Роль вспомогательных газов в качестве резки на лазерном станке.

Наблюдая за работой лазерного станка, вы легко замечаете лазерный луч, быстрое перемещение режущей головки и гладкие кромки, оставляемые после резки. На самом деле происходит гораздо больше, чем просто воздействие лазерного луча. В точке контакта луча с материалом подаётся струя газа — это вспомогательный газ, и его роль в обеспечении качества реза значительно важнее, чем полагают многие.

При работе лазерного станка для резки вспомогательный газ является неотъемлемой частью процесса и влияет на скорость резки, чёткость кромок и наличие шлака, свисающего с заготовки. Независимо от типа обрабатываемого материала, требуемые тип газа, давление и расход зависят от его толщины. Правильный выбор параметров определяет, получится ли деталь высокого качества или потребуется дополнительная доработка.

Какую функцию выполняют вспомогательные газы? Почему они важны?

Вспомогательный газ выполняет несколько функций. Во-первых, он способствует удалению расплавленного материала из реза. При лазерной резке образующийся расплавленный металл необходимо удалять из зоны реза, чтобы предотвратить его затвердевание и повреждение кромки реза. Газ помогает выдувать расплавленный металл из нижней части реза. Во-вторых, он защищает оптические элементы. Поток вспомогательного газа предотвращает загрязнение линзы и сопла пылью, искрами и каплями металла. Наконец, в случае некоторых материалов вспомогательный газ участвует непосредственно в процессе резки. Например, экзотермическая реакция кислорода ускоряет процесс резки. Азот, не вступающий в реакцию, также способствует удалению металла из реза.

Для выбора подходящего газа для конкретного применения важно понимать роль вспомогательного газа. Кроме того, различные газы обладают разными техническими характеристиками, включая расход, давление и чистоту.

Кислород: газ, выделяющий тепло

Кислород является одним из наиболее часто используемых газов для резки низкоуглеродистой стали. Для промышленных применений резки он имеет чистоту не менее 99,5 %. При использовании кислорода высокой чистоты нагретый металл на линии реза начинает гореть. Это горение приводит к выделению энергии металлом и способствует более быстрой резке более толстых материалов лазером. Реакция между подаваемым кислородом и образующимся металлическим шлаком позволяет повысить скорость резки на 40–50 % по сравнению с использованием нереактивных газов.

Резка кислородом осуществляется при низком давлении — обычно в диапазоне от 0,5 до 5 бар (или от 7 до 70 фунтов на квадратный дюйм). Для толстой углеродистой стали толщиной 8–22 мм применяется давление около 10 бар и расход газа около 20–22 м³/ч. Для чрезвычайно толстых листов при использовании специально разработанных двухслойных сопел давление может оставаться в диапазоне 0,05–0,07 МПа.

Недостаток использования чистого кислорода заключается в результате реакции, известной как окисленный край. Окисленный край оставляет темный оксидный слой, который, возможно, потребуется удалить перед покраской или сваркой. Край может быть несколько грубее по сравнению с использованием других газов. Способность резки кислородом по скорости и толщине обычно является наилучшим вариантом для низкоуглеродистой стали в большинстве цехов по металлообработке.

Азот: газ для получения чистых кромок

По сравнению с кислородом азот инертен и требует чистоты не менее 99,95 % для лазерной резки. Большинство специалистов предпочитают и используют азот чистотой 99,99 %. Для большинства применений этого достаточно, и такой вариант экономически более выгоден. Азот просто выдувает расплавленный материал из зоны реза, обеспечивая чистую поверхность.

Поскольку азот зависит от механической силы и использует её, он существенно более требователен к давлению. Типичный рабочий диапазон составляет от 10 до 20 бар (или от 150 до 300 фунтов на квадратный дюйм, PSI). При резке материалов толщиной менее 8 мм обычно применяется давление 15 бар при расходе газа 50 кубических метров в час. Для толщин от 12 до 15 мм обязательно требуется давление 15–22 бар при расходе газа 120 кубических метров в час. Для самой большой толщины — 22 мм — типичными являются давление 22–30 бар (или 319–435 PSI) и расход газа 150 кубических метров в час.

