Vai trò của khí hỗ trợ trong chất lượng cắt của máy cắt laser.

Khi quan sát một máy cắt laser, bạn có thể dễ dàng nhìn thấy tia laser, chuyển động nhanh của đầu cắt và các mép cắt mượt mà mà đầu cắt để lại. Thực tế, có rất nhiều yếu tố tham gia vào quá trình cắt hơn là chỉ riêng tia laser thực hiện toàn bộ công việc. Tại vị trí tia laser tiếp xúc với vật liệu, một luồng khí đang được thổi vào. Đây chính là khí hỗ trợ, và vai trò của nó đối với chất lượng đường cắt quan trọng hơn nhiều so với những gì đa số người dùng thường nghĩ.

Khi vận hành máy cắt laser, khí hỗ trợ là một phần thiết yếu trong quá trình này và ảnh hưởng đến tốc độ cắt, độ sắc nét của các cạnh, cũng như việc có xuất hiện xỉ kim loại bám trên phôi hay không. Dù là vật liệu nào đi nữa, loại khí, áp suất và lưu lượng khí sử dụng đều phải được lựa chọn phù hợp dựa trên độ dày của vật liệu. Việc lựa chọn chính xác các thông số này sẽ quyết định sản phẩm đầu ra có đạt chất lượng hay không, hay ngược lại, cần phải gia công thêm.

Khí hỗ trợ thực hiện chức năng gì? Vì sao chúng lại quan trọng?

Khí hỗ trợ đóng vai trò đa chức năng. Thứ nhất, khí hỗ trợ giúp làm sạch vật liệu nóng chảy ra khỏi khe cắt. Khi cắt bằng tia laser, kim loại nóng chảy được tạo ra phải được loại bỏ khỏi khe cắt để tránh đông đặc và làm hỏng cạnh khe cắt. Dòng khí hỗ trợ giúp đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi đáy khe cắt. Thứ hai, khí hỗ trợ bảo vệ các bộ phận quang học. Dòng khí hỗ trợ giữ cho thấu kính và vòi phun luôn sạch sẽ, không bị bám bụi, tia lửa hoặc các giọt kim loại. Cuối cùng, đối với một số vật liệu nhất định, khí hỗ trợ còn góp phần vào quá trình cắt. Ví dụ, phản ứng tỏa nhiệt của khí oxy giúp tăng tốc quá trình cắt; trong khi khí nitơ trơ lại giúp làm sạch kim loại ra khỏi khe cắt.

Để lựa chọn loại khí phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, điều quan trọng là phải hiểu rõ vai trò của khí hỗ trợ. Ngoài ra, các loại khí khác nhau có các thông số kỹ thuật khác nhau, bao gồm lưu lượng, áp suất và độ tinh khiết.

Oxy: Một loại khí sinh nhiệt

Oxy là một trong những loại khí được sử dụng phổ biến nhất để cắt thép carbon thấp. Đối với các ứng dụng cắt công nghiệp, độ tinh khiết của oxy phải đạt ít nhất 99,5 phần trăm. Khi sử dụng oxy có độ tinh khiết cao, kim loại tại mép cắt sẽ bắt đầu cháy do bị đốt nóng. Quá trình cháy này làm cho kim loại giải phóng năng lượng, hỗ trợ chùm tia laser cắt vật liệu dày hơn với tốc độ nhanh hơn. Phản ứng giữa dòng oxy phun vào và sản phẩm cháy của kim loại có thể tăng tốc độ cắt lên 40–50 phần trăm so với việc sử dụng các loại khí không tham gia phản ứng.

Việc cắt bằng oxy được thực hiện ở áp suất thấp, thường nằm trong khoảng 0,5–5 bar (tương đương 7–70 PSI). Đối với thép carbon dày từ 8–22 milimét, người ta thường sử dụng áp suất khoảng 10 bar và lưu lượng khí khoảng 20–22 mét khối mỗi giờ. Đối với các tấm cực kỳ dày, áp suất có thể duy trì trong khoảng 0,05–0,07 MPa khi sử dụng vòi phun hai lớp được thiết kế đặc biệt.

