氮?dú)庾鳛檩o助氣體切割時(shí)，氮?dú)鈺谌刍慕饘僦車纬杀Ｗo(hù)氛圍，防止材料被氧化，避免氧化膜的形成，實(shí)現(xiàn)無氧化切割。但同時(shí)因?yàn)榈獨(dú)獠慌c金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，沒有反應(yīng)熱的產(chǎn)生，切割能力不如氧氣，而且氮?dú)馇懈畹牡獨(dú)庀牧勘妊鯕獯髷?shù)倍，切割成本要高于氧氣切割。無氧化切割面具有可直接熔接、涂抹、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，切口端面發(fā)白。一般采用氮?dú)馇懈畈讳P鋼、鍍鋅板、鋁及鋁合金板、黃銅等材料，用低壓穿孔，用高壓切割。氮?dú)馇懈顣r(shí)，氣體流量的改變對切割的影響很大，在保證切割氣體壓力的情況下，一定要保證氣體流量的充足。

  (3)壓縮空氣（Compressed Air）  壓縮空氣可以用空氣壓縮機(jī)直接提供，相對于氧氣和氮?dú)庖菀撰@得，價(jià)格非常便宜。雖然空氣中只含有約20%的氧氣，切割效率遠(yuǎn)不及氧氣切割，但切割能力與氮?dú)饨咏?，空氣切割效率略高于氮?dú)馇懈?。空氣切割的切口端面發(fā)黃。在對材料切口表面色澤沒有嚴(yán)格要求時(shí)，用壓縮空氣替代氮?dú)馇懈钍亲罱?jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

—— 壓縮空氣激光切割與氮?dú)饧す馇懈畹慕?jīng)濟(jì)性比較 —— 

  目前市場上的液氮大約為1400 元/噸，激光切割用的液氮都需要采用杜瓦罐，一般是120kg 一罐，1kg 價(jià)格在3 元以上。姑且按1400 元/噸計(jì)算。

  120x1.4=168 元標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氮?dú)獾谋戎貫?.25kg/m3，因此一罐杜瓦罐液氮的最大使用量約為：120/1.25=96Nm3折算成每Nm3的氮?dú)獬杀緸椋?68/96=1.75 元/ Nm3  

  如果采用葆德PM15TK-16 型空壓機(jī)提供16bar的壓縮空氣，每分鐘可以提供1.27m3，該型號空氣壓縮機(jī)的滿負(fù)荷輸入功率是13.4kW。

  工業(yè)電費(fèi)按1.0 元/度計(jì)算，則每m3的空氣成本為：13.4x1.0/(1.27x60)=0.176 元/m3按照每分鐘實(shí)際消耗0.5m3氣體，激光切割機(jī)每天工作8 小時(shí)計(jì)算，則采用空氣切割相比氮?dú)馇懈蠲刻炜梢怨?jié)省的成本為：(1.75-0.176)x8x60x0.5=378 元如激光切割機(jī)一年工作300 天，則一年可以節(jié)省的用氣成本為：378x300=113,400 元，由此可見，采用壓縮空氣替代氮?dú)馇懈罘浅＝?jīng)濟(jì)實(shí)用，一年下來節(jié)省下來的用氣成本，足夠買3 臺高品質(zhì)的一體式空氣壓縮機(jī)了。

  (4) 氬氣（Ar） 氬氣為惰性氣體，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。但是氬氣價(jià)格比氮?dú)飧?，一般普通激光切割采用氬氣極不劃算。氬氣切割主要用于鈦及鈦合金等。氬氣切割的切口端面發(fā)白。 

  4、影響激光切割質(zhì)量的因素

  4.1. 評價(jià)激光切割質(zhì)量的要素

  有許多評判激光切割邊緣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。像毛刺形式、凹陷、紋路等標(biāo)準(zhǔn)可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口寬度等則需要采用專用儀器來測量。材料沉積，腐蝕，熱影響區(qū)域和變形也是衡量激光 切割質(zhì)量的重要要素。最常見的切割質(zhì)量不良就是過燒、掛渣。激光切割機(jī)的功率、激光脈沖頻率、切割速度、光束焦點(diǎn)、光束偏振方向、噴嘴尺寸、輔助氣體壓力和流量都會影響評價(jià)激光切割質(zhì)量的要素。

