Doporučený pomocný plyn pro laserové řezání středně tenké uhlíkové oceli: směs plynů, kyslík, dusík nebo vzduch?

Desky z mírně uhlíkové oceli v tloušťce 3 až 14 mm představují nejběžnější materiálovou kategorii ve strojírenských dílnách zpracovávajících plech. Nejsou tak tenké, aby je bylo možné bez potíží řezat vzduchem, ani tak silné, aby bylo jedinou možností s nízkou účinností řezání čistým kyslíkem. Právě proto volba plynu pro tento rozsah tlouštěk představuje pro techniky zabývající se procesy nejtěžší trojí dilema – rychlost řezání, kvalita řezného okraje a náklady na plyn jsou trvale v protikladu.

Použití čistého kyslíku: pomalá rychlost řezání a neefektivní zpracování; použití čistého dusíku: vynikající povrch řezu, avšak vysoké náklady na plyn; použití vzduchu: snížení nákladů, avšak oxidace povrchu a hromadění strusky na spodní straně vyžadují následné úpravy.

Tento článek přistupuje přímo. Nejprve analyzuje tři čisté plyny, které jsou pro tento rozsah tloušťek k dispozici, a poté představuje životaschopné řešení směsi, které lze implementovat.

Trojjediný problém výběru plynu pro 3-14ocel s obsahem uhlíku o tloušťce mm

Nejprve si objasněme jádro konfliktu. Každý z těchto tří plynů nabízí v tomto rozsahu tloušťek nezastupitelné výhody, ale zároveň každý má i nedostatky, které nelze ignorovat.

Řezání čistým kyslíkem: agresivní rychlost, hrubý řezný povrch
Rychlost řezání kyslíkem na uhlíkové oceli o tloušťce 3–14 mm je obecně příliš nízká.

Hoření feritu generuje dodatečné teplo; aby byla zajištěna kvalita a stabilita řezu, je v průběhu řezání někdy nutné snížit výkon.

U továren, které účtují za kus, je rychlost ziskem. Cena je však stejně zřejmá: řezaný povrch je pokryt černou nebo tmavě šedou oxidovou vrstvou, která může mít tloušťku desítky mikrometrů, je drsná a pevně spojená se základním materiálem. Tato oxidová vrstva představuje bariéru pro následné svařování nebo natírání – před svařováním je nutné broušení a před natíráním je vyžadováno pískování. Pokud výkres zákazníka stanovuje „viditelný povrch“ nebo „svařit bez následné úpravy“, je součást opracovaná čistým kyslíkem pouze polotovarem a vyžaduje další náklady v následných výrobních krocích.

Čištění čistým dusíkem: dokončený povrch bez následné úpravy a tlak na náklady
Řez čistým dusíkem vytváří stříbřitě-bílý, lesklý řezný povrch, téměř bez oxidů, který je připraven přímo ke svařování a přímému nátěru. To je sen kvalitního oddělení. Avšak u uhlíkové oceli nad 3 mm je spotřeba čistého dusíku při řezání ohromná. Aby bylo zajištěno, že na spodní straně nezůstane žádný škvár, je nutné udržovat vysoký tlak i průtok. Stroj o výkonu 12 kW může při řezání uhlíkové oceli o tloušťce 8 mm snadno spotřebovat 80–90 Nm³/h dusíku za hodinu. Pokud se používá kapalný dusík, může tato nákladová položka na plyn překročit celkové provozní náklady stroje – elektřina, práce, opotřebení a všechny ostatní položky dohromady. Harsh reality: při řezání uhlíkové oceli o tloušťce 8 mm čistým dusíkem platí, že čím více řežete, tím tenčí se může stát váš hrubý zisk.

Řezání vzduchem: extrémní cenová výhodnost s kompromisem ve formě oxidové vrstvy
Lze vzduchové řezání použít na uhlíkovou ocel tloušťky 3–14 mm? Ano, za předpokladu, že vaše požadavky na kvalitu řezné plochy jsou dostatečně široké. Řezná plocha vzniklá řezáním stlačeným vzduchem má odstín od světle zlaté po hnědou barvu a je pokryta hustou vrstvou oxidu. Tato vrstva je výrazně tenčí než černá škára vznikající při řezání čistým kyslíkem. Ve srovnání s jasně bílou řeznou plochou při řezání čistým dusíkem je však zřetelně „zbarvená“. Ještě důležitější je, že výška hrubého okraje (burr) na spodní straně desek postupně roste od tenčích k tlustším deskám, což ztěžuje jeho odstranění téměř nemožným úkonem.

