レーザー切断機の除塵・排煙システム

レーザーで厚い金属を切断するとき、有害な煙やほこりに包まれることを想像してみてほしい。これが今日のレーザー切断業界の現実です。私たちの記事では、この問題に取り組み、より安全な環境と規制の遵守を保証する高度な除塵・排煙システムについてご紹介します。読み進めることで、空気品質を改善し、高出力レーザー切断機の効率的なオペレーションを維持するための革新的なソリューションを発見できるでしょう。

目次

1.レーザー切断の煙と粉塵の危険性と排煙メカニズム

近年、レーザー切断産業は急速に発展し、各種レーザーの出力はますます大きくなっている。

レーザー切断の厚みと速度の継続的な向上に伴い、単位時間当たりの発煙・発塵量は増加している。

レーザー切断機の元の除塵システムがまだ使用されている場合、それは通常の除塵ニーズを満たすことができず、政府と業界の対応する規制を満たすことができません。

製品の品質を向上させ、顧客のニーズに応えるため、本稿では、以下のような除塵システムの研究と最適化に焦点を当てる。 レーザー切断 6kW以上のマシン。

1.1 レーザー切断の煙と粉塵の危険性

のレーザー切断時に放出される煙と粉塵は、その原因となっている。 メタルシート は粉塵とエアロゾルに大別されるが、そのうち97%は直径5.7μm以下であり、煙や粉塵のほとんどは人体が吸い込むことができる。

切断材料や場面によっては、他の有害物質も発生する可能性がある。

例えば、シートの表面に油があれば、非常に複雑な炭化水素化合物のガスが発生し、シートの表面にフィルムがあれば、切断によって脂質やオレフィン系化合物が放出され、顕著な臭気を伴う。

レーザー切断時に発生する煙や粉塵を効果的に捕集し、処理しなければ、人体に害を及ぼし、環境を破壊することになる。

1.2 レーザー切断の排煙メカニズム

期間中 金属のレーザー切断 シートは、ファンによる空気抜きで切断面の下方に負圧を形成し、切断時に発生する煙や粉塵を吸引する。

現在、業界では一般的にマルチパーティション方式が採用されている。有効切断エリアを複数のゾーンに分割し、実際の切断位置に応じて対応するダンパーを開くことで、より優れた除塵効果を実現している。これを図1に示す。

図1-レーザー切断の除塵構造の模式図。

計算式によると、集塵機に必要な風量は次のようになる:

Lp=K×3600(5H2+Fx)Vx (m3/h) (1)

ここで、Kは選択余裕係数であり、≧1.2である;Hは実際の吸引口から切断位置までの距離であり、単位はメートルである;Fx はダストホッパーの仕切り面積(平方メートル)、Vx は切断位置の風速で、単位はメートル毎秒。

式(1)より、同じ風量の集塵機を搭載したレーザー切断機では、ホッパーの仕切り面積が小さいほど、また吸引口が切断距離に近いほど、ワークテーブル表面での除塵風速が高くなり、除塵効果が向上することがわかる。

さまざまな実験を通して 板金 と切断パラメーターの最適な切断板表面の除塵風速は0.8~1.2m/sである。この場合、粉塵除去効果は良好で、煙と粉塵の捕獲成功率は95%以上である。肉眼や肺で見ても明らかな発煙はない。まな板表面の除塵風速が0.5m/sより低い場合、除塵効果が悪く、炭素鋼板を切断する時、明らかな発煙がある。まな板表面の除塵風速が1.2m/sより高い場合、除塵効果は良いが、火花やスラグを多く吸い込み、まな板に損傷を与える。 除塵装置また、火災の原因にもなる。

2.除塵システムの構造最適化

2.1 ダストホッパーの仕切り面積を小さくする

上式から、集塵機の出力を上げずに切断位置での除塵風速を上げる方法の一つは、ダストホッパーの仕切り面積を小さくすることであることは明らかである。

この観点から、実用的な比較テストと実験を行った。同じ切断範囲の機械を5分割から6分割に変更した。改善後、図2に示すように、セクション長は2.07mで変わらず、セクション幅は0.85mから0.69mに縮小し、パーティション面積は19%減少した。

図2 - 除塵パーティションエリア
 (a) 改善前 (b) 改善後

試験によると、風量、温度、測定位置が同じ条件下で、改善前の作業台表面の平均風速は0.63m/sであったのに対し、改善後は0.75m/sとなり、約19%増加した。

したがって、パーティション面積を小さくすることは、直接的に風速Vx 風量Lp は変わらない。

しかし、除塵パーティションを増やすと、エアゲートの数が増えてエア漏れが増える、エアゲートを制御するシリンダーの数が増えてコストが上がる、故障の可能性が高まる、などのデメリットも生じる。