圖四：評價(jià)激光切割質(zhì)量的要素 

  （1）過燒 是由于激光功率過大，切小孔或者切割速度太慢，工件熔化的熱量不能及時(shí)被高壓氣流帶走而產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^調(diào)低激光功率，加大氣體流量等方法解決切割過燒。

圖五：過燒

  （2）掛渣 也就是毛刺。激光功率不足，或者輔助氣體壓力不足，或者切割速度太快，使得輔助氣體不能將切割過程產(chǎn)生的熔化或氣化的材料徹底吹除，造成切割面的下沿附著熔渣的現(xiàn)象。

圖六：掛渣（毛刺）

  4.2. 評價(jià)激光切割質(zhì)量的要素

   激光光束焦點(diǎn)位置對切割質(zhì)量具有重要的影響。切割不同的材質(zhì)，切割的厚度不同，需要調(diào)整不同的的焦點(diǎn)位置。有時(shí)候，切割出現(xiàn)毛刺并不是因?yàn)檩o助氣體壓力不足，而是焦點(diǎn)太高。光束焦點(diǎn)位置對切割質(zhì)量的影響可見圖 7。

圖七：光束焦點(diǎn)對切割效果的影響（碳鋼 15mm，不銹鋼 8mm）

  4.3. 切割速度對切割質(zhì)量的影響

   A. 切割速度太快

  1） 可能造成無法切割，火花四濺；

  2） 有些區(qū)域可以切斷，有些區(qū)域不能切斷；

  3） 整個(gè)切割斷面較粗糙；

  4） 形成斜切紋，在板材下部產(chǎn)生熔渣（圖 8）。

圖八：切割速度太快的效果

  B. 切割速度太慢

  1） 造成切割板材過熔，切割斷面較粗糙；

  2） 切縫變寬，在小圓角或尖角部位造成整個(gè)區(qū)域熔化，產(chǎn)生過燒；

  3） 切割效率降低。

  4.4. 噴嘴對激光切割質(zhì)量的影響

  當(dāng)噴嘴的中心與激光光束的中心不同軸時(shí)，從噴嘴噴出的高速氣流就會對切割的熔融物進(jìn)行偏吹， 使得切割斷面較容易出現(xiàn)一邊有熔渣，而另一邊沒有的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在切割 3mm 厚度以上的板材時(shí)表現(xiàn)明顯，嚴(yán)重時(shí)會造成不能切割。

  噴嘴的尺寸要合適。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徑也較大， 這就要求通過光束的噴嘴直徑也較大。但是如果噴嘴直徑太大，一方面從噴嘴噴射出的氣流速度會較慢，吹除熔融物的能力變?nèi)?，切割斷面可能會形成毛刺；另一方面，由于噴嘴尺寸大而氣流速度慢?則激光切割產(chǎn)生的熔渣和煙霧比較容易飛濺到噴嘴里面，損壞保護(hù)鏡片，對于高功率激光機(jī)還可能反射激光光束燒毀激光頭。

  4.5. 壓縮空氣品質(zhì)對激光切割質(zhì)量的影響

  壓縮空氣的品質(zhì)對激光切割質(zhì)量有非常直接的影響。壓縮空氣中含有水霧和油，如果沒有處理干凈， 高壓噴射到激光切割頭的保護(hù)鏡面上，就會嚴(yán)重影響激光束的傳輸，使焦點(diǎn)分散，造成產(chǎn)品切不透，產(chǎn)生廢品。如果是超大功率激光切割機(jī)，只要保護(hù)鏡面或噴嘴表面粘上一點(diǎn)點(diǎn)極細(xì)微的油膜或水霧，也有可能造成高能激光發(fā)射燒壞激光頭。由于超大功率激光切割機(jī)（12000W 以上）的激光頭價(jià)格都在 2 萬以上，而大多數(shù)空氣壓縮機(jī)的提供者都不能對壓縮空氣中的油和水分進(jìn)行很好的處理，多數(shù)的超大功率激光切割機(jī)的用戶都不愿意冒險(xiǎn)采用壓縮空氣作為輔助氣體。圖 9 和圖 10 分別展示的是未被污染的鏡片和被污染了的鏡片。

