Il ruolo dei gas ausiliari nella qualità del taglio di una macchina per il taglio laser.

Osservando una macchina per il taglio laser, è facile notare il fascio laser, il rapido movimento del tagliatore e i bordi lisci lasciati dal processo di taglio. In realtà, accade molto di più rispetto al semplice lavoro svolto dal fascio laser. Nel punto in cui il fascio entra in contatto con il materiale, viene soffiato un flusso di gas: questo è il gas ausiliario, ed è molto più critico per la qualità dei tagli di quanto la maggior parte delle persone immagini.

Quando si utilizza una macchina per il taglio laser, il gas ausiliario è una parte fondamentale del processo e influenza la velocità di taglio, la nitidezza dei bordi e la presenza di scorie appese al pezzo in lavorazione. Indipendentemente dal materiale, sono necessari gas diversi, nonché pressioni e portate diverse, a seconda dello spessore del materiale. La scelta corretta determina se il componente ottenuto sarà di qualità oppure richiederà ulteriori operazioni di finitura.

Qual è la funzione dei gas ausiliari? Perché sono importanti?

Il gas ausiliario svolge un ruolo multifunzionale. Innanzitutto, contribuisce a rimuovere il materiale fuso dalla fessura di taglio. Durante il taglio laser, il metallo fuso generato deve essere rimosso dalla zona di taglio per evitare che si solidifichi e comprometta il bordo della fessura. Il gas aiuta a espellere il metallo fuso dalla parte inferiore della fessura. In secondo luogo, protegge le ottiche: il flusso del gas ausiliario mantiene puliti obiettivo e ugello da detriti, scintille e gocce metalliche. Infine, nel caso di alcuni materiali, il gas ausiliario partecipa attivamente al processo di taglio. Ad esempio, la reazione esotermica dell’ossigeno accelera il processo di taglio, mentre l’azoto, che non genera reazioni, contribuisce comunque alla rimozione del metallo dalla fessura.

Per selezionare il gas appropriato per una specifica applicazione, è fondamentale comprendere il ruolo del gas ausiliario. Inoltre, i diversi gas presentano specifiche diverse, tra cui portata, pressione e purezza.

Ossigeno: un gas che genera calore

L'ossigeno è uno dei gas più comunemente utilizzati per il taglio dell'acciaio dolce. Per applicazioni industriali di taglio, la sua purezza è pari ad almeno il 99,5 %. Quando si utilizza ossigeno ad alta purezza, il metallo riscaldato lungo il bordo di taglio inizia a bruciare. Questa combustione fa sì che il metallo rilasci energia, agevolando così il laser di taglio nel tagliare materiali più spessi a una velocità maggiore. La reazione tra l'ossigeno erogato e il precipitato metallico può aumentare la velocità di taglio del 40–50 % rispetto all'uso di gas non reattivi.

Il taglio con ossigeno avviene a bassa pressione, tipicamente compresa tra 0,5 e 5 bar (ovvero tra 7 e 70 PSI). Per acciaio al carbonio spesso da 8 a 22 millimetri, si utilizza una pressione di circa 10 bar e un consumo di gas di circa 20–22 metri cubi all'ora. Per lamiere estremamente spesse, la pressione può rimanere compresa tra 0,05 e 0,07 MPa quando si impiegano ugelli a doppio strato appositamente progettati.

Lo svantaggio dell'uso di ossigeno puro è legato a una reazione nota come "bordo ossidato". Questo bordo ossidato lascia uno strato scuro di ossido che potrebbe richiedere una pulizia preliminare prima di poter essere verniciato o saldato. Il bordo può risultare leggermente più ruvido rispetto all'uso degli altri gas. Per quanto riguarda la capacità di taglio con ossigeno, in termini di velocità e spessore, questa rappresenta generalmente l'opzione migliore per l'acciaio dolce nella maggior parte dei laboratori di fabbricazione.

Azoto: il gas per bordi puliti

Rispetto all'ossigeno, l'azoto è un gas inerte e richiede una purezza pari o superiore al 99,95% per il taglio laser. La maggior parte degli operatori preferisce e utilizza un'azoto con purezza del 99,99%. Per la maggior parte delle applicazioni, tale livello di purezza è sufficiente ed economicamente più vantaggioso. L'azoto semplicemente espelle il materiale fuso dalla zona di taglio, garantendo una superficie pulita.