Nhược điểm của việc sử dụng oxy tinh khiết là kết quả của một phản ứng được gọi là mép bị oxy hóa. Mép bị oxy hóa để lại một lớp oxit màu sẫm, có thể cần được làm sạch trước khi sơn hoặc hàn. Mép cắt có thể hơi thô hơn so với khi sử dụng các loại khí khác. Khả năng cắt bằng khí oxy về mặt tốc độ và độ dày thường là lựa chọn tốt nhất đối với thép cacbon thấp trong hầu hết các xưởng gia công.

Nitơ: Loại khí cho mép cắt sạch

So với oxy, nitơ là khí trơ và yêu cầu độ tinh khiết từ 99,95% trở lên khi cắt bằng tia laser. Phần lớn người vận hành ưa chuộng và sử dụng nitơ có độ tinh khiết 99,99%. Đối với hầu hết các ứng dụng, mức độ tinh khiết này là đủ và mang tính kinh tế cao hơn. Nitơ đơn giản chỉ đẩy vật liệu nóng chảy ra ngoài đường cắt, tạo bề mặt sạch.

Do nitơ phụ thuộc vào và sử dụng lực cơ học, nên yêu cầu về áp suất đối với nó cao hơn đáng kể. Dải áp suất làm việc điển hình nằm trong khoảng từ 10 đến 20 bar, tương đương 150–300 PSI. Khi cắt vật liệu mỏng dưới 8 mm, áp suất thường dùng là khoảng 15 bar kết hợp với lưu lượng khí là 50 mét khối mỗi giờ. Đối với độ dày từ 12 đến 15 mm, áp suất cần thiết là từ 15 đến 22 bar cùng với lưu lượng khí 120 mét khối mỗi giờ. Với phần dày nhất là 22 mm, áp suất thường dao động từ 22 đến 30 bar (tương đương 319–435 PSI) và lưu lượng khí đạt 150 mét khối mỗi giờ.

Khi cắt thép không gỉ và nhôm bằng nitơ, mép cắt sáng bóng, không bị oxy hóa, đổi màu hay bám vảy. Các chi tiết sau khi cắt có thể được hàn và sơn ngay lập tức mà không cần xử lý thêm. Nhược điểm là tốc độ cắt chậm hơn khi sử dụng nitơ và tiêu thụ khí cao hơn nhiều. Ví dụ, một bình chứa nitơ dung tích 40 lít, áp suất 15 MPa và độ tinh khiết 99,99% chỉ đủ dùng trong 35 phút khi cắt với vòi phun đường kính 2,0 mm ở áp suất 1,2 MPa. Điều này đặc biệt đáng kể trong sản xuất quy mô lớn.

Khí nén: Giải pháp thỏa hiệp

Khí nén là lựa chọn rẻ hơn và thực chất là một sự thỏa hiệp. Thành phần của khí nén gồm khoảng 78% nitơ và 21% oxy, cùng một lượng nhỏ các khí khác. Điều này giải thích vì sao vẫn xảy ra một chút hiện tượng oxy hóa do thành phần oxy, nhưng mức độ thấp hơn so với khi sử dụng oxy tinh khiết. Các mép cắt sẽ sạch hơn so với khi dùng oxy, nhưng không sạch bằng khi dùng nitơ. Tốc độ cắt khi sử dụng khí nén cao hơn, nhưng không đạt mức của hai loại khí còn lại.

Nếu bạn cần cắt các vật liệu mỏng có độ dày từ 3 đến 4 mm và chất lượng không phải là yếu tố quan trọng hàng đầu, thì việc sử dụng khí nén là một cách hiệu quả để tiết kiệm chi phí. Các chi phí duy trì duy nhất bao gồm điện năng để vận hành máy nén khí và chi phí bảo trì hệ thống lọc của máy nén khí.

Tuy nhiên, việc sử dụng khí nén để cắt là một rủi ro lớn. Không khí chứa nhiều tạp chất như bụi, nước và dầu, những yếu tố này sẽ làm hỏng các bộ phận quang học và làm giảm chất lượng đường cắt. Để tránh những vấn đề như vậy, bạn cần bổ sung thêm thiết bị phụ trợ nhằm bảo vệ bộ phận quang học cũng như đảm bảo chất lượng đường cắt. Đối với bộ lọc khí, tiêu chuẩn công nghiệp khuyến nghị khí nén sử dụng phải có hàm lượng dầu không vượt quá 0,01 ppm và điểm sương ở mức 10 độ C hoặc thấp hơn. Vì lý do này, bạn buộc phải sử dụng hệ thống lọc đa cấp chất lượng cao, vốn rất tốn kém.

