氮氣輔助氣體發生器降低雷射切割不鏽鋼成本

2020-12-08 OFweek維科網

        一九八零年代後期，隨著雷射切割鈑金技術進入應用領域，切割不鏽鋼的切割質量和氧化物的形成成為顯著問題。使用氧氣作為輔助氣體時，會產生放熱反應，在切割碳鋼的時候尤為明顯，這種現象被記錄在案並被廣泛認識。在這一過程中，氧氣明顯作用於金屬表面的雷射束投射點，使鋼材加熱，從而帶來放熱反應，使該區域的溫度升至熔點，熔化的液態金屬順著切割壁流下，與光束作用區脫離。隨著金屬的消熔和剝離，新鮮的金屬露出表面，最終結果是一個相當平滑卻帶有氧化層的切割表面。 

        另一方面，不鏽鋼有著更高的熔點，其特性也較為不同，當切割的質量和厚度都成為需要考慮的因素時，氧氣輔助通常是一種不被接受的方法，因為它會在金屬表面生成殘留的氧化物。為了解決這個問題，在1990年代早期，人們通常採用低壓氮氣輔助氣體。隨著後期高壓光學元件的出現，使得更高的氣體傳輸壓力成為可能，這是一個吸熱的過程，本質上是蒸發/消熔的過程，不在切割面上產生任何殘餘的氧化物，從而提升了切割的質量。因為輔助氣體在這一過程中扮演的是從切割區去除熔融金屬的作用，氣體壓力和純度便成為重要因素。更高的壓力意味著更大的氣體消耗，這意味著更高昂的運營成本。噴嘴直徑對於氣體消耗來說有更大的影響，因為切割更厚的材料需要更大的噴嘴。 


         

        人們開始採用氮氣替代氧氣作為輔助氣體的歷史並不是很長，一項為雷射切割工廠供應氮氣的業務開始興盛起來。採用小型和大型的氣罐（圓柱罐和杜瓦瓶）供應氮氣的方式已經成為行業標準。現在已經很少見到與生產車間相連接的、高大的液態氮氣儲藏裝置了，以往可以通過這種裝置很容易判斷這家公司一定需要切割大量的不鏽鋼以及其他易氧化金屬，從而不得不消耗大量氮氣。 

        空氣中最主要的組成部分就是氮氣（78%），而且空氣是免費的。獲取氮氣的一種可行且便宜的方法是採用氮氣發生器而非購買大量的液態或氣態氮氣。一臺氮氣發生器能吸入空氣，將氮氣從中分離出來並用於雷射切割設備的加工中。諸如On Site Nitrogen這樣的公司就擁有這樣的設備，能生產出含氧量僅為0.0005%或5PPM的氮氣。使用氮氣發生器的成本，除了設備成本之外，就是用來運行空氣壓縮機所消耗的電費了。相比傳統從本地供應商處購買氣體的方式而言，大多數公司都認為使用氮氣發生器後節省了大量開支。大多數工廠已經在現場存放了壓縮空氣，因此只需要將其泵入乾燥器，接著進入氮氣發生器，然後送入儲藏氣瓶並加壓。這樣就得到了用於不鏽鋼切割的、更廉價的輔助氣體。 

        一些公司如O2N2 Site氣體系統公司認識到了雷射切割用氮氣發生系統的需求，於是10年前它們開始了向雷射切割業提供定製系統的業務。O2N2 Site公司也認識到，對於加工車間來說，自己生產氮氣非常容易，相比外購氮氣來說能節省高達80%的成本。再加上氮氣發生器較低的安裝費用和運行成本，以及始終可用的氣源（壓縮空氣）等因素，都成為其用於切割大批量不鏽鋼和其他易氧化金屬時的主要優點。 

        該公司使用了變壓吸附（PSA）或薄膜技術，從空氣中分離氮氣分子。PSA利用的壓縮空氣被輸入充滿碳分子篩（CMS）的壓力倉中。在壓力之下，CMS將分子從空氣中分離出來，捕獲氮氣並將氧氣排入空氣中。之後，氮氣被抽出送入儲存罐中。這些定製的發生器能生產流速達75000CFH（立方英尺/小時）、純度達99.9995%的氮氣。可選擇變換氮氣的純度流量，使用者只需按一下按鈕便可調節不同的氮氣純度。 

        位於美國加州Santa Ana的Alco Metal Fab公司，最早於1948年開始業務，但在1962年被併入Alco公司。這家公司運行了四臺雷射系統：其中三臺天田Amada（2~4kW）系統和一臺百超Bystronic（3kW）系統。該公司主要切割厚度最大為1 1/4英寸的軟鋼和不鏽鋼。 

        該公司安裝雷射設備的主要初衷是最小化設置時間，這是因為其大量的短時間加工訂單所決定的。在使用第一臺百超雷射機的過程中，它們發現每個月的氣體成本大約為8000美元，一天兩班。當它們購入第二臺2kW雷射機（天田）時，每月消耗的氣體成本躍升至10000~12000美元，這主要是因為切割中採用了高壓氣體。Alco公司意識到，使用外購杜瓦瓶氣體在大量需要氮氣的情況下並不經濟。而公司看到了使用大容量低溫儲氣罐的可能性，可用於替代多個杜瓦瓶，但Santa Ana地區的法規阻礙了這一想法的實現。 

        在2005年Alco決定尋找一種方式來替代罐裝氣體，於是找到了On-Site氣體系統公司，雙方一起設計並在Alco公司現場安裝了一臺系統，使其能在現場直接產生氮氣。Alco計算出這兩臺設備的投資能夠在30個月之內收回。目前為止，該公司在氮氣發生器上的投資相比傳統的外購運輸和存儲費用可以說不值一提。當該公司購買了氮氣發生器的同時，也購入了第三臺雷射機，從而投資回報的周期進一步地下降了。該單位在2006年安裝完成的同時，Alco又增加了一臺天田的雷射切割機。 

        當Alco公司的一位合伙人Ed Hare被問及氮氣發生器是否能滿足四臺雷射切割機的需求時，他回答說該公司在購買氮氣發生器之前的設計階段就有意預留出了餘量，因此後期的雷射機增量需求也能得到滿足。Hare先生認為公司目前遇到的唯一問題是需要在30000小時後更換高壓泵上的墊圈，但這已經使維護費用最小化了。公司選擇了一臺400psi的高壓系統用來切割不鏽鋼厚鋼板。（作者：David A. Belforte  ）

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