Poiché l'azoto dipende dalla forza meccanica e la utilizza, richiede pressioni significativamente più elevate. I tipici intervalli di lavoro vanno da 10 a 20 bar, ovvero da 150 a 300 PSI. Per il taglio di spessori inferiori a 8 mm, è comune impiegare pressioni di circa 15 bar abbinata a una portata di 50 metri cubi all’ora. Per spessori compresi tra 12 e 15 mm, sono necessarie pressioni comprese tra 15 e 22 bar, con portate di 120 metri cubi all’ora. Per la sezione più spessa, pari a 22 mm, le pressioni tipiche variano da 22 a 30 bar (ovvero da 319 a 435 PSI) e le portate raggiungono i 150 metri cubi all’ora.

Quando si taglia l'acciaio inossidabile e l'alluminio con azoto, il bordo risulta lucido e privo di ossidazione, scolorimento e incrostazioni. I pezzi tagliati sono pronti per la saldatura e la verniciatura direttamente dalla macchina. Lo svantaggio è rappresentato da velocità di taglio più lente con l'azoto e da un consumo di gas molto più elevato. Ad esempio, una bombola da 40 litri di azoto a una pressione di 15 MPa e purezza del 99,99 % durerà soltanto 35 minuti durante il taglio con un ugello da 2,0 mm a una pressione di 1,2 MPa. Ciò risulta particolarmente rilevante nella produzione su larga scala.

Aria compressa: l'opzione di compromesso

L'aria compressa è l'alternativa più economica ed è un vero e proprio compromesso. La composizione dell'aria compressa è costituita per circa il 78% da azoto e per il 21% da ossigeno, con una piccola percentuale di altri gas. Questo spiega perché si verifica una certa ossidazione dovuta alla componente di ossigeno, ma in misura minore rispetto all'ossigeno puro. I bordi di taglio saranno più puliti rispetto a quelli ottenuti con ossigeno, ma non altrettanto puliti rispetto a quelli ottenuti con azoto. Le velocità di taglio con aria compressa sono migliori, ma non tanto quanto con gli altri due gas.

Se è necessario tagliare materiali sottili dello spessore di 3–4 mm e la qualità non è un fattore determinante, l'utilizzo dell'aria compressa rappresenta un buon modo per risparmiare. Gli unici costi ricorrenti sono quelli relativi all'energia necessaria per far funzionare il compressore d'aria e quelli legati alla manutenzione del sistema di filtraggio del compressore d'aria.

Tuttavia, l'uso dell'aria compressa per operazioni di taglio comporta un elevato rischio. L'aria contiene numerosi contaminanti, come polvere, acqua e olio, che possono danneggiare le ottiche e compromettere la qualità del taglio. Per evitare questo tipo di problema, sarà necessario installare ulteriore attrezzatura in grado di proteggere le ottiche e garantire la qualità del taglio. Per quanto riguarda i filtri dell'aria, gli standard di settore raccomandano che l'aria compressa utilizzata contenga al massimo 0,01 ppm di olio e presenti un punto di rugiada pari a 10 gradi Celsius o inferiore. Di conseguenza, sarà necessario impiegare un sistema di filtrazione multistadio di alta qualità, il quale risulta molto costoso.

Gas speciali come l'argon vengono utilizzati per il taglio del titanio e delle sue leghe. Questi processi richiedono un ambiente sicuro, che l'argon garantisce essendo un gas inerte. Un gas inerte è un gas che non reagisce con la maggior parte dei materiali durante il processo. Per le operazioni di taglio del titanio, la purezza dell'argon deve essere pari al 99,99%. Inoltre, la pressione del gas deve superare 1,2 MPa per pezzi di titanio più spessi.

Esistono specifiche miscele di gas personalizzate progettate per usi particolari, ma per la maggior parte dei laboratori i componenti gassosi più utilizzati sono ossigeno, azoto e aria, che coprono la stragrande maggioranza dei lavori.

Purezza e standard di qualità dei gas

La purezza del gas non è solo una specifica tecnica, ma un elemento fondamentale che influenza direttamente la qualità del taglio. Per quanto riguarda l’azoto, la presenza anche di tracce di ossigeno provoca la discolorazione dei bordi dell’acciaio inossidabile, vanificando completamente lo scopo per cui si utilizza l’azoto. Per l’ossigeno, le impurità riducono l’efficienza della reazione esotermica, rallentando il processo di taglio e degradando la qualità dei bordi.

Di seguito sono riportati i requisiti comuni per i diversi tipi di gas utilizzati nel settore:

Il livello di filtrazione e la variabilità della qualità dell’aria sono entrambi fattori critici.

Tabelle dei parametri pratici per materiali comuni

Sebbene il tipo di gas compresso influisca effettivamente sulla qualità del taglio, anche la pressione e la portata sono fattori determinanti. Se la pressione è troppo bassa, il materiale fuso non verrà rimosso e si formerà bava sul bordo inferiore del taglio. Se la pressione è troppo elevata, il taglio potrebbe essere compromesso, potrebbero generarsi turbolenze e il materiale potrebbe subire un raffreddamento eccessivo.

