Препоръчителен газ за подпомагане при лазерно рязане на средно-тънки въглеродни стомани: смесен газ, кислород, азот или въздух?

Листовата нискоуглеродна стомана с дебелина от 3 до 14 мм е най-често срещаният материал в цеховете за производство на листови метални изделия. Тя не е толкова тънка, че рязането с въздух да протече без усилие, нито толкова дебела, че рязането само с чист кислород да е единственият вариант с ниска ефективност. Именно поради това изборът на газ за този диапазон от дебелини става най-мъчителната трилема за технологичните инженери – скоростта на рязане, качеството на рязаната повърхност и разходите за газ постоянно са в противоречие.

Използването на чист кислород води до бавна скорост на рязане и неефективна обработка; използването на чист азот осигурява отлично качество на рязаната повърхност, но предизвиква високи разходи за газ; използването на въздух намалява разходите, но окисляването на повърхността и натрупването на шлака в долната част на рязаната повърхност налагат допълнителни последващи обработки.

Тази статия използва директен подход. Първо се анализират трите чисти газови стратегии, предложени за този диапазон дебелини, след което се представя жизнеспособно решение за смесване, което може да бъде приложено.

Трилемата при избора на газ за 3-14мм въглеродна стомана

Първо нека уточним същността на конфликта. Всеки от трите газа предлага незаменими предимства за този диапазон дебелини, но всеки от тях също има недостатъци, които не могат да бъдат пренебрегнати.

Рязане с чист кислород: агресивна скорост, груба рязана повърхност
Скоростта на рязане с кислород при въглеродна стомана с дебелина 3–14 мм обикновено е твърде ниска.

Комбустивната реакция на ферита генерира допълнително топлинно количество; за осигуряване на качество и стабилност на рязането мощността понякога се намалява по време на процеса.

За фабриките, които таксуват по бройка, скоростта означава печалба. Но цената е също толкова очевидна: отрязаната повърхност е покрита с черен или тъмносив оксиден слой, който може да има дебелина десетки микрометра, е неравномерен и силно свързан с основния материал. Този оксиден слой представлява пречка за последващо заваряване или боядисване – преди заваряване е задължително шлифоване, а преди боядисване е необходимо пясъчно третиране. Ако в чертежа на клиента е посочено „видима повърхност“ или „заваряване без последваща обработка“, частта, отрязана с чист кислород, е полуфинализирана и изисква допълнителни разходи в по-нататъшния производствен процес.

Рязане с чист азот: готова повърхност без последваща обработка и налягане върху разходите
Режещата обработка с чист азот дава сребристо-бяла, бляскава повърхност на реза, почти напълно свободна от оксиди и готова за директно заваряване и директно боядисване. Това е истинска мечта за качествения отдел. Обаче при въглеродна стомана с дебелина над 3 мм разходът на чист азот за рязане е изключително висок. За да се гарантира, че долната част на реза е свободна от шлака, налягането и потока трябва да се поддържат на високо ниво. При рязане на 8 мм въглеродна стомана машина с мощност 12 kW лесно може да консумира 80–90 Nm³/ч азот на час. Ако се използва течен азот, тази разходна стойност за газ може да надвиши общите експлоатационни разходи на машината – електроенергия, трудови разходи, амортизация и всички останали, взети заедно. Сурова реалност: при рязане на 8 мм въглеродна стомана с чист азот колкото повече се реже, толкова по-тънка може да стане печалбата.

Рязане с въздух: изключителна икономическа ефективност срещу компромис във вид на оксиден слой
Може ли рязането с въздух да се използва за въглеродна стомана с дебелина 3–14 мм? Да, при условие че допустимостта ви относно качеството на рязаната повърхност е достатъчно широка. Повърхността от рязането с компресиран въздух варира от светло златиста до кафява, с плътна оксидна пленка. В сравнение с черната окалина при рязане с чист кислород тази пленка е значително по-тънка. В сравнение с яркобялата повърхност при рязане с чист азот тя очевидно е „оцветена“. По-критично е, че височината на заострените ръбове (бурите) в долната част на листовете постепенно нараства от по-тънки към по-дебели листове, което прави тяхното премахване изключително трудно.

