گاز کمکی توصیه‌شده برای فولاد نرم با ضخامت متوسط تا نازک: گاز مخلوط، اکسیژن، نیتروژن یا هوا؟

ورق‌های فولاد نرم در محدوده ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر رایج‌ترین نوع مواد در کارگاه‌های ساخت قطعات فلزی صفحه‌ای هستند. این ضخامت آن‌قدر کم نیست که برش با هوا به‌راحتی انجام شود و نیز آن‌قدر زیاد نیست که برش با اکسیژن خالص تنها گزینه کم‌بازده باشد. دقیقاً به‌دلیل این ویژگی، انتخاب گاز مناسب برای این محدوده ضخامت، سه‌گانه‌ای دشوار از ملاحظات فنی برای مهندسان فرآیند ایجاد می‌کند: سرعت برش، کیفیت لبه برش و هزینه گاز همواره در تضاد با یکدیگر هستند.

استفاده از اکسیژن خالص: سرعت برش پایین و پردازش ناکارآمد؛ استفاده از نیتروژن خالص: کیفیت عالی سطح برش اما هزینه بالای گاز؛ انتخاب هوای اتمسفری: کاهش هزینه‌ها، اما اکسیداسیون سطح و تجمع سرباره در پایین قطعه، فرآیندهای پردازشی بعدی را ضروری می‌سازد.

این مقاله رویکردی مستقیم اتخاذ کرده است. ابتدا سه استراتژی خالص گازی موجود برای این محدوده ضخامت را تحلیل می‌کند و سپس راه‌حلی عملی برای ترکیب گازها ارائه می‌دهد که قابل اجراست.

سه‌گانه چالش‌برانگیز انتخاب گاز برای 3-14فولاد کربنی با ضخامت میلی‌متر

اول از همه، باید ماهیت اصلی این تضاد را روشن کنیم. هر یک از این سه گاز در این محدوده ضخامت مزایایی منحصر به‌فرد دارند، اما هر کدام نیز معایبی دارند که نمی‌توان آنها را نادیده گرفت.

برش با اکسیژن خالص: سرعت بالا اما سطح برش نامنظم
سرعت برش با اکسیژن روی فولاد کربنی با ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر عموماً بسیار پایین است.

واکنش احتراق فریت گرمای اضافی تولید می‌کند؛ برای اطمینان از کیفیت و پایداری برش، گاهی اوقات ممکن است لازم باشد توان در حین برش کاهش یابد.

برای کارخانه‌هایی که بر اساس هر قطعه هزینه دریافت می‌کنند، سرعت به معنای سود است. اما قیمت آن نیز به‌طور مشابه آشکار است: سطح برش‌خورده با لایه‌ای از اکسید سیاه یا خاکستری تیره پوشیده می‌شود که ضخامت آن می‌تواند ده‌ها میکرون باشد، زبر بوده و به‌طور محکمی به مادهٔ پایه متصل است. این لایهٔ اکسیدی مانعی برای فرآیندهای بعدی مانند جوشکاری یا رنگ‌آمیزی محسوب می‌شود؛ بنابراین سنباده‌زنی قبل از جوشکاری اجباری است و پیش از رنگ‌آمیزی نیز نیاز به شات بلاستینگ داریم. اگر در نقشهٔ مشتری عبارت «سطح نمایان» یا «جوشکاری بدون پرداخت بعدی» ذکر شده باشد، قطعه‌ای که با اکسیژن خالص برش‌خورده است، تنها نیمه‌تمام محسوب می‌شود و هزینه‌های اضافی در فرآیندهای بعدی را به دنبال خواهد داشت.

