近年來，激光技術(shù)在金屬板材切割領(lǐng)域得到廣泛應用，國產(chǎn)數(shù)控激光切割機發(fā)展迅速。但與此同時，生產(chǎn)廠家對激光切割金屬板材產(chǎn)生的煙塵及對人體與環(huán)境的危害，一直缺少認識和研究。
一、激光切割原理及煙塵分析
1.激光切割原理
金屬板材激光切割原理有熔化切割及氧化熔化切割兩種。熔化切割的規(guī)理可以概括為：當入射的激光束功率密度超過某一閾值后，光束照射點處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的惰性輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料驅(qū)除帶走。隨著工件與光束之間的相對移動，即形成害縫。氮氣作為輔助氣體切割不銹鋼板就是這種機理。氧化熔化切割為使用氧氣作為輔助氣體，材料在激光束照射下被點燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學反應釋放出大量的能量而產(chǎn)生另一種熱源，因此，氧化熔化切割過程存在兩個熱源，即激光照射能和氧氣與金屬化學反應釋放能。切割碳鋼板時，化學能約占切割所需能量的60％。氧化熔化切割能獲得較快的速度。碳鋼板主要采取氧氣熔化切割。
 
2.激光切割煙塵組分
熔化切割機理下，所釋放的煙塵主要為板材金屬塵埃及煙霧。氧氣熔化切割機理下，根據(jù)材料的不同，所釋放的煙塵主要為氧化鐵、氧化鋅等金屬氧化物顆粒。根據(jù)切割工藝的需要，切割前有時需要在板面上噴油，大多采用普通潤滑油，這樣切割時，將會產(chǎn)生十分復雜的碳氫化合物復合氣體及塵埃。通常有：甲苯、二甲苯、甲醛、乙苯、乙酸鹽、丙酮、丙酮醛、丁醇、丁乙酸鹽、癸烷等等。在切割表面貼聚乙烯保護膜板材時，主要釋放出脂族及烯烴化合物，會感到明顯的異味。
3.激光切割煙塵顆粒大小
金屬材料激光切割時，釋放出煙塵顆粒大小可分為塵埃(顆粒大小超過1mm)、氣溶膠(顆粒小于1mm，氣溶膠是一種含有細微分布的固體或液體氣體)及氣體，其中97％的顆粒直徑小于5.7mm。
4.激光切割煙塵排放量
煙塵排放量取決于金屬材料加工時切削速度和切削氣壓的參數(shù)，參數(shù)設置最佳則排放量最小。除切削參數(shù)外，工件材料對排放量有顯著的影響。以切割6mm厚低碳鋼板為例，每切割1m煙塵排放量為440mg；切割6mm厚鉻鎳材料或鍍鋅鋼板，每切割1m煙塵排放量為2000mg，后者煙塵排放量為前者的四倍多。以切割6mm厚低碳鋼板為例，切割速度為1.5m/min時，每小時可釋放39.6g煙塵，以每天工作16h計，每月可釋放19kg煙塵進人生產(chǎn)環(huán)境。如果沒有除塵裝置或除塵效果不好，工作環(huán)境中的顆粒濃度將大大超出《大氣污染物綜合排放標準》GB162971996中規(guī)定——顆粒物排放最大值150mg/m3。
二、激光切割機除塵機機理方案
激光切割機的除塵原理是將切割區(qū)域封閉，然后用風機排風，使切割區(qū)域形成負壓，將煙塵排除。其中，除塵器處理風量：
 
式中：
H-吸氣口距切割位置距離，m；
F-吸氣口面積，m2；
V-切割位置風速，m/s。
由式中可見，F(xiàn)越小，則所需除塵器功率越小。或者說，采用同等功率的除塵器，F(xiàn)越小，則V越大，即除塵效率越高。據(jù)此原理，進口激光切割機把工作臺面分割為幾部分，在每部分上開有許多風道，通過數(shù)控系統(tǒng)及控制元件，切割時開啟切割區(qū)域內(nèi)的風道，這樣Fx值大大降低，抽取效率提高幾倍。國產(chǎn)激光切割機為了追求機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的低成本，通常在3m~1.5m工作臺面上只是分為簡單兩部分或不分割，除塵效果不理想。
在除塵器的選擇上，進口激光切割機選用多濾芯、外加濾芯反吹清潔系統(tǒng)的除塵器，高效低耗，濾芯壽命長，但價格昂貴，動輒幾萬至十幾萬人民幣。國內(nèi)激光切割機制造廠家對除塵設備的選用較為隨意，雖然已經(jīng)開始有廠家配備加濾芯的除塵器，但大部分廠家還只是采用千元左右的除塵風機抽風除塵，然后不經(jīng)任何過濾處理直接排放到室外。更令人擔憂的是現(xiàn)在市場上出現(xiàn)越來越多的中小功率激光器的低端激光切割機甚至不配備任何除塵系統(tǒng)。
三、激光切割煙塵對人體危害
激光切削金屬板材時，產(chǎn)生的氣溶膠和塵埃，97％的直徑小于5.7μm，這意味著絕大多數(shù)煙塵可被人體吸人體內(nèi)。根據(jù)切割材料的不同，有的煙塵還會產(chǎn)生鉻酸鹽等致癌物質(zhì)，如不銹鋼切割。同時，由于板面噴油及板面貼聚乙烯膜產(chǎn)生的復雜碳氫化合物均會傷害人體及破壞環(huán)境。
四、激光切割現(xiàn)場塵埃防護現(xiàn)狀
目前，在國產(chǎn)激光切割機切割操作現(xiàn)場，除塵系統(tǒng)極不完善，從業(yè)人員基本沒有關(guān)于呼吸道的防護用品。加之國產(chǎn)激光切割機應用范圍小、操作人員流動性大，對從業(yè)人員的職業(yè)病防治及認定，僅僅限于眼睛、皮膚等輻射傷害。
五、結(jié)語
(1)國產(chǎn)激光切割機除塵系統(tǒng)與國外相比差距大，大大影響了國產(chǎn)激光切割機在國際市場的競爭力，這種情況目前有進一步惡化的趨勢，業(yè)內(nèi)人士必須有清醒認識。(2)國內(nèi)激光切割機用戶對激光切割煙塵危害了解和認識不夠，需要加大宣傳與引導，充分了解煙塵的危害，抵制無除塵系統(tǒng)或低成本除塵系統(tǒng)的切割機床進入市場。