采用现场氮气辅助气体发生器降低不锈钢切割的成本

作者：David A. Belforte    来源：美国Industrial Laser Solutions杂志

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 一九八零年代后期，随着激光切割钣金技术进入应用领域，切割不锈钢的切割质量和氧化物的形成成为显著问题。使用氧气作为辅助气体时，会产生放热反应，在切割碳钢的时候尤为明显，这种现象被记录在案并被广泛认识。在这一过程中，氧气明显作用于金属表面的激光束投射点，使钢材加热，从而带来放热反应，使该区域的温度升至熔点，熔化的液态金属顺着切割壁流下，与光束作用区脱离。随着金属的消熔和剥离，新鲜的金属露出表面，最终结果是一个相当平滑却带有氧化层的切割表面。 另一方面，不锈钢有着更高的熔点，其特性也较为不同，当切割的质量和厚度都成为需要考虑的因素时，氧气辅助通常是一种不被接受的方法，因为它会在金属表面生成残留的氧化物。为了解决这个问题，在1990年代早期，人们通常采用低压氮气辅助气体。随着后期高压光学元件的出现，使得更高的气体传输压力成为可能，这是一个吸热的过程，本质上是蒸发/消熔的过程，不在切割面上产生任何残余的氧化物，从而提升了切割的质量。因为辅助气体在这一过程中扮演的是从切割区去除熔融金属的作用，气体压力和纯度便成为重要因素。更高的压力意味着更大的气体消耗，这意味着更高昂的运营成本。喷嘴直径对于气体消耗来说有更大的影响，因为切割更厚的材料需要更大的喷嘴。 人们开始采用氮气替代氧气作为辅助气体的历史并不是很长，一项为激光切割工厂供应氮气的业务开始兴盛起来。采用小型和大型的气罐（圆柱罐和杜瓦瓶）供应氮气的方式已经成为行业标准。现在已经很少见到与生产车间相连接的、高大的液态氮气储藏装置了，以往可以通过这种装置很容易判断这家公司一定需要切割大量的不锈钢以及其他易氧化金属，从而不得不消耗大量氮气。 空气中最主要的组成部分就是氮气（78%），而且空气是免费的。获取氮气的一种可行且便宜的方法是采用氮气发生器而非购买大量的液态或气态氮气。一台氮气发生器能吸入空气，将氮气从中分离出来并用于激光切割设备的加工中。诸如On Site Nitrogen这样的公司就拥有这样的设备，能生产出含氧量仅为0.0005%或5PPM的氮气。使用氮气发生器的成本，除了设备成本之外，就是用来运行空气压缩机所消耗的电费了。相比传统从本地供应商处购买气体的方式而言，大多数公司都认为使用氮气发生器后节省了大量开支。大多数工厂已经在现场存放了压缩空气，因此只需要将其泵入干燥器，接着进入氮气发生器，然后送入储藏气瓶并加压。这样就得到了用于不锈钢切割的、更廉价的辅助气体。 一些公司如O2N2 Site气体系统公司（www.onsitegas.com）认识到了激光切割用氮气发生系统的需求，于是10年前它们开始了向激光切割业提供定制系统的业务。O2N2 Site公司也认识到，对于加工车间来说，自己生产氮气非常容易，相比外购氮气来说能节省高达80%的成本。再加上氮气发生器较低的安装费用和运行成本，以及始终可用的气源（压缩空气）等因素，都成为其用于切割大批量不锈钢和其他易氧化金属时的主要优点。 该公司使用了变压吸附（PSA）或薄膜技术，从空气中分离氮气分子。PSA利用的压缩空气被输入充满碳分子筛（CMS）的压力仓中。在压力之下，CMS将分子从空气中分离出来，捕获氮气并将氧气排入空气中。之后，氮气被抽出送入储存罐中。这些定制的发生器能生产流速达75000CFH（立方英尺/小时）、纯度达99.9995%的氮气。可选择变换氮气的纯度流量，使用者只需按一下按钮便可调节不同的氮气纯度。 位于美国加州Santa Ana的Alco Metal Fab公司，最早于1948年开始业务，但在1962年被并入Alco公司。这家公司运行了四台激光系统：其中三台天田Amada（2~4kW）系统和一台百超Bystronic（3kW）系统。该公司主要切割厚度最大为1 1/4英寸的软钢和不锈钢。 该公司安装激光设备的主要初衷是最小化设置时间，这是因为其大量的短时间加工订单所决定的。在使用第一台百超激光机的过程中，它们发现每个月的气体成本大约为8000美元，一天两班。当它们购入第二台2kW激光机（天田）时，每月消耗的气体成本跃升至10000~12000美元，这主要是因为切割中采用了高压气体。Alco公司意识到，使用外购杜瓦瓶气体在大量需要氮气的情况下并不经济。而公司看到了使用大容量低温储气罐的可能性，可用于替代多个杜瓦瓶，但Santa Ana地区的法规阻碍了这一想法的实现。 在2005年Alco决定寻找一种方式来替代罐装气体，于是找到了On-Site气体系统公司，双方一起设计并在Alco公司现场安装了一台系统，使其能在现场直接产生氮气。Alco计算出这两台设备的投资能够在30个月之内收回。目前为止，该公司在氮气发生器上的投资相比传统的外购运输和存储费用可以说不值一提。当该公司购买了氮气发生器的同时，也购入了第三台激光机，从而投资回报的周期进一步地下降了。该单位在2006年安装完成的同时，Alco又增加了一台天田的激光切割机。 当Alco公司的一位合伙人Ed Hare被问及氮气发生器是否能满足四台激光切割机的需求时，他回答说该公司在购买氮气发生器之前的设计阶段就有意预留出了余量，因此后期的激光机增量需求也能得到满足。Hare先生认为公司目前遇到的唯一问题是需要在30000小时后更换高压泵上的垫圈，但这已经使维护费用最小化了。公司选择了一台400psi的高压系统用来切割不锈钢厚钢板。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/29/2009)