Предимството на рязането с въздух е почти нулевата му цена; недостатъкът е, че тази оксидна пленка и бурите все още са неприемливи за определени приложения. Ако рязате панели за рафтове, основни рамки на машини или вътрешни подсиляващи ребра – части, които са скрити вътре в машините или са предназначени за боядисване, – рязането с въздух е оптималното решение. Но ако клиентът иска видима декоративна част, рязането с въздух е недостатъчно.

Таблицата по-долу обобщава компромисите при всеки подход, като прави ясни точките за вземане на решение:

От тази сравнителна таблица изводът е очевиден: нито една единствена стратегия с чист газ не може едновременно да удовлетвори трите изисквания – скорост, качество и разходи. Точно тук идва на помощ подходът със смес от газове.

Препоръчаната стратегия за смесване: балансиращата логика на високо  Азот + ниско съдържание на кислород

Газовата смес не е просто механично смесване на два газа. Тя използва подпомагащия горенето ефект на кислорода и охлаждащия и защитен ефект на азота, за да създаде „контролирана микросреда с окисление“ в реза.

Когато смес от азотен газ (94 %–96 %) се комбинира с лазерно излъчване и се прилага върху материала, настъпват две промени. Първо, азотът като инертен компонент разрежда концентрацията на кислород, потискайки бурната реакция на горене между желязото и кислорода. Оксидната пелена повече не расте неконтролирано, образувайки дебел слой, както при рязане с чист кислород, а се ограничава до плътна филмова структура с дебелина само няколко микрометра. Второ, подобреният охладителен ефект на азотния поток върху реза оптимизира течността на разтопения метал, значително намалявайки образуването на шлака в долната част.

Резултатът: В сравнение с чистия кислород скоростта на рязане на въглеродна стомана с дебелина 3–14 мм при мощности от 6000 W и 12000 W може да се увеличи значително с 85 % до 364 % при използване на смесени газове.

B обаче цветът на резаната повърхност се променя от черен на светлосив, оксидната пелена се изтънява радикално и шлифоването вече не е необходимо преди заваряване или боядисване. Това е стойността на логиката за смесване – компромис между допустимо намаляване на скоростта и постигане на качествена резултатна повърхност при рязане, като при това се постига значително по-ниско потребление на газ в сравнение с чист азот.

Вземайки за пример 8 mm лист от мека стомана и рязане с лазер с мощност 12 kW, проверената в производствени изпитания референтна смес има състав от 94 % азот. При този състав скоростта на рязане се увеличава с 285 % в сравнение с чист кислород, но резултантната повърхност има равномерен светлосив цвят, оксидният слой е едва усещаем при докосване, а качеството на заварките отговаря на изискванията за стандартни конструкционни компоненти.

Сравнителна таблица на скоростите на рязане с влакнен лазер при използване на 3–14 mm Въглеродна стомана （O₂ срещу N₂/въздух

Предварително конфигурираните съотношения на смеси и поддръжка на параметри от Raysoar

Цялата тази дискусия за съотношения и диапазони в крайна сметка се свежда до две неща за изпълнението в работилницата: стабилно и надеждно устройство за издаване на съотношение на смесените газове и набор от валидирани комбинации от параметри.

Raysoar решението за смесване на газове на предоставя предварително конфигурирани препоръки за съотношения на смесите за въглеродна стомана с дебелина 3–14 мм. Въз основа на лазерната мощност, класа на материала и дебелината му определяме препоръчителния диапазон от съотношение кислород-азот и фиксираме това съотношение чрез съответстващ шкаф за смесване на газове, което гарантира повторяемост на резултатите от рязане при всяка смяна и при всяка партида детайли. По този начин „балансната точка между качество и разходи“ престава да е въпрос на късмет и се превръща в повтаряема стандартна операционна процедура.

При въглеродна стомана с дебелина 3–14 мм помощният газ не е еднозначен избор „черно или бяло“. Научете се да настройвате с Raysoar ’серията FCP на , и едновременно ще придобиете оръжието на скоростта и коза за контрол на разходите.