При резке нержавеющей стали и алюминия с использованием азота кромка получается яркой, без окисления, потемнения и окалины. Нарезанные детали готовы к сварке и покраске сразу после выхода из станка. Недостатком является более низкая скорость резки при использовании азота и значительно более высокий расход газа. Например, баллон азота объёмом 40 литров под давлением 15 МПа и чистотой 99,99 % проработает всего 35 минут при резке соплом диаметром 2,0 мм при давлении 1,2 МПа. Это существенно при массовом производстве.

Сжатый воздух: компромиссный вариант

Сжатый воздух является более дешёвой альтернативой и представляет собой буквальный компромисс. Состав сжатого воздуха примерно на 78 % состоит из азота и на 21 % — из кислорода, остальное приходится на долю других газов. Это объясняет, почему окисление, вызываемое кислородом, всё же происходит, но в меньшей степени, чем при использовании чистого кислорода. Кромки реза будут чище, чем при резке кислородом, но не такими чистыми, как при резке азотом. Скорость резки при использовании сжатого воздуха выше, однако она уступает скорости резки при использовании двух других газов.

Если вам необходимо резать тонкие материалы толщиной 3–4 мм, а качество реза не является главным требованием, использование сжатого воздуха — хороший способ сэкономить средства. Единственными текущими расходами являются затраты электроэнергии на работу воздушного компрессора и расходы на техническое обслуживание фильтрационной системы воздушного компрессора.

Однако использование сжатого воздуха для резки представляет собой значительный риск. Воздух содержит множество загрязняющих веществ, таких как пыль, вода и масло, которые повреждают оптические компоненты и ухудшают качество реза. Чтобы избежать подобных проблем, необходимо установить дополнительное оборудование, защищающее оптику и обеспечивающее высокое качество реза. Что касается воздушных фильтров, то отраслевые стандарты требуют, чтобы содержание масла в сжатом воздухе не превышало 0,01 ppm, а точка росы составляла 10 °C или ниже. Поэтому требуется использовать многоступенчатую систему высококачественной фильтрации, которая является весьма дорогостоящей.

Для резки титана и титановых сплавов применяются специальные газы, например аргон. Для обеспечения безопасных условий процесса аргон подходит идеально, поскольку он является инертным газом. Инертный газ — это газ, который практически не вступает в реакцию с большинством материалов в ходе технологического процесса. При резке титана чистота аргона должна составлять не менее 99,99 %. Кроме того, давление газа должно превышать 1,2 МПа при резке более толстых заготовок из титана.

Существуют определённые специальные газовые смеси, разработанные для конкретных применений, однако для большинства мастерских кислород, азот и сжатый воздух являются газовыми компонентами, охватывающими подавляющее большинство работ.

Стандарты чистоты и качества газов

Чистота газа — это не просто техническая характеристика, а ключевой фактор, напрямую влияющий на качество реза. Что касается азота, то даже следовые количества кислорода приводят к потемнению кромок нержавеющей стали, полностью сводя на нет основную цель применения азота. В случае кислорода примеси снижают эффективность экзотермической реакции, в результате чего рез выполняется медленнее, а кромки получаются более низкого качества.

Ниже приведены типовые требования к различным видам газов, используемых в отрасли:

Уровень фильтрации и степень нестабильности качества воздуха являются критически важными факторами.

Практические таблицы параметров для распространённых материалов

Хотя тип сжатого газа действительно влияет на качество реза, также важны давление и расход газа. При слишком низком давлении расплавленный материал не будет удалён, и на нижнем краю реза останется шлак. При слишком высоком давлении рез может быть нарушен, возникнет турбулентность, а материал — чрезмерно охлаждён.

Расходный расход азота при резке, в частности, имеет решающее значение. Потребление газа фиксируется в литрах в минуту или кубических метрах в час и в значительной степени зависит от размера сопла и используемого давления. Например, баллон с азотом объёмом 40 литров при давлении 15 МПа проработает всего около 13 минут при использовании сопла диаметром 4,0 мм и давлении 0,6 МПа, тогда как при использовании сопла диаметром 2,0 мм и давлении 1,2 МПа он проработает 35 минут. Именно поэтому выбор сопла является столь важным фактором при определении эксплуатационных затрат.