برش با نیتروژن خالص: پایان‌یافتن بدون نیاز به پرداخت بعدی و فشار هزینه‌ای
برش با نیتروژن خالص سطح برشی نقرهای-سفید و درخشان تولید میکند که تقریباً فاقد اکسید است و آماده جوشکاری مستقیم و رنگ‌آمیزی مستقیم می‌باشد. این رویاى بخش کیفیت است. با این حال، برای فولاد کربنی با ضخامت بالاتر از ۳ میلی‌متر، مصرف گاز در برش با نیتروژن خالص بسیار بالاست. برای اطمینان از عدم تشکیل ذوب‌شده (دروز) در قسمت پایینی برش، فشار و دبی باید در سطح بالا نگه داشته شوند. یک دستگاه ۱۲ کیلوواتی هنگام برش فولاد کربنی ۸ میلی‌متری به‌راحتی می‌تواند ۸۰ تا ۹۰ نیومترمکعب در ساعت نیتروژن مصرف کند. در صورت استفاده از نیتروژن مایع، این هزینه گاز ممکن است از کل هزینه‌های عملیاتی دستگاه—شامل برق، نیروی کار و استهلاک—فراتر رود. واقعیت سختی این است که هنگام برش فولاد کربنی ۸ میلی‌متری با نیتروژن خالص، هرچه بیشتر برش انجام شود، حاشیه سود شما ممکن است کمتر شود.

برش با هوای اتمسفری: کارایی بسیار بالا از نظر هزینه، با این تفاوت که لایه‌ای اکسیدی تشکیل می‌شود
آیا برش هوای فشرده را می‌توان روی فولاد کربنی با ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر استفاده کرد؟ بله، به شرط اینکه محدودیت‌های شما در قبولیت سطح برش کافی باشد. سطح برش حاصل از هوای فشرده از طلایی کمرنگ تا قهوه‌ای متغیر است و دارای لایه‌ای متراکم از اکسید می‌باشد. این لایه در مقایسه با لایه سیاه اکسیدی حاصل از اکسیژن خالص بسیار نازک‌تر است. همچنین در مقایسه با سطح سفید درخشان حاصل از نیتروژن خالص، به وضوح «رنگی» است. مهم‌تر از همه، ارتفاع لبه‌های نامنظم (بر) در پایین ورق‌ها به‌صورت تدریجی از ورق‌های نازک به ضخیم‌تر افزایش می‌یابد و حذف آن‌ها بسیار دشوار می‌شود.

مزیت برش هوای فشرده، هزینه‌ای نزدیک به صفر دارد؛ اما معایب آن شامل وجود این لایه اکسیدی و لبه‌های نامنظم است که در برخی کاربردها هنوز غیرقابل قبول هستند. اگر شما در حال برش تخته‌های قفسه، قاب‌های پایه ماشین یا تقویت‌کننده‌های داخلی—قطعاتی که درون ماشین‌ها پنهان می‌شوند یا قرار است رنگ‌آمیزی شوند—هستید، برش هوای فشرده راه‌حلی ایده‌آل است. اما اگر مشتری قطعه‌ای ظاهری و نمایان را درخواست کند، برش هوای فشرده کافی نخواهد بود.

جدول زیر تضادهای هر رویکرد را خلاصه می‌کند و نقاط تصمیم‌گیری را آشکار می‌سازد:

از این جدول مقایسه‌ای، نتیجه‌گیری آشکار است: هیچ استراتژی منفردی مبتنی بر گاز خالص نمی‌تواند به‌طور همزمان سه نیاز سرعت، کیفیت و هزینه را برآورده کند. این دقیقاً جایی است که رویکرد مخلوط گازها وارد عمل می‌شود.

استراتژی پیشنهادی مخلوط: منطق تعادل‌سازی بالا  نیتروژن + اکسیژن کم

مخلوط گاز، ترکیب ساده‌ای از دو گاز نیست. بلکه از اثر تقویت‌کنندهٔ احتراق اکسیژن و اثر خنک‌کننده و محافظتی نیتروژن بهره می‌برد تا محیطی از «اکسیداسیون میکرو-کنترل‌شده» درون شیار برش ایجاد کند.

