激光切割機除塵排煙系統研究與優化

倪振興，鄭 凱，蔣文祥，洪 靜

（1.江蘇亞威機床機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

近幾年，激光切割行業迅猛發展，各類激光器功率越做最大，隨著激光切割厚度、速度的不斷提升，單位時間內產生的煙塵量越來越大，如果仍延用原有的激光切割機除塵系統將無法滿足正常除塵需求，也達不到政府及行業相應的規范。為提升產品質量、滿足客戶需求，本文針對6kW 及以上激光切割機除塵系統進行研究與優化。

1 激光切割煙塵危害及排煙機理

1.1 激光切割煙塵危害

激光切割金屬板材時釋放出的煙塵大致可分為塵埃與氣溶膠，其中97%的直徑小于5.7μm，這意味著絕大多數煙塵可被人吸入體內。根據切割材料及場景不同，還會產生其他有害物質，比如板材表面有油，還會產生十分復雜的碳氫化合物復合氣體；比如板材表面貼膜，切割時會釋放出脂族及烯烴化合物，伴隨著明顯的異味。

激光切割產生的煙塵如果不有效捕捉處理，將會傷害人體和破壞環境。

1.2 激光切割排煙機理

激光切割板材時，一般在切割表面下方通過風機抽風，使切割區域下方形成負壓，將切割產生煙塵吸出。目前業內基本采用多分區方式，將有效切割區域多組分區，切割時跟隨切割實際位置，打開對應分區風門，從而實現較好的除塵效果。如圖1 所示。

圖1 激光切割除塵結構示意

根據公式，除塵器所需的風量為：

式中：K 為選型余量系數，≥1.2；H 為實際吸氣口距切割位置距離，m；FX為除塵料斗分區面積，m2；VX為切割位置風速，m/s。

由式（1）可見，配備同等風量除塵器的激光切割機，料斗分區面積越小、吸氣口距切割距離越近，工作臺表面除塵風速就越高，除塵效果越好。

經過各種板材、不同切割參數實驗，切割板材表面除塵風速達到0.8～1.2m/s 為最佳，此時除塵效果好，煙塵捕捉成功率達到95%以上，肉眼可分辨無明顯冒煙情況；切割板材表面除塵風速如果低于0.5m/s，除塵效果差，切割碳鋼板時會有明顯冒煙情況；切割板材表面除塵風速如果高于1.2m/s，除塵效果好的同時會吸入更多的火星或者熔渣，對除塵設備造成損壞，甚至會引發火災。

2 除塵系統結構優化

2.1 減小除塵料斗分區面積

從以上公式可明顯看出，在不增加除塵器功率的情況下，想要提升切割位置除塵風速的方法之一，就是減小除塵料斗分區面積。

從該角度出發，我們做了實際對比測試實驗，我們將同樣切割幅面的機床由原來5 個分區改為6 個分區，改進后，截面長度不變，為2.07m，截面寬度由0.85m 縮小為0.69m，分區面積減小19%，如圖2 所示。

圖2 除塵分區面積

經測試，在風量、溫度、測量位置等其他條件一樣的情況下，改進前工作臺表面平均風速0.63m/s，改進后平均風速提升至0.75m/s，提升幅度剛好19%左右。因此，在風量LP不變的情況下，減小分區面積，是可以直接提升風速VX的。

但是增加除塵分區，同樣會帶來一些弊端，比如風門數量增加，漏風點就會變多；控制風門的氣缸數量增加，成本提高的同時，故障率可能會變高。所以還需要結合產品的實際定位進行取舍。

2.2 減小吸氣口到切割表面的距離

從以上公式可以明顯看出，在不增加除塵器功率的情況下，想要提升切割位置除塵風速的第二種方法，就是減小吸氣口到切割表面的距離。

就激光切割機而言，提升風道高度，即是縮短風門吸氣口到工作臺距離。同樣我們做了對比測試實驗，在除塵分區和除塵風機不變的情況下，風道高度提升了3 次，對應的實際平均風速測試數據如表1所示。

表1 風速測試數據記錄

由上表可以看出，當H 值成比例遞減時，VX是不斷增大的，但由于激光切割機結構原因，減小H 值是有局限性的，另外，風道的不斷提升，還需要考慮風道避免激光打壞的防護方案，風道最好布置在切割區域以外，尤其是高功率機床。

2.3 降低除塵系統壓力損失

表2 圓管、方管、矩形管的當量直徑與截面周長

由于激光切割機結構限制，用圓管做風道結構難以實現，主體風道一般采用方管和矩形管；

例如250×150 的矩形管和200×200 的方管，矩形管當量直徑0.19m；方管當量直徑0.2m。經測試，在風道長度一定，5000m3/h 的風量下，矩形管單位壓損34.86Pa/m，方管單位壓損26.93Pa/m，降幅達23%。

激光切割機風道管內風速推薦值15～18m/s，根據V=Q/S，可以根據除塵器風量和推薦管內風速值，反查出風道截面選擇是否合理。如果管內風速值過低，管內煙塵容易堆積；相反，管內風速值過高，系統壓力損失就會變高，除塵效率降低。

所以，在除塵器選型時，不僅僅要選擇對應風量的除塵器，還需要考慮激光切割機除塵系統壓力損失，除塵器的入口風壓不能小于激光切割機除塵系統壓損，需要根據廠家提供對應風機的性能曲線圖（圖3）進行選擇，不能以風機功率一概而論。

圖3 莫迪圖

3 總結

（1）國內激光切割機除塵系統的更新速度遠不如激光器功率的發展速度，除塵問題將會在高功率機床上普遍暴露出來。

（2）激光切割機除塵效果還和料斗密封、風道拐角數量等因素有關，所以即使同樣結構除塵系統，不同激光切割機廠家生產的產品，除塵效果也可能大相徑庭。

（3）激光切割產生煙塵量的大小，可能是一直被忽略的問題。激光切割煙塵排放量取決于金屬自身材料特性、加工時切割速度和切割氣壓的參數。針對不同材料設置煙塵排放量最小的切割參數，這也是改善激光切割機除塵效果的重要途徑之一。