Rola gazów wspomagających w jakości cięcia wykonywanego przez maszynę do cięcia laserowego.

Obserwując pracę maszyny do cięcia laserowego, łatwo można zauważyć wiązkę lasera, szybki ruch głowicy tnącej oraz gładkie krawędzie pozostawiane przez urządzenie. Dzieje się tam znacznie więcej niż tylko działanie wiązki lasera. W miejscu, w którym wiązka styka się z materiałem, przepływa strumień gazu – jest to gaz wspomagający, który ma większy wpływ na jakość cięć, niż większość osób sobie wyobraża.

Podczas pracy na maszynie do cięcia laserowego gaz wspomagający jest nieodłącznym elementem procesu i wpływa na prędkość cięcia, wyraźność krawędzi oraz występowanie grudek (tzw. dross) przyczepionych do obrabianego przedmiotu. Niezależnie od rodzaju materiału wymagane są różne gazy oraz różne ciśnienia i przepływy, w zależności od grubości materiału. Poprawny dobór tych parametrów decyduje o tym, czy uzyskasz detal wysokiej jakości, czy też taki, który wymaga dodatkowej obróbki.

Do czego służą gazy wspomagające? Dlaczego są one ważne?

Gaz wspomagający pełni wiele funkcji. Po pierwsze pomaga usuwać stopiony materiał z szczeliny cięcia. Podczas cięcia laserowego powstający stopiony metal musi być usuwany ze szczeliny, aby zapobiec jego zakrzepnięciu i uszkodzeniu krawędzi szczeliny. Gaz wspomagający usuwa stopiony metal z dna szczeliny. Po drugie chroni optykę: przepływ gazu wspomagającego utrzymuje soczewkę i dyszę w czystości, chroniąc je przed kurzem, iskrami i kroplami metalu. Wreszcie, w przypadku niektórych materiałów gaz wspomagający uczestniczy w procesie cięcia. Na przykład egzotermiczna reakcja tlenu przyspiesza proces cięcia. Bezreakcyjny azot również wspomaga usuwanie metalu ze szczeliny.

Aby wybrać odpowiedni gaz do konkretnego zastosowania, ważne jest zrozumienie roli gazu wspomagającego. Ponadto różne gazy mają różne parametry techniczne, takie jak przepływ, ciśnienie i czystość.

Tlen: gaz generujący ciepło

Tlen jest jednym z najczęściej stosowanych gazów do cięcia stali węglowej. W przemysłowych zastosowaniach cięcia jego czystość wynosi co najmniej 99,5%. Gdy stosuje się tlen o wysokiej czystości, nagrzany metal na krawędzi cięcia zaczyna się spalać. Ta reakcja spalania powoduje wydzielanie energii przez metal i wspomaga laser cięcia, umożliwiając cięcie grubszych materiałów z większą prędkością. Reakcja między strumieniem tlenu a stopionym metalem pozwala zwiększyć prędkość cięcia o 40–50% w porównaniu z użyciem gazów niereagujących.

Cięcie tlenem odbywa się przy niskim ciśnieniu, zwykle w zakresie od 0,5 do 5 barów (czyli 7–70 PSI). Dla grubej stali węglowej o grubości 8–22 mm stosuje się ciśnienie około 10 barów oraz zużycie gazu w zakresie około 20–22 m³/h. Dla bardzo grubych płyt ciśnienie może pozostawać w zakresie 0,05–0,07 MPa przy użyciu specjalnie zaprojektowanych dysz dwuwarstwowych.

Wadą stosowania czystego tlenu jest efekt reakcji znanej jako utleniona krawędź. Utleniona krawędź pozostawia ciemną warstwę tlenków, którą należy często usunąć przed malowaniem lub spawaniem. Krawędź może być nieco bardziej szorstka niż przy użyciu innych gazów. Możliwości cięcia gazem tlenu pod względem prędkości i maksymalnej grubości materiału są zazwyczaj najlepszym wyborem dla stali węglowej w większości warsztatów produkcyjnych.

Azot: gaz zapewniający czyste krawędzie

W porównaniu z tlenem azot jest gazem obojętnym i wymaga czystości wynoszącej co najmniej 99,95% do cięcia laserowego. Większość użytkowników preferuje i stosuje azot o czystości 99,99%. Dla większości zastosowań jest to wystarczające i ekonomicznie bardziej opłacalne rozwiązanie. Azot po prostu wypycha stopiony materiał z linii cięcia, zapewniając czystą powierzchnię.

Ponieważ azot zależy od siły mechanicznej i wykorzystuje ją, wymaga on znacznie wyższego ciśnienia. Typowe zakresy robocze mieszczą się w przedziale od 10 do 20 barów, czyli od 150 do 300 PSI. Przy cięciu materiałów o grubości mniejszej niż 8 mm powszechne jest stosowanie ciśnienia 15 barów w połączeniu z przepływem 50 metrów sześciennych na godzinę. Dla grubości od 12 do 15 mm konieczne jest ciśnienie od 15 do 22 barów przy przepływie 120 metrów sześciennych na godzinę. W przypadku najgrubszych elementów o grubości 22 mm typowym jest ciśnienie od 22 do 30 barów (czyli od 319 do 435 PSI) oraz przepływ 150 metrów sześciennych na godzinę.