Các loại khí chuyên dụng như argon được sử dụng để cắt titan cũng như các hợp kim titan. Chúng đòi hỏi một môi trường an toàn, và argon đáp ứng yêu cầu này vì đây là một khí trơ. Khí trơ là loại khí không phản ứng với hầu hết các vật liệu trong quá trình gia công. Đối với các công việc cắt titan, độ tinh khiết của argon phải đạt ít nhất 99,99%. Ngoài ra, áp suất khí phải lớn hơn 1,2 MPa đối với các tấm titan có độ dày lớn.

Có một số hỗn hợp khí đặc chủng được thiết kế cho các mục đích sử dụng cụ thể, nhưng đối với phần lớn xưởng gia công, oxy, nitơ và không khí là những thành phần khí đáp ứng được phần lớn nhu cầu công việc.

Độ tinh khiết và tiêu chuẩn chất lượng của khí

Độ tinh khiết của khí không chỉ là một thông số kỹ thuật mà còn là yếu tố then chốt trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng đường cắt. Đối với nitơ, nếu có vết tích oxy tồn tại, mép thép không gỉ sẽ bị đổi màu và điều này hoàn toàn làm mất đi mục đích mong muốn khi sử dụng nitơ. Đối với oxy, các tạp chất sẽ làm giảm hiệu suất của phản ứng tỏa nhiệt, dẫn đến tốc độ cắt chậm hơn và chất lượng mép cắt kém hơn.

Dưới đây là các yêu cầu phổ biến đối với các loại khí khác nhau được sử dụng trong ngành công nghiệp:

Mức độ lọc và sự biến đổi về chất lượng không khí đều rất quan trọng.

Bảng thông số thực tế cho các vật liệu phổ biến

Mặc dù loại khí nén sử dụng ảnh hưởng đến chất lượng đường cắt, áp suất và lưu lượng khí cũng đóng vai trò quan trọng. Nếu áp suất quá thấp, vật liệu nóng chảy sẽ không được thổi bay hết, dẫn đến hiện tượng xỉ (dross) bám lại ở mép dưới của đường cắt. Nếu áp suất quá cao, đường cắt có thể bị gián đoạn, gây ra dòng chảy rối và làm nguội quá mức đối với vật liệu.

Lưu lượng dòng khí nitơ trong quá trình cắt, đặc biệt, là yếu tố then chốt. Lượng tiêu thụ khí được ghi nhận theo đơn vị lít mỗi phút hoặc mét khối mỗi giờ, và bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước vòi phun cũng như áp suất sử dụng. Ví dụ, một bình chứa nitơ có dung tích 40 lít ở áp suất 15 MPa sẽ chỉ duy trì hoạt động khoảng 13 phút khi sử dụng vòi phun đường kính 4,0 mm ở áp suất 0,6 MPa, trong khi thời gian sử dụng sẽ kéo dài lên đến 35 phút nếu dùng vòi phun đường kính 2,0 mm ở áp suất 1,2 MPa. Đây cũng chính là lý do vì sao việc lựa chọn vòi phun lại là yếu tố quan trọng như vậy trong việc xác định chi phí vận hành của bạn.

Có một số yếu tố cần xem xét khi xác định cách thiết lập tiêu điểm hoặc độ sâu cắt tối ưu cho máy. Đáy vết cắt sẽ phụ thuộc vào độ dày của vật liệu đang được cắt. Một đáy vết cắt sâu hơn sẽ yêu cầu tốc độ đẩy kim loại nóng chảy ra ngoài cao hơn, do đó cần thiết lập áp suất cao hơn. Áp suất càng cao thì hệ thống tiêu thụ càng nhiều, vì vậy việc tìm ra áp suất thấp nhất nhưng vẫn hiệu quả cho công việc cụ thể sẽ là phương pháp kiểm soát chi phí hiệu quả nhất.

Xử lý sự cố liên quan đến khí

Nếu vết cắt bạn thực hiện không đạt yêu cầu, vấn đề đầu tiên cần kiểm tra là khí. Xỉ (dross) ở mặt đáy thường cho thấy áp suất không đủ hoặc loại khí sử dụng không phù hợp với vật liệu đang cắt. Hãy điều chỉnh từng bước tăng giảm 0,5 bar để kiểm tra xem có cải thiện hay không.