وقتی مخلوطی از گاز نیتروژن (۹۴ تا ۹۶ درصد) با تابش لیزر ترکیب شده و بر روی ماده اعمال می‌شود، دو تغییر رخ می‌دهد. اولاً، نیتروژن به‌عنوان یک جزء بی‌اثر، غلظت اکسیژن را رقیق کرده و شدت واکنش احتراق آهن-اکسیژن را کاهش می‌دهد. لایه اکسیدی دیگر مانند برش با اکسیژن خالص، به‌صورت نامنظم و به‌صورت لایه‌ای ضخیم رشد نمی‌کند، بلکه به یک فیلم متراکم با ضخامتی در حد چند میکرون محدود می‌شود. ثانیاً، اثر سرمایشی بهبودیافته جریان نیتروژن بر روی شیار برش، روانی فلز مذاب را بهینه کرده و پسماند زیرین (دروز) را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

نتیجه این است: در مقایسه با اکسیژن خالص، سرعت برش فولاد کربنی با ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر، تحت شرایط توان ۶۰۰۰ وات و ۱۲۰۰۰ وات، با استفاده از گازهای مخلوط می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی ۸۵ تا ۳۶۴ درصد افزایش یابد.

B اما رنگ سطح برش از سیاه به خاکستری روشن تغییر می‌کند، لایه اکسیدی به‌طور چشمگیری نازک‌تر می‌شود و دیگر نیازی به سوهان‌کاری قبل از جوشکاری یا رنگ‌آمیزی نیست. این مقدار منطق ترکیبی است که در آن مقدار قابل قبولی از سرعت در ازای به‌دست‌آوردن سطح برش قابل قبول فدا می‌شود، در حالی که هزینه گاز به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تر از نیتروژن خالص است.

به‌عنوان مثال، برای ورق فولاد نرم ضخامت ۸ میلی‌متر با دستگاه برش لیزری ۱۲ کیلوواتی، نسبت فرمول‌بندی مرجع که از طریق آزمون‌های تولیدی تأیید شده است، ۹۴٪ نیتروژن است. در این نسبت، سرعت برش نسبت به اکسیژن خالص ۲۸۵٪ افزایش می‌یابد، اما سطح برش رنگ خاکستری روشن یکنواختی دارد، لایه اکسید تشکیل‌شده تقریباً غیرقابل‌لمس است و کیفیت جوش‌کاری نیز مطابق با الزامات استاندارد قطعات سازه‌ای است.

جدول مقایسه‌ای سرعت‌های برش لیزری الیافی با ۳ تا ۱۴ میلی‌متر فولاد کربنی （اکسیژن در مقابل نیتروژن/هوا

نسبت‌های ازپیش تنظیم‌شده گاز ترکیبی و پشتیبانی از پارامترهای Raysoar

همه این بحث‌ها درباره نسبت‌ها و پنجره‌ها در نهایت به دو مورد برای اجرای کارگاهی منجر می‌شود: دستگاهی پایدار و قابل اعتماد برای تولید نسبت اختلاط گاز، و مجموعه‌ای از ترکیبات پارامترهای معتبرسازی‌شده.

Raysoar راه‌حل گاز اختلاطی ما پیش‌تنظیم‌شده‌هایی برای نسبت اختلاط گاز را برای فولاد کربنی با ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر ارائه می‌دهد. بر اساس توان لیزر، درجه ماده و ضخامت آن، ما پنجره‌ای از نسبت اکسیژن به نیتروژن را توصیه می‌کنیم و این نسبت را با استفاده از کابینت اختلاط گاز متناظر ثابت می‌کنیم تا نتیجه برش در هر شیفت و در هر دسته از قطعات تکرارپذیر باشد. این امر نقطه تعادل «کیفیت-هزینه» را از یک عامل تصادفی به یک رویه استاندارد عملیاتی تکرارپذیر تبدیل می‌کند.

در فولاد نرم با ضخامت ۳ تا ۱۴ میلی‌متر، گاز کمکی انتخابی سیاه یا سفید و منحصر به فرد نیست. با محصول سری FCP Raysoar ’را تنظیم کنید و همزمان ابزار سرعت و کارت برنده کنترل هزینه را به دست خواهید آورد.