Podczas cięcia stali nierdzewnej i aluminium azotem krawędź jest błyszcząca oraz pozbawiona utlenienia, przebarwień i skorupki. Wykrojone elementy są gotowe do spawania i malowania bezpośrednio po maszynie. Wadą jest wolniejsza prędkość cięcia przy użyciu azotu oraz znacznie wyższe zużycie gazu. Na przykład butelka azotu o pojemności 40 litrów pod ciśnieniem 15 MPa i czystości 99,99% wystarczy zaledwie na 35 minut cięcia przy zastosowaniu dyszy o średnicy 2,0 mm i ciśnieniu 1,2 MPa. Jest to istotne w przypadku produkcji wysokogłównościowej.

Powietrze sprężone: opcja kompromisowa

Sprężone powietrze jest tańszą alternatywą i stanowi dosłowny kompromis. Skład sprężonego powietrza to około 78 procent azotu i 21 procent tlenu oraz niewielki udział innych gazów. Dlatego też dochodzi do pewnego stopnia utleniania z powodu składnika tlenu, ale w mniejszym stopniu niż przy użyciu czystego tlenu. Krawędzie cięcia będą czystsze niż przy użyciu tlenu, ale nie tak czyste jak przy użyciu azotu. Prędkości cięcia przy użyciu sprężonego powietrza są lepsze, ale nie tak dobre jak przy użyciu dwóch pozostałych gazów.

Jeśli konieczne jest cięcie cienkich materiałów o grubości 3–4 mm, a jakość nie jest głównym kryterium, użycie sprężonego powietrza to dobry sposób na oszczędzanie środków. Jedynymi bieżącymi kosztami są energia potrzebna do napędu sprężarki powietrza oraz koszty konserwacji systemu filtracji sprężarki powietrza.

Jednak wykorzystanie sprężonego powietrza do cięcia stanowi duże ryzyko. Powietrze zawiera wiele zanieczyszczeń, takich jak pył, woda i olej, które uszkadzają optykę i pogarszają jakość cięcia. Aby uniknąć tego rodzaju problemów, konieczne jest dodanie dodatkowego sprzętu chroniącego optykę oraz zapewniającego wysoką jakość cięcia. W przypadku filtrów powietrza normy branżowe zalecają, aby używane powietrze sprężone zawierało nie więcej niż 0,01 ppm oleju oraz miało punkt rosy równy lub niższy niż 10 °C. Z tego powodu należy zastosować wielostopniowy system filtracji wysokiej jakości, który jest bardzo drogi.

Do cięcia tytanu oraz stopów tytanu stosuje się gazy specjalne, takie jak argon. Wymagają one bezpiecznego środowiska, które zapewnia argon, będąc gazem obojętnym. Gaz obojętny to taki, który nie reaguje z większością materiałów w trakcie procesu. Do cięcia tytanu czystość argonu powinna wynosić 99,99%. Ponadto ciśnienie gazu powinno być większe niż 1,2 MPa przy cięciu grubszych elementów tytanu.

Istnieją określone mieszanki gazów dostosowane do konkretnych zastosowań, jednak w większości warsztatów tlen, azot i powietrze to składniki gazowe pokrywające większość zadań.

Czystość i normy jakości gazów

Czystość gazu nie jest jedynie specyfikacją – stanowi kluczowy element bezpośrednio wpływający na jakość cięcia. W przypadku azotu obecność nawet śladowej ilości tlenu powoduje przebarwienie krawędzi stali nierdzewnej, co całkowicie uniemożliwia osiągnięcie zamierzonego celu stosowania azotu. W przypadku tlenu zanieczyszczenia zmniejszają wydajność reakcji egzotermicznej, przez co cięcia są wykonywane wolniej, a krawędzie mają niższą jakość.

Poniżej przedstawiono typowe wymagania dotyczące różnych rodzajów gazów stosowanych w przemyśle:

Stopień filtracji oraz zróżnicowanie jakości powietrza są oba kluczowe.

Praktyczne tabele parametrów dla powszechnie stosowanych materiałów

Choć rodzaj sprężonego gazu ma wpływ na jakość cięcia, to również ciśnienie i przepływ mają znaczenie. Jeśli ciśnienie będzie zbyt niskie, stopiony materiał nie zostanie usunięty, a na dolnej krawędzi cięcia pozostanie żużel. Jeśli ciśnienie będzie zbyt wysokie, cięcie może zostać zakłócone, może powstać turbulencja, a materiał może ulec nadmiernemu schłodzeniu.

Przepływ azotu w trakcie cięcia jest szczególnie krytyczny. Zużycie gazu jest rejestrowane w litrach na minutę lub metrach sześciennych na godzinę i zależy w znacznym stopniu od średnicy dyszy oraz zastosowanego ciśnienia. Na przykład butelka azotu o pojemności 40 litrów pod ciśnieniem 15 MPa będzie działać tylko około 13 minut przy użyciu dyszy o średnicy 4,0 mm i ciśnieniu 0,6 MPa, podczas gdy przy dyszy o średnicy 2,0 mm i ciśnieniu 1,2 MPa będzie działać przez 35 minut. Jest to również powód, dla którego dobór dyszy stanowi tak istotny czynnik wpływający na koszty operacyjne.