При определении фокусного положения или оптимальной глубины реза станка необходимо учитывать несколько факторов. Дно реза зависит от толщины обрабатываемого материала. При более глубоком пропиле расплавленный металл должен удаляться с более высокой скоростью, что требует установки более высокого давления. Чем выше давление в системе, тем больше расходуется ресурсов системы; следовательно, поиск минимального эффективного давления для выполнения конкретной задачи является наиболее эффективным способом контроля затрат.

Устранение неполадок, связанных с газом

Если получаемый вами рез некачественный, первым параметром, который следует проверить, является газ. Наличие шлака на нижней кромке обычно указывает либо на недостаточное давление, либо на использование неподходящего газа для данного материала. Рекомендуется корректировать давление с шагом 0,5 бар и оценивать, приводит ли это к улучшению качества реза.

Если на разрезе нержавеющей стали наблюдается изменение цвета при использовании азота, это означает, что есть некоторое указание на то, что газ допускается в загрязненный разрез. Чистоту газа следует проверять на наличие утечек на газовом потоке. Кроме того, соприкосновение не должно быть повреждено. Желтый или светло-синий цвет будет означать, что газ загрязнен.

Грубость краев разреза может указывать на то, что поврежденная сосна создает некоторую турбулентность или на систему оказывается слишком высокое давление. Проверка отверстия сопла должна быть проведена, чтобы определить наличие искажений или повреждений сопла. Крайности разреза должны быть равномерными, что означает, что поток газа также должен быть равномерным. Если резка производится к концу металлической плиты, то также должен быть проведен контроль потока газа, чтобы определить наличие каких-либо засорений в подаваемом газе.

Стоимость газовых вспомогательных установок

Вспомогательные газы представляют собой ещё одну статью эксплуатационных расходов, поскольку они приобретаются в объёме, используемом в процессе производства. Азот является самым дорогим из этих газов: потребление азота может привести к росту эксплуатационных расходов на 25 % и более, если давление установлено всего на 4 бар выше необходимого уровня. В то же время кислород дешевле азота, а при наличии компрессора и системы фильтрации воздух можно использовать бесплатно.

Однако стоимость газа составляет лишь одну часть общей стоимости. Также следует учитывать затраты времени. Более быстрая резка с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа может привести к экономии на трудозатратах, которая компенсирует снижение качества реза. С другой стороны, азот в качестве вспомогательного газа обеспечивает более чистый рез, что сокращает объём последующей обработки — шлифовки, зачистки или других операций по финишной обработке реза, которые могут потребоваться. Поэтому рекомендуется анализировать общую стоимость каждого изготавливаемого изделия, а не сосредотачиваться исключительно на расходе вспомогательного газа.

Как DP Laser помогает вам добиться точности

Каждый день мы помогаем нашим клиентам с их системами лазерной резки определить оптимальные конфигурации. Благодаря более чем 20 000 систем, установленных у заказчиков по всему миру, мы накопили ценный опыт в подборе наилучших решений для различных материалов и областей применения. Когда вы приобретаете станок у нас, мы делаем гораздо больше, чем просто отправляем его и считаем задачу выполненной. Мы применяем практический подход к настройке параметров газа и предоставляем беспрецедентную поддержку в вопросах оригинальных комплектующих — таких как сопла и расходные материалы, — что позволяет вам поддерживать оптимальные значения расхода газа через ваш станок.

Вспомогательные газы являются важнейшей частью процесса резки и оказывают влияние на скорость, качество и стоимость. Чтобы выбрать оптимальные газы для ваших процессов резки, необходимо учитывать состав газа, его чистоту, давление и расход в зависимости от обрабатываемого материала. Тщательно проанализируйте требования вашего оборудования и проведите несколько экспериментов, фиксируя результаты. Обратитесь к нам, если потребуется помощь. Правильно подобранная газовая система существенно повлияет на качество изделий, производимых на вашем станке.