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除尘系统在激光切割中的应用

作者:广州新瑞环保     来源:www.xinruiep.com     发布时间:2018-04-11 10:14:58

1前言

近年来,激光技术在金属板材切割领域得到广泛应用,国产数控激光切割机发展迅速。但与此同时,生产厂家对激光切割金属板材产生的烟尘及对人体与环境的危害,一直缺少认识和研究。不仅少见有关报道及论述,政府和行业组织对此也缺少相应的规范。

2激光切割原理及烟尘分析

2.1激光切割原理

金属板材激光切割原理有熔化切割及氧化熔化切割两种。熔化切割的规理可以概括为:当入射的激光束功率密度超过某一阈值后,光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这种小孔形成,它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围,然后,与光束同轴的惰性辅助气流把孔洞周围的熔融材料驱除带走。随着工件与光束之间

的相对移动,即形成害缝。氮气作为辅助气体切割不锈钢板就是这种机理。氧化熔化切割为使用氧气作为辅助气体,材料在激光束照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应释放出大量的能量而产生另一种热源,因此,氧化熔化切割过程存在两个热源,即激光照射能和氧气与金属化学反应释放能。切割碳钢板时,化学能约占切割所需能量的60%。氧化熔化切割能获得较快的速度。碳钢板主要采取氧气熔化切割。

激光切割机

2.2激光切割烟尘组分

熔化切割机理下,所释放的烟尘主要为板材金属尘埃及烟雾。氧气熔化切割机理下,根据材料的不同,所释放的烟尘主要为氧化铁、氧化锌等金属氧化物颗粒。

根据切割工艺的需要,切割前有时需要在板面上喷油,大多采用普通润滑油,这样切割时,将会产生十分复杂的碳氢化合物复合气体及尘埃。通常有:甲苯、二甲苯、甲醛、乙苯、乙酸盐、丙酮、丙酮醛、丁醇、丁乙酸盐、癸烷等等。在切割表面贴聚乙烯保护膜板材时,主要释放出脂族及烯烃化合物,会感到明显的异味。

2.3激光切割烟尘颗粒大小

金属材料激光切割时,释放出烟尘颗粒大小可

分为尘埃(颗粒大小超过1μm)、气溶胶(颗粒小于1μm,气溶胶是一种含有细微分布的固体或液体气体)及气体,其中97%的颗粒直径小于5.7μm。

2.4激光切割烟尘排放量

烟尘排放量取决于金属材料加工时切削速度和切削气压的参数,参数设置最佳则排放量最小。除切削参数外,工件材料对排放量有显著的影响。以切割6mm厚低碳钢板为例,每切割1m烟尘排放量为440mg;切割6mm厚铬镍材料或镀锌钢板,每切割1m烟尘排放量为2000mg,后者烟尘排放量为前者的四倍多。以切割6mm厚低碳钢板为例,切割速度

为1.5m/min时,每小时可释放39.6g烟尘,以每天工作16h计,每月可释放19kg烟尘进人生产环境。如果没有除尘装置或除尘效果不好,工作环境中的颗粒浓度将大大超出《大气污染物综合排放标准》GB16297—1996中规定——颗粒物排放最大值150mg/m3。

3激光切割机除尘机机理方案

激光切割机的除尘原理是将切割区域封闭,然后用风机排风,使切割区域形成负压,将烟尘排除。其中,除尘器处理风量:

除尘器处理风量的公式

式中:

  • H-吸气口距切割位置距离,m;

  • F-吸气口面积,m2;

  • V-切割位置风速,m/s。

由式中可见,F越小,则所需除尘器功率越小。或者说,采用同等功率的除尘器,F越小,则V越大,即除尘效率越高。

据此原理,进口激光切割机把工作台面分割为几部分(图1),在每部分上开有许多风道,通过数控系统及控制元件,切割时开启切割区域内的风道,这样Fx值大大降低,抽取效率提高几倍。国产激光切割机为了追求机械结构及控制系统的低成本,通常在3m~1.5m工作台面上只是分为简单两部分或不分割,除尘效果不理想。在除尘器的选择上,进口激光切割机选用多滤芯、外加滤芯反吹清洁系统的除尘器,高效低耗,滤芯寿命长,但价格昂贵,动辄几万至十几万人民币。国内激光切割机制造厂家对除尘设备的选用较为随意,虽然已经开始有厂家配备加滤芯的除尘器,但大部分厂家还只是采用千元左右的除尘风机抽风除尘,然后不经任何过滤处理直接排放到室外。

更令人担忧的是现在市场上出现越来越多的中小功率激光器的低端激光切割机甚至不配备任何除尘系统。

某欧洲品牌的激光切割机,3m×1.5m工作台面 ,切割区域分为五部分

图1:某欧洲品牌的激光切割机,3m×1.5m工作台面 ,切割区域分为五部分


4激光切割烟尘对人体危害

激光切削金属板材时,产生的气溶胶和尘埃,97%的直径小于5.7μm,这意味着绝大多数烟尘可被人体吸人体内。根据切割材料的不同,有的烟尘还会产生铬酸盐等致癌物质,如不锈钢切割。同时,由于板面喷油及板面贴聚乙烯膜产生的复杂碳氢化合物均会伤害人体及破坏环境。

5激光切割现场尘埃防护现状

目前,在国产激光切割机切割操作现场,除尘系统极不完善,从业人员基本没有关于呼吸道的防护用品。加之国产激光切割机应用范围小、操作人员流动性大,对从业人员的职业病防治及认定,仅仅限于眼睛、皮肤等辐射伤害。迄今为止,操作人员呼吸道疾病的防治,还没有提上议事日程。

6结束语

  • (1)国产激光切割机除尘系统与国外相比差距大,大大影响了国产激光切割机在国际市场的竞争力,这种情况目前有进一步恶化的趋势,业内人士必须有清醒认识。

  • (2)国内激光切割机用户对激光切割烟尘危害了解和认识不够,需要加大宣传与引导,充分了解烟尘的危害,抵制无除尘系统或低成本除尘系统的机床进入市场。

  • (3)呼吁政府和相关行业组织尽快制定相应的激光加工生产规范,制定激光加工职业病防治标准和具体实施条例。

有关更多信息,请咨询我们的工程师13322814846。



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