圖九：未被污染的鏡片

圖十：被污染了的鏡片

  5、影響金屬激光切割厚度和切割效率的因素

  從大量實(shí)踐來看，激光切割機(jī)的功率、輔助氣體種類、輔助氣體的壓力和流量影響金屬激光切割厚度和切割效率的主要因素。在給激光切割機(jī)選擇空氣壓縮機(jī)時(shí)需要綜合考慮這幾個(gè)方面的因素。

  根據(jù)清華大學(xué)和哈爾濱焊接研究所的激光切割研究試驗(yàn)4，激光功率和輔助氣體壓力對激光切割能力的影響見圖九，切割工件為 2mm厚低碳鋼板，切割速度 3m/min，光斑直徑0.16mm，噴嘴形狀為圓錐形，噴嘴底部直徑 1.5mm，噴嘴到工件距離為 1mm。

圖十一：激光功率和輔助氣體壓力對激光切割能力的影響

  從圖 11（a）可以看出，對于 2mm 厚的低碳鋼板，如果激光功率低于 860W，無論把輔助氣體氮?dú)獾膲毫μ岣叩蕉嗌伲矡o法切斷工件，因?yàn)榧す馑峁┑哪芰坎蛔阋匀弁腹ぜ?。如果激光功率足夠大?足以熔透工件，那么，激光功率越大，則所需要的輔助氣體壓力越低。

  從圖 11（b）可以看出，如果采用氧氣切割同樣厚度的低碳鋼板，激光能量和輔助氣體壓力對切割能力的影響規(guī)律與采用氮?dú)馇懈顣r(shí)相似，但是切割所需要的激光功率和輔助氣體壓力均大為降低，這是因?yàn)榍懈顣r(shí)氧氣與鐵元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)燃燒放出了約為激光功率四倍的能量。這也解釋了為什么一般中功率激光切割機(jī)在切 2mm 以上低碳鋼板時(shí)都偏好喜歡用氧氣切割的原因。

  壓縮空氣切割碳鋼板時(shí)，因?yàn)榭諝庵泻屑s 20%的氧氣，這部分的氧氣在切割時(shí)也與鐵元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)燃燒放出熱量，所以用壓縮空氣切割碳鋼板的效率要略高于用氮?dú)馇懈睢?/span>

  另外，不同的激光切割機(jī)生產(chǎn)廠家，由于其所采用的激光器和采用的工藝的不同，切割能力也不盡相同。本文摘取其中幾家有代表性的廠家公開數(shù)據(jù)，供讀者參考。

表二 大族激光切割機(jī)最大切割厚度，mm

表三 華工激光切割機(jī)最大切割厚度，mm

表四 百超激光切割機(jī)最大切割厚度，mm

  由于激光器成本的下降，激光切割機(jī)的整體成本也已經(jīng)大幅度下降，現(xiàn)在一般的金屬加工用戶購買的激光切割機(jī)的功率以 3000W-4000W 居多，少數(shù)位于金屬材料市場周圍的承接大量金屬加工的用戶則主要購買 12000W-15000W 的超大功率激光切割機(jī)。因此，總體來說，厚度 22-25mm 以下的低碳鋼板， 10-16mm 以下的不銹鋼板、鋁合金板、銅合金板均可以采用激光切割。其中，厚度 2-2.5mm 以下的低碳鋼板宜采用高壓壓縮空氣切割，厚度 2-2.5mm 以上的低碳鋼板宜采用氧氣切割；不銹鋼板、鍍鋅板、鋁合金板、銅合金板宜采用氮?dú)饣蚋邏簤嚎s空氣切割。

  6、空氣壓縮機(jī)的選擇

  6.1、空氣壓縮機(jī)壓力和排氣量的選擇

  根據(jù)前面的論述可知，激光切割機(jī)配套空氣壓縮機(jī)能切割多厚的板材這樣的問題，主要取決于激光功率，而與壓縮空氣壓力關(guān)系不大。如果激光功率足夠大，壓縮空氣壓力低一點(diǎn)也能切割；如果激光功率不夠大，壓縮空氣壓力再高也切割不了。只要激光功率足夠大，壓縮空氣壓力越高，激光切割質(zhì)量越好，切割效率越高。隨著激光切割機(jī)功率從小功率向中功率再向大功率以至超大功率發(fā)展，配套激光切割機(jī)的空氣壓縮機(jī)的壓力的要求也從最開始的8bar 提高到兩年前的13bar，再提高到現(xiàn)在的16bar，并且還在進(jìn)一步往20-30bar 發(fā)展。