Výhodou vzduchového řezání je jeho téměř nulová cena; nevýhodou je, že tato vrstva oxidu a hrubé okraje jsou stále nepřijatelné pro některé aplikace. Pokud řežete například police, rámy strojních základů nebo vnitřní vyztužující žebra – součásti, které jsou skryty uvnitř strojů nebo mají být později natřeny – je vzduchové řezání optimálním řešením. Pokud však zákazník požaduje viditelnou estetickou součást, vzduchové řezání nestačí.

Následující tabulka shrnuje kompromisy každého přístupu a jasně vymezuje rozhodovací body:

Z této srovnávací tabulky je zřejmý závěr: žádná jediná strategie použití čistého plynu nemůže současně splnit tři požadavky – rychlost, kvalitu a náklady. Právě zde se uplatňuje přístup s použitím směsi plynů.

Doporučená strategie směsi: Vyvážená logika vysokého  Obsahu dusíku + nízkého obsahu kyslíku

Směs plynů není jednoduché smíchání dvou plynů. Využívá podporujícího hoření účinku kyslíku a chladicího a ochranného účinku dusíku, aby v řezném štěrbině vytvořila prostředí „kontrolované mikrooxidace“.

Při použití směsi dusíkového plynu (94–96 %) ve spojení s laserovým zářením na materiál dojde ke dvěma změnám. Za prvé dusík jako inertní složka snižuje koncentraci kyslíku a potlačuje intenzitu reakce hoření železa s kyslíkem. Oxidová vrstva se již nevyvíjí nekontrolovatelně do tlusté vrstvy, jak tomu je při řezání čistým kyslíkem, ale je omezena na hustou fólii o tloušťce pouze několika mikrometrů. Za druhé zlepšený chladicí účinek dusíkového proudu na řeznou štěrbinu optimalizuje tekutost roztaveného kovu a výrazně snižuje tvorbu trosky na spodní straně řezu.

Výsledek: Při použití směsných plynů lze řeznou rychlost u uhlíkové oceli tloušťky 3–14 mm při výkonových podmínkách 6000 W a 12000 W výrazně zvýšit o 85 % až 364 % ve srovnání s čistým kyslíkem.

B barva řezné plochy se však mění z černé na světle šedou, oxidová vrstva je výrazně tenčí a broušení již není nutné před svařováním nebo nátěrem. To je hodnota logiky míchání – obětování přijatelného množství rychlosti pro dosažení vyhovující řezné plochy při současném výrazném snížení nákladů na plyny ve srovnání s čistým dusíkem.

Jako příklad lze uvést řezání plechu z mírně legované oceli o tloušťce 8 mm pomocí laseru o výkonu 12 kW. Referenční poměr složek směsi ověřený provozními testy je 94 % dusíku. Při tomto poměru se řezná rychlost zvýší o 285 % ve srovnání s čistým kyslíkem, přičemž řezná plocha má rovnoměrnou světle šedou barvu, oxidová vrstva je téměř necitelná na dotek a kvalita svaru splňuje požadavky na standardní konstrukční součásti.

Srovnávací tabulka řezných rychlostí pro řezání vláknovým laserem s 3–14 mm Uhlíková ocel （O₂ vs N₂/vzduch

Přednastavené poměry směsi a podpora parametrů od společnosti Raysoar

Veškerá tato diskuze o poměrech a rozsazích se nakonec redukuje na dvě věci pro provozní realizaci ve dílně: stabilní a spolehlivé zařízení pro výstupní poměr směsi plynů a sadu ověřených kombinací parametrů.

Raysoar řešení směsných plynů společnosti Raysoar poskytuje doporučené přednastavené poměry směsi pro uhlíkovou ocel tloušťky 3–14 mm. Na základě výkonu vašeho laseru, třídy materiálu a jeho tloušťky určujeme doporučený rozsah poměru kyslíku k dusíku a tento poměr pevně nastavujeme pomocí odpovídajícího směšovacího skříně pro plyny, čímž zajišťujeme opakovatelnost výsledků řezání v každé směně a u každé šarže součástí. Tím se „bod rovnováhy mezi kvalitou a náklady“ změní z otázky náhody na opakovatelný standardní provozní postup.

U oceli s tloušťkou 3–14 mm není pomocný plyn jednoznačnou volbou „černé nebo bílé“. Naučte se ladit pomocí Raysoar ’s řady produktů FCP , a získáte současně zbraň rychlosti i trumfovou kartu pro kontrolu nákladů.