激光切割机除尘排烟系统研究与优化

倪振兴，郑 凯，蒋文祥，洪 静

（1.江苏亚威机床机床股份有限公司，江苏 扬州 225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州 225200）

近几年，激光切割行业迅猛发展，各类激光器功率越做最大，随着激光切割厚度、速度的不断提升，单位时间内产生的烟尘量越来越大，如果仍延用原有的激光切割机除尘系统将无法满足正常除尘需求，也达不到政府及行业相应的规范。为提升产品质量、满足客户需求，本文针对6kW 及以上激光切割机除尘系统进行研究与优化。

1 激光切割烟尘危害及排烟机理

1.1 激光切割烟尘危害

激光切割金属板材时释放出的烟尘大致可分为尘埃与气溶胶，其中97%的直径小于5.7μm，这意味着绝大多数烟尘可被人吸入体内。根据切割材料及场景不同，还会产生其他有害物质，比如板材表面有油，还会产生十分复杂的碳氢化合物复合气体；比如板材表面贴膜，切割时会释放出脂族及烯烃化合物，伴随着明显的异味。

激光切割产生的烟尘如果不有效捕捉处理，将会伤害人体和破坏环境。

1.2 激光切割排烟机理

激光切割板材时，一般在切割表面下方通过风机抽风，使切割区域下方形成负压，将切割产生烟尘吸出。目前业内基本采用多分区方式，将有效切割区域多组分区，切割时跟随切割实际位置，打开对应分区风门，从而实现较好的除尘效果。如图1 所示。

图1 激光切割除尘结构示意

根据公式，除尘器所需的风量为：

式中：K 为选型余量系数，≥1.2；H 为实际吸气口距切割位置距离，m；FX为除尘料斗分区面积，m2；VX为切割位置风速，m/s。

由式（1）可见，配备同等风量除尘器的激光切割机，料斗分区面积越小、吸气口距切割距离越近，工作台表面除尘风速就越高，除尘效果越好。

经过各种板材、不同切割参数实验，切割板材表面除尘风速达到0.8～1.2m/s 为最佳，此时除尘效果好，烟尘捕捉成功率达到95%以上，肉眼可分辨无明显冒烟情况；切割板材表面除尘风速如果低于0.5m/s，除尘效果差，切割碳钢板时会有明显冒烟情况；切割板材表面除尘风速如果高于1.2m/s，除尘效果好的同时会吸入更多的火星或者熔渣，对除尘设备造成损坏，甚至会引发火灾。

2 除尘系统结构优化

2.1 减小除尘料斗分区面积

从以上公式可明显看出，在不增加除尘器功率的情况下，想要提升切割位置除尘风速的方法之一，就是减小除尘料斗分区面积。

从该角度出发，我们做了实际对比测试实验，我们将同样切割幅面的机床由原来5 个分区改为6 个分区，改进后，截面长度不变，为2.07m，截面宽度由0.85m 缩小为0.69m，分区面积减小19%，如图2 所示。

图2 除尘分区面积

经测试，在风量、温度、测量位置等其他条件一样的情况下，改进前工作台表面平均风速0.63m/s，改进后平均风速提升至0.75m/s，提升幅度刚好19%左右。因此，在风量LP不变的情况下，减小分区面积，是可以直接提升风速VX的。

但是增加除尘分区，同样会带来一些弊端，比如风门数量增加，漏风点就会变多；控制风门的气缸数量增加，成本提高的同时，故障率可能会变高。所以还需要结合产品的实际定位进行取舍。

2.2 减小吸气口到切割表面的距离

从以上公式可以明显看出，在不增加除尘器功率的情况下，想要提升切割位置除尘风速的第二种方法，就是减小吸气口到切割表面的距离。

就激光切割机而言，提升风道高度，即是缩短风门吸气口到工作台距离。同样我们做了对比测试实验，在除尘分区和除尘风机不变的情况下，风道高度提升了3 次，对应的实际平均风速测试数据如表1所示。

表1 风速测试数据记录

由上表可以看出，当H 值成比例递减时，VX是不断增大的，但由于激光切割机结构原因，减小H 值是有局限性的，另外，风道的不断提升，还需要考虑风道避免激光打坏的防护方案，风道最好布置在切割区域以外，尤其是高功率机床。

2.3 降低除尘系统压力损失

表2 圆管、方管、矩形管的当量直径与截面周长

由于激光切割机结构限制，用圆管做风道结构难以实现，主体风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，矩形管当量直径0.19m；方管当量直径0.2m。经测试，在风道长度一定，5000m3/h 的风量下，矩形管单位压损34.86Pa/m，方管单位压损26.93Pa/m，降幅达23%。

激光切割机风道管内风速推荐值15～18m/s，根据V=Q/S，可以根据除尘器风量和推荐管内风速值，反查出风道截面选择是否合理。如果管内风速值过低，管内烟尘容易堆积；相反，管内风速值过高，系统压力损失就会变高，除尘效率降低。

所以，在除尘器选型时，不仅仅要选择对应风量的除尘器，还需要考虑激光切割机除尘系统压力损失，除尘器的入口风压不能小于激光切割机除尘系统压损，需要根据厂家提供对应风机的性能曲线图（图3）进行选择，不能以风机功率一概而论。

图3 莫迪图

3 总结

（1）国内激光切割机除尘系统的更新速度远不如激光器功率的发展速度，除尘问题将会在高功率机床上普遍暴露出来。

（2）激光切割机除尘效果还和料斗密封、风道拐角数量等因素有关，所以即使同样结构除尘系统，不同激光切割机厂家生产的产品，除尘效果也可能大相径庭。

（3）激光切割产生烟尘量的大小，可能是一直被忽略的问题。激光切割烟尘排放量取决于金属自身材料特性、加工时切割速度和切割气压的参数。针对不同材料设置烟尘排放量最小的切割参数，这也是改善激光切割机除尘效果的重要途径之一。