  對于采用壓縮空氣作為輔助氣體的激光切割機(jī)來說，壓縮空氣經(jīng)過干燥凈化之后，分成三路，分別作為切割氣體、氣缸動力氣源和光路正壓除塵氣體維持激光切割機(jī)的正常運(yùn)行，切割氣體所占的比重大約是壓縮空氣總消耗量的80-90%。對于不采用壓縮空氣而采用氮?dú)饣蜓鯕庾鳛檩o助氣體的激光切割機(jī)，其仍然需要一臺流量很小的空氣壓縮機(jī)提供氣缸動力氣源，不過只需要的是6-7bar 的常壓氣源。

  采用壓縮空氣作為輔助氣體的激光切割機(jī)，應(yīng)該配套多大排氣量的空氣壓縮機(jī)？

  壓縮空氣作為輔助氣體是要通過與激光光束同軸的噴嘴高速噴出來輔助激光切割的，計(jì)算出噴嘴通過的壓縮空氣流量就可以確定需要配套多大排氣量的空氣壓縮機(jī)了。

  設(shè)噴嘴前空氣絕對壓力為p，噴嘴后空氣絕對壓力為p0。根據(jù)噴嘴理論，當(dāng)p0/p≦0.528 時(shí)，通過噴嘴的壓縮空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量為：

其中，Q——空氣流量，L/min

S ——噴嘴有效面積，㎡   

μ——流量系數(shù)，μ＜1，一般取 0.92-0.94 

A——噴嘴面積   ㎡

d——噴嘴直徑，m 

p ——噴嘴前絕對壓力，Pa

T ——噴嘴前氣體滯止溫度，K

p ——噴嘴前絕對壓力，Pa

T ——噴嘴前氣體滯止溫度，K

  在計(jì)算空氣壓縮機(jī)的排氣量時(shí)，需要考慮到激光切割機(jī)有空走時(shí)間，工作時(shí)實(shí)際出氣時(shí)間在 50-70%之間。實(shí)際需要的排氣量QN 按下式算： 

  激光切割機(jī)的使用的噴嘴規(guī)格，根據(jù)激光切割機(jī)的功率大小常見的有：1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0mm 七個(gè)規(guī)格。圖 12 給出了各種規(guī)格噴嘴采用不同切割氣壓時(shí)對應(yīng)的輔助氣體流量。

圖十二：各種規(guī)格噴嘴采用不同切割氣壓時(shí)對應(yīng)的輔助氣體流量，m3/min

  舉例一  用戶的激光切割機(jī)采用2.0mm的噴嘴，希望切割氣壓達(dá)到1.6MPa絕壓，應(yīng)該怎么配空氣壓縮機(jī)？

  答：由圖12知，2.0mm噴嘴維持1.6MPa絕壓，需要有0.491m3/min的壓縮空氣流量；

  按照實(shí)際出氣時(shí)間在70%，壓縮機(jī)90%的排氣量用于輔助切割計(jì)算，則需要的氣量為：0.491*0.7/0.9=0.382m3/min，兩臺則需要不小于0.764m3/min。

  一臺葆德11TK/16的壓縮機(jī)的標(biāo)稱排氣量是0.97m3/min，可以帶兩臺使用2.0mm噴嘴的激光切割機(jī)（一拖二），或者一臺配2.5mm噴嘴的激光切割機(jī)。

  舉例二  一臺葆德15TK/16的激光切割用一體式空壓機(jī)可以怎樣配激光切割機(jī)？

  答：葆德15TK/16的壓縮機(jī)的標(biāo)稱排氣量是1.27m3/min，折算成可用氣量為：1.27*0.9/0.7=1.633m3/min

  查圖12，可知，一臺葆德15TK/16的激光切割用一體式空壓機(jī)可以帶一臺配3.5mm噴嘴的激光切割機(jī)，或者帶兩臺配2.5mm噴嘴的激光切割機(jī)（一拖二）。