La portata del flusso di azoto all'interno del taglio, in particolare, è un fattore critico. Il consumo di gas viene registrato in litri al minuto o in metri cubi all'ora ed è influenzato in misura notevole dalle dimensioni dell'ugello e dalla pressione utilizzata. Ad esempio, una bombola di azoto da 40 litri a una pressione di 15 MPa durerà soltanto circa 13 minuti quando si utilizza un ugello da 4,0 millimetri a una pressione di 0,6 MPa, mentre durerà 35 minuti con un ugello da 2,0 millimetri a una pressione di 1,2 MPa. Questo è anche il motivo per cui la scelta dell'ugello rappresenta un fattore così importante nella determinazione dei costi operativi.

Esistono diversi fattori da considerare per determinare come impostare il punto di messa a fuoco o la profondità di taglio ottimale della macchina. Il fondo del taglio dipenderà dallo spessore del materiale da tagliare. Un fondo di una scanalatura più profonda richiederà un'espulsione del metallo fuso a una velocità maggiore, il che comporterà la necessità di impostare una pressione più elevata. Maggiore è la pressione applicata al sistema, maggiore sarà il suo consumo; pertanto, individuare la pressione minima efficace per il lavoro rappresenta il metodo più efficace per controllare i costi.

Risoluzione dei problemi relativi ai gas

Se il taglio che state eseguendo non è corretto, il primo aspetto da verificare è il gas. La presenza di scorie sul fondo indica generalmente una pressione insufficiente oppure l’impiego di un gas non adatto al materiale in uso. Effettuate regolazioni incrementali di 0,5 bar per verificare se si ottiene un miglioramento.

Se si osserva una discolorazione sul taglio dell'acciaio inossidabile durante l'uso del gas azoto, ciò indica che il gas sta penetrando nella zona contaminata del taglio. È necessario verificare la purezza del gas e controllare la presenza di eventuali perdite lungo il circuito di alimentazione del gas. Inoltre, la bocchetta non deve presentare danni. Una colorazione gialla o blu chiaro indica che il gas è contaminato.

La ruvidità dei bordi del taglio può indicare la formazione di turbolenze causate da una bocchetta danneggiata oppure da una pressione eccessiva nel sistema. È necessario ispezionare l’orifizio della bocchetta per verificare la presenza di deformazioni o danni. I bordi del taglio devono essere uniformi, il che significa che anche il flusso del gas deve essere uniforme. Se il taglio viene eseguito nella parte terminale della lamiera metallica, occorre altresì verificare il flusso del gas per accertare la presenza di eventuali ostruzioni nel circuito di alimentazione.

Il lato dei costi dei gas ausiliari

I gas di assistenza rappresentano un altro costo operativo, in quanto vengono acquistati in base al volume utilizzato durante la produzione. I gas azoto sono i più costosi: infatti, un aumento del 25 percento o superiore dei costi operativi può verificarsi a causa dei tassi di consumo dell'azoto, qualora la pressione sia impostata soltanto 4 bar superiore rispetto a quella necessaria. Nel frattempo, l'ossigeno è meno costoso dell'azoto e, purché siano disponibili il compressore e il sistema di filtrazione, l'aria può essere utilizzata gratuitamente.

Tuttavia, il costo del gas rappresenta solo una parte del costo totale. Va inoltre considerato il fattore tempo. Un taglio più rapido con un gas ausiliario ossigeno potrebbe comportare un risparmio sui costi di manodopera tale da compensare la riduzione della qualità del taglio. D’altra parte, l’uso di un gas ausiliario azoto potrebbe produrre un taglio più pulito, riducendo così la quantità di operazioni di finitura post-taglio — come rettifica, sabbiatura o altre lavorazioni — che potrebbero essere necessarie. Si raccomanda pertanto di analizzare il costo totale di ciascun componente prodotto, anziché concentrarsi esclusivamente sul consumo di gas ausiliari.

In che modo DP Laser vi aiuta a ottenere il risultato corretto

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I gas di assistenza sono una parte fondamentale del processo di taglio, influenzando velocità, qualità e costo. Per scegliere i gas più adatti ai vostri processi di taglio, dovrete considerare la composizione del gas, la sua purezza, la pressione e la portata in relazione al materiale che state tagliando. Prendetevi il tempo necessario per analizzare le esigenze della vostra macchina ed effettuate alcuni test, prendendo appunti. Contattateci se avete bisogno di assistenza. Una corretta configurazione dei gas avrà un impatto significativo sui materiali prodotti dalla vostra macchina.