Nếu xuất hiện hiện tượng đổi màu ở mép cắt của thép không gỉ khi sử dụng khí nitơ, điều này cho thấy khí đang xâm nhập vào vùng cắt bị nhiễm bẩn. Cần kiểm tra độ tinh khiết của khí cũng như kiểm tra rò rỉ trên hệ thống dẫn khí. Ngoài ra, đầu phun không được bị hư hỏng. Màu vàng hoặc xanh nhạt là dấu hiệu cho thấy khí bị nhiễm bẩn.

Độ nhám của mép cắt có thể cho thấy sự hình thành dòng chảy rối do đầu phun bị hư hỏng hoặc áp suất khí cung cấp quá cao cho hệ thống. Cần kiểm tra lỗ thoát khí của đầu phun để xác định xem có bất kỳ biến dạng hay hư hại nào ở đầu phun hay không. Mép cắt phải đồng đều, điều này đồng nghĩa với việc dòng khí cũng phải ổn định và đồng đều. Nếu việc cắt được thực hiện ở cuối tấm kim loại, cần kiểm tra thêm dòng khí cung cấp để đảm bảo không có bất kỳ tắc nghẽn nào trong hệ thống khí.

Chi phí liên quan đến khí hỗ trợ

Các loại khí hỗ trợ là một khoản chi phí vận hành khác vì chúng được mua theo thể tích sử dụng trong quá trình sản xuất. Khí nitơ là loại đắt nhất, bởi mức tiêu thụ nitơ có thể làm tăng chi phí vận hành lên 25% hoặc nhiều hơn nếu áp suất được thiết lập cao hơn mức cần thiết chỉ 4 bar. Trong khi đó, khí oxy rẻ hơn khí nitơ, và miễn là máy nén khí và hệ thống lọc sẵn có, thì không khí có thể được sử dụng miễn phí.

Tuy nhiên, chi phí cho khí chỉ là một phần trong tổng chi phí. Ngoài ra, còn phải xem xét yếu tố thời gian. Việc cắt nhanh hơn với khí hỗ trợ oxy có thể giúp tiết kiệm chi phí nhân công, từ đó bù đắp được tổn thất về chất lượng của đường cắt. Ngược lại, việc sử dụng khí hỗ trợ nitơ có thể tạo ra đường cắt sạch hơn, nhờ đó giảm bớt lượng công việc gia công hậu kỳ như mài, chà nhám hoặc các thao tác hoàn thiện đường cắt khác có thể cần thiết. Do đó, đề xuất phân tích tổng chi phí cho từng chi tiết được sản xuất thay vì chỉ tập trung vào mức tiêu thụ khí hỗ trợ.

DP Laser Giúp Bạn Thực Hiện Đúng Cách

Mỗi ngày, chúng tôi hỗ trợ khách hàng của mình với các hệ thống cắt laser để xác định cấu hình tối ưu. Với hơn 20.000 hệ thống đang hoạt động trên thực tế, chúng tôi đã tích lũy được những hiểu biết sâu sắc về các cấu hình phù hợp nhất cho từng loại vật liệu và ứng dụng khác nhau. Khi bạn mua máy từ chúng tôi, chúng tôi không chỉ đơn thuần giao máy và coi như hoàn tất công việc. Chúng tôi áp dụng cách tiếp cận trực tiếp để hướng dẫn bạn thiết lập thông số khí, đồng thời cung cấp dịch vụ hỗ trợ vượt trội đối với các phụ tùng chính hãng như vòi phun và vật tư tiêu hao, giúp bạn duy trì lưu lượng dòng chảy tối ưu qua máy.

Các khí hỗ trợ là một phần thiết yếu trong quá trình cắt, ảnh hưởng đến tốc độ, chất lượng và chi phí. Để lựa chọn loại khí phù hợp nhất cho các quy trình cắt của bạn, bạn cần xem xét thành phần khí, độ tinh khiết của khí, áp suất khí và lưu lượng khí tương ứng với vật liệu đang được cắt. Hãy dành thời gian phân tích yêu cầu của máy móc bạn sử dụng và tiến hành một số thử nghiệm nhỏ đồng thời ghi chép cẩn thận. Hãy liên hệ với chúng tôi nếu bạn cần hỗ trợ. Một hệ thống cấp khí tốt sẽ tác động đáng kể đến chất lượng vật liệu được sản xuất từ máy của bạn.