  6.2、空氣壓縮機(jī)型式和系統(tǒng)的選擇

  前面講到壓縮空氣的品質(zhì)對激光切割質(zhì)量有直接的影響，并且激光切割機(jī)一般都需要連續(xù)工作， 空壓機(jī)一般就安放在激光切割機(jī)附近。因此，空氣壓縮機(jī)一定要選配好的干燥機(jī)盡可能地去除壓縮空氣中的水分，一定要在干燥機(jī)之后配置精度足夠高精密過濾器組以充分濾除油分和塵埃顆粒。經(jīng)過后處理之后的壓縮空氣的壓力露點(diǎn)達(dá)到 2-5℃，殘油量≦0.001ppM，顆粒物含量≦0.01μm，并且壓縮空氣干燥之后回溫到接近常溫，有效避免再次結(jié)露，這樣的高品質(zhì)壓縮空氣可以滿足激光切割機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，無需經(jīng)常擦拭保護(hù)鏡片。

  活塞式空氣壓縮機(jī)比較容易獲得高壓力，但是活塞式空氣壓縮機(jī)噪音大，易損件多，并且排氣含油都處理得不好，因此，在 1.6MPa 以下一般不推薦使用活塞式空氣壓縮機(jī)。

  1.6MPa 以下一般推薦選用螺桿式空氣壓縮機(jī)，選配合適的冷干機(jī)和精密過濾器。壓縮機(jī)宜采用永磁變頻電機(jī)，這樣可以保持供氣壓力的穩(wěn)定，保障最佳的切割效果。

  由于大多數(shù)用戶不具備空氣壓縮機(jī)和壓縮空氣凈化處理的知識，如果由用戶單獨(dú)一個(gè)個(gè)購買空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、冷干機(jī)和過濾器再自行安裝，不僅麻煩，而且很可能整個(gè)系統(tǒng)達(dá)不到需要的壓縮空氣品質(zhì)要求。廣東葆德科技有限公司專門為激光切割定制設(shè)計(jì)的PMTK 系列一體式空氣壓縮機(jī)（圖13），集壓縮機(jī)、儲氣罐、水分離器、冷干機(jī)、過濾器為一體，省去了用戶自配儲氣罐、冷干機(jī)和過濾器的麻煩，省去了用戶現(xiàn)場安裝和接管的麻煩，省去了需要多家供應(yīng)商提供服務(wù)的麻煩，能提供持續(xù)、穩(wěn)定、潔凈的壓縮空氣，是配套大功率激光切割機(jī)的理想選擇。

圖十三：配套激光切割機(jī)的一體式空氣壓縮機(jī)

  目前需要 1.6MPa 以上壓縮空氣的激光切割機(jī)主要還是采用活塞式壓縮機(jī)，但是因?yàn)榛钊綁嚎s機(jī)可靠性質(zhì)量的制約，發(fā)展相對較慢。隨著大功率激光切割機(jī)的普及，對厚板的切割需求越來越多，開發(fā)額定排氣壓力≧2.0MPa 的小流量高壓螺桿空氣壓縮機(jī)很有必要。

  7、需要注意的問題

  （1）、過分考慮購機(jī)成本

  購買激光切割用的空壓機(jī)時(shí)，如果過分考慮購機(jī)成本，最終很可能買來一堆爛貨。因?yàn)榭諌簷C(jī)供應(yīng)商也要賺錢，如果他按保證高品質(zhì)壓縮空氣的壓縮機(jī)系統(tǒng)以市場最低的價(jià)格賣給你，那他就無利可圖。為了生意和利潤，那他只能以次充好，以小充大。舉例說，為了競爭和利潤，現(xiàn)在市場上標(biāo)稱處理流量1m3/min的冷干機(jī)，沒有一臺能夠達(dá)到標(biāo)稱的2-8℃的壓力露點(diǎn)溫度，實(shí)際壓力露點(diǎn)都在 12-16 攝氏度以上。如果激光切割用的空壓機(jī)配上這樣的冷干機(jī)，保護(hù)鏡片一天就得擦拭多次，激光切割質(zhì)量也無法保證。同樣，油氣分離芯和本身價(jià)值就不高的精密過濾器更不能圖便宜。