従って、製品の実際の位置づけに基づいた選択が必要である。

2.2 吸引口と切断面の距離を縮める

上式から、集塵機の出力を上げずに切断位置での除塵風速を上げる第二の方法は、吸引口と切断面との距離を小さくすることであることは明らかである。

レーザー切断機の場合、エアダクトの高さを高くするということは、エアゲートの吸引口からワークテーブルまでの距離を短くするということである。

また、除塵パーティションと除塵ファンを同条件で比較試験実験を行った。ダクト高さを3倍にした場合の実測平均回転数データを表1に示す。

表からわかるように、H値が比例して小さくなると、Vx が連続的に増加する。しかし、レーザー切断機の構造上の制約から、H値を小さくするには限界がある。

また、エアダクトの高さがどんどん高くなっていくので、レーザーがエアダクトを傷つけないような保護方式を考える必要がある。特に高出力機の場合、エアダクトは切断エリア外に配置する必要がある。

表1-風速テストデータ記録

 ファウンデーションオプション1オプション2オプション3
作業テーブル表面の実際の平均風速 Vx (m/s-1)0.520.630.740.84
作業台表面から吸引口までの距離 H /m0.60 0.50 0.400.30
テストファン風量 Lp (m3/h-36000600060006000

2.3 除塵システムの圧力損失の低減

ムーディー・チャートによると、途中の減衰係数λはレイノルズ数Reと比ε/d(ここでεはダクト壁の絶対粗さ、dはパイプの等価直径)によって決定できる。

λが大きければ大きいほど、途中での圧力損失は大きくなる。

実際のエアダクト内の空気の流れと合わせると、エアダクトの等価直径dが大きいほどλは小さくなり、表面積s(長さ、断面円周cは一定)が小さいほど摩擦損失は小さくなることがわかる。

したがって、途中の圧力損失を減らすという観点からは、まず丸パイプが好まれ、次に角パイプ、そして角パイプの順となる。

表2に示すように、同じ断面積では丸パイプの等価直径が最も大きく、パイプ内部の表面積が最も小さい。

表2 丸パイプ、角パイプ、角パイプの等価直径と断面円周。

パイプライン円形パイプ
(Φ,114)  
角パイプ
(100×100)   
長方形チューブ
(150×67)
等価直径 d  114100 92
断面円周率 c354400434

レーザー切断機の構造上の制約から、エアダクト構造に円形パイプを使用することは難しい。

メインダクトには一般的に角管と角管が使われる。例えば、250×150の角管と200×200の角管が使われる。

角管の等価直径は0.19m、角管の等価直径は0.2mである。試験の結果、風量5000m3/h、ダクトの長さが一定の場合、角管の単位圧力損失は34.86Pa/m、角管の単位圧力損失は26.93Pa/mとなり、23%の低減となった。

レーザー加工機のエアダクト内の風速の推奨範囲は15~18m/sである。

V=Q/Sの式により、集塵機の風量とダクト内の推奨風速により、ダクト断面の選定が妥当か否かを確認することができる。

ダクト内の風速が低すぎると、ダクト内に煙や粉塵がたまりやすくなり、逆にダクト内の風速が速すぎると、システムの圧力損失が大きくなり、除塵効率が低下する。

したがって、集塵機を選定する際には、風量に対応した集塵機を選定するだけでなく、レーザー加工機の除塵システムの圧力損失を考慮する必要があります。集塵機の入口風圧は、レーザー加工機の除塵システムの圧力損失以下であってはならない。

メーカーが提供するファンの対応する性能曲線(図3参照)を選択することが必要であり、ファンの出力だけで一般化しないこと。

図3:モディ・ダイアグラム

3.概要

(1)国内レーザー加工機の除塵システムの更新スピードは、レーザー加工機の開発スピードに大きく遅れをとっている。 レーザー出力.粉塵除去の問題は、高出力機で露呈する。

(2)レーザー切断機の除塵効果は、ホッパーのシールやエアダクトの曲がり数などの要因も関係している。そのため、同じ構造の除塵システムであっても、製造される製品が異なれば、除塵効果も異なる。 レーザー切断機メーカー は大きく異なるかもしれない。

(3)レーザー切断で発生する煙や粉塵の量は、これまで無視されてきた問題かもしれない。レーザー切断で発生する煙や粉塵の量は、金属自体の材料特性や、加工時の切断速度や切断圧力のパラメータに依存する。材料ごとに発煙・発塵を最小限に抑える切断パラメータを設定することも、レーザー切断機の除塵効果を高める重要な方法である。

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シェーン
著者

シェーン

MachineMFG創設者

MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。

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