Istnieje kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę przy ustalaniu punktu skupienia lub optymalnej głębokości cięcia maszyny. Dno cięcia zależy od grubości materiału, który jest przetwarzany. Głębsza szczelina wymaga szybszego usuwania stopionego metalu, co z kolei wymaga ustawienia wyższego ciśnienia. Im wyższe ciśnienie w systemie, tym większe jego zużycie; dlatego najskuteczniejszym sposobem kontrolowania kosztów jest znalezienie minimalnego ciśnienia zapewniającego skuteczne wykonanie zadania.

Rozwiązywanie problemów związanych z gazem

Jeśli wykonywane cięcie nie jest prawidłowe, pierwszym aspektem, który należy sprawdzić, jest gaz. Występowanie grudek (dross) na dolnej krawędzi cięcia zwykle oznacza zbyt niskie ciśnienie lub użycie niewłaściwego gazu do danego materiału. Aby sprawdzić, czy nastąpi poprawa, należy dostosować ciśnienie w przyrostach po 0,5 bar.

Jeśli podczas cięcia stali nierdzewnej za pomocą azotu wystąpi przebarwienie przekroju, oznacza to, że gaz przedostaje się do zanieczyszczonego przekroju. Należy sprawdzić czystość gazu oraz poszukać w nim wycieków przepływu. Ponadto dysza nie powinna być uszkodzona. Żółta lub jasnoniebieska barwa przekroju wskazuje na zanieczyszczenie gazu.

Chropowatość krawędzi przekroju może świadczyć o turbulencji powstającej w wyniku uszkodzenia dyszy lub nadmiernego ciśnienia w systemie. Należy sprawdzić otwór dyszy pod kątem jakichkolwiek odkształceń lub uszkodzeń. Krawędzie przekroju powinny być jednolite, co oznacza, że przepływ gazu również powinien być jednolity. Jeśli cięcie wykonywane jest w pobliżu końca płyty metalowej, należy również sprawdzić przepływ gazu pod kątem ewentualnych zatorów w doprowadzanym gazie.

Koszty gazów wspomagających

Gazy wspomagające stanowią kolejny koszt operacyjny, ponieważ są zakupowane w ilości odpowiadającej ich zużyciu podczas produkcji. Gazy azotowe są najdroższe – zużycie azotu może spowodować wzrost kosztów operacyjnych o 25 procent lub więcej, jeśli ciśnienie jest ustawione o zaledwie 4 bar wyższe niż to konieczne. Tymczasem tlen jest tańszy niż azot, a o ile dostępne są sprężarka i system filtracji, powietrze można wykorzystywać bezpłatnie.

Jednak koszt gazu stanowi tylko jedną część całkowitych kosztów. Należy również wziąć pod uwagę czynnik czasu. Szybsze cięcie przy użyciu gazu wspomagającego z tlenu może przynieść oszczędności w kosztach pracy, które zrekompensują utratę jakości cięcia. Z drugiej strony gaz azotowy wspomagający może zapewnić czystsze cięcie, co zmniejszy ilość operacji wykańczania cięcia, takich jak szlifowanie, szlifowanie papierem ściernym lub inne działania po cięciu. Dlatego zaleca się analizę całkowitych kosztów produkcji każdego elementu, a nie skupianie się wyłącznie na zużyciu gazu wspomagającego.

Jak DP Laser pomaga Ci to zrobić poprawnie

Codziennie pomagamy naszym klientom w zakresie ich systemów cięcia laserowego w określaniu optymalnych konfiguracji. Dzięki ponad 20 000 systemów zainstalowanych na całym świecie zdobyliśmy wiedzę na temat tego, jakie ustawienia najlepiej sprawdzają się przy różnych materiałach i zastosowaniach. Gdy zakupisz maszynę od nas, nie ograniczamy się jedynie do jej wysyłki i uznania zadania za zakończone. Zastosowujemy praktyczne podejście, aby przewodniczyć Ci w konfigurowaniu ustawień gazów, a także oferujemy bezprecedensową pomoc w zakupie oryginalnych części zamiennych, takich jak dysze i elementy eksploatacyjne, umożliwiając utrzymanie optymalnych przepływów przez Twoją maszynę.

Gazy wspomagające są kluczowym elementem procesu cięcia, wpływając na jego szybkość, jakość i koszt. Aby wybrać najlepsze gazy do swoich procesów cięcia, należy wziąć pod uwagę skład gazu, jego czystość, ciśnienie oraz przepływ gazu w odniesieniu do materiału, który jest cięty. Przyjrzyj się dokładnie wymogom swojej maszyny i przeprowadź kilka eksperymentów, notując uzyskane wyniki. Skontaktuj się z nami w razie potrzeby pomocy. Poprawna konfiguracja gazu znacząco wpłynie na jakość materiałów produkowanych przez Twoją maszynę.