  （2）、貪大心理

  在選擇空壓機(jī)時(shí)，用戶一般會選擇排氣量比實(shí)際需求大一些的空壓機(jī)，銷售人員也愿意賣排氣量大的空壓機(jī)。但是，如果空壓機(jī)排氣量太大，比實(shí)際需求大很多，即使空壓機(jī)有變頻調(diào)節(jié)，也有可能造成空壓機(jī)運(yùn)行在最低頻率時(shí)供氣量還過剩，機(jī)器不得不進(jìn)入停機(jī)休眠狀態(tài)。而為了維持供氣壓力穩(wěn)定，一旦用氣繼續(xù)，空壓機(jī)又不得不啟動運(yùn)行。這樣頻繁的“啟動-運(yùn)行-休眠-啟動-運(yùn)行-休眠”，不僅會造成空壓機(jī)的壽命縮短，更為嚴(yán)重的是容易造成油氣分離器里面的潤滑油起泡，導(dǎo)致排氣含油量增加。

  當(dāng)“空壓機(jī)配太大了”已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)了，那就要通過修改控制器參數(shù)，設(shè)法讓空壓機(jī)減少自動啟停次數(shù)，比如把通常的 10s 空載延時(shí)改為180s 空載延時(shí)。

  （3）、良好的操作習(xí)慣

  如果操作時(shí)先啟動空氣壓縮機(jī)，再啟動冷干機(jī)，有可能排氣在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到所需要的壓力露點(diǎn)。這時(shí)候操作激光切割機(jī)，則有可能壓縮空氣中沒有除盡的水份會在激光切割頭的保護(hù)鏡片上結(jié)霧。正確的操作習(xí)慣是先啟動冷干機(jī)，待冷媒溫度降到5 攝氏度左右時(shí)，再啟動空壓機(jī)。

  （4）、運(yùn)行溫度設(shè)置

  一般普通用的7-8bar 排氣壓力的空氣壓縮機(jī)，正常使用條件下的排氣溫度都以不超過90℃為好， 廠家一般把排氣溫度設(shè)置在78-85℃。但是，如果是排氣壓力 1.6MPa 以上的空氣壓縮機(jī)，如果還是要求這么低的排氣溫度，如果用在激光切割機(jī)上，就是一場災(zāi)難。因?yàn)楦邏嚎諌簷C(jī)在夏季運(yùn)行而只有80℃ 左右的排氣溫度，排氣是會非常容易析水，導(dǎo)致潤滑油的乳化起泡，而造成排氣含油量的劇增。其結(jié)果就是造成不能切割或切出廢品，甚至損壞聚焦鏡。排氣溫度的設(shè)置，最好是根據(jù)使用地點(diǎn)和季節(jié)不同，按圖14 進(jìn)行設(shè)置。

圖十四：飽和空氣壓力露點(diǎn)

  （5）、注意日常維護(hù)保養(yǎng)

  i. 每天正式工作前，要放除儲氣罐中的冷凝水，并注意觀察冷凝水的油跡情況。

  ii. 經(jīng)常通過視鏡（圖15）觀察空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)從油氣分離器到壓縮機(jī)主機(jī)的回油管的回油狀況， 判斷排氣含油量高低，以及是否需要更換潤滑油或油分芯。

  a) 高速氣流裹挾少量潤滑油通過視鏡——正常；

  b) 視鏡充滿潤滑油，并且運(yùn)動緩慢——管路堵塞，需要清理；

  c) 高速氣流裹挾大量潤滑油通過視鏡——油分效果變差，排氣含油量高，需要立即采取行動解決。

圖十五：回油視鏡

  iii.在廠家規(guī)定時(shí)間內(nèi)更換精密過濾器濾芯

  iv. 在廠家規(guī)定的時(shí)間內(nèi)更換空濾芯、油分芯、油過濾器和潤滑油。

  結(jié)論：激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體有著廣泛的應(yīng)用，可以代替氧氣切割碳鋼薄板，可以代替氮?dú)馇懈畈讳P鋼、鍍鋅板、鋁合金、銅合金。正確地選擇和使用空氣壓縮機(jī)不但可以保障激光切割質(zhì)量，而且可以獲得不錯(cuò)的切割效率和非常明顯的加工成本節(jié)省。