Zalecany gaz wspomagający do cięcia średnio cienkiej stali węglowej: gaz mieszany, tlen, azot czy powietrze?

Płyty ze stali łagodnej o grubości od 3 do 14 mm stanowią najbardziej powszechny segment materiałów w warsztatach obróbki blach. Nie są one na tyle cienkie, aby cięcie powietrzem przebiegało bez większego wysiłku, ani na tyle grube, aby jedyną możliwą – choć mało wydajną – opcją było cięcie czystym tlenem. Dlatego właśnie wybór gazu do cięcia w tym zakresie grubości staje się najtrudniejszym trilematem dla inżynierów procesowych – prędkość cięcia, jakość krawędzi cięcia oraz koszty gazu pozostają w stałym konflikcie.

Zastosowanie czystego tlenu: niska prędkość cięcia i mała wydajność procesu; zastosowanie czystego azotu: doskonała jakość powierzchni cięcia, ale bardzo wysokie koszty gazu; wybór powietrza: obniża koszty, jednak prowadzi do utleniania powierzchni oraz nagromadzenia żużlu na dolnej krawędzi, co wymaga dodatkowych operacji obróbkowych.

Ten artykuł przyjmuje bezpośredni podejście. Najpierw analizuje trzy czyste strategie gazowe rozpatrywane dla tego zakresu grubości, a następnie przedstawia praktyczne rozwiązanie mieszanki, które można zaimplementować.

Dylemat wyboru gazu do 3-14stali węglowej o grubości mm

Po pierwsze, wyjaśnijmy istotę konfliktu. Każdy z trzech gazów oferuje niezastąpione zalety w tym zakresie grubości, ale każdy z nich ma również wady, których nie można zignorować.

Cięcie czystym tlenem: wysoka prędkość, chropowata powierzchnia cięcia
Prędkość cięcia tlenem stali węglowej o grubości 3–14 mm jest zazwyczaj zbyt niska.

Reakcja spalania ferrytu generuje dodatkowe ciepło; aby zapewnić jakość i stabilność cięcia, moc czasem musi być obniżana podczas procesu cięcia.

Dla zakładów produkcyjnych, które naliczają opłatę za sztukę, szybkość to zysk. Jednak cena jest równie oczywista: powierzchnia cięcia pokryta jest czarną lub ciemnoszarą warstwą tlenku o grubości nawet kilkudziesięciu mikrometrów, która jest chropowata i silnie połączona z materiałem podstawowym. Ta warstwa tlenkowa stanowi barierę dla kolejnych procesów spawania lub malowania – przed spawaniem konieczne jest szlifowanie, a przed malowaniem wymagane jest piaskowanie. Jeśli na rysunku klienta określono „powierzchnia widoczna” lub „spawać bez obróbki końcowej”, element wykonany metodą cięcia czystym tlenem jest półwyrobem, który wymaga dodatkowych kosztów w dalszych etapach produkcji.

Cięcie czystym azotem: gotowy do użycia wykończenie bez konieczności obróbki końcowej i presja kosztowa
Cięcie czystym azotem daje srebrno-białą, błyszczącą powierzchnię cięcia, praktycznie pozbawioną tlenków, gotową do bezpośredniego spawania i natychmiastowego malowania. To marzenie działu jakości. Jednak przy cięciu stali węglowej o grubości powyżej 3 mm zużycie czystego azotu jest ogromne. Aby zapewnić brak żużlu na dolnej krawędzi cięcia, ciśnienie i przepływ gazu muszą być utrzymywane na wysokim poziomie. Maszyna o mocy 12 kW może łatwo zużywać 80–90 Nm³/h azotu na godzinę podczas cięcia stali węglowej o grubości 8 mm. W przypadku stosowania azotu ciekłego koszt gazu może przekroczyć całkowity koszt eksploatacji maszyny – obejmujący energię elektryczną, wynagrodzenia pracowników oraz amortyzację – razem wzięte. Surowa rzeczywistość: przy cięciu stali węglowej o grubości 8 mm czystym azotem im więcej cięć wykonasz, tym cieńsza może stać się Twoja marża zysku.

Cięcie powietrzem: skrajna opłacalność przy kompromisie w postaci warstwy tlenków
Czy cięcie powietrzem może być stosowane do stali węglowej o grubości 3–14 mm? Tak, pod warunkiem, że akceptowalny jest wystarczająco szeroki zakres jakości powierzchni cięcia. Powierzchnia cięcia uzyskana przy użyciu sprężonego powietrza ma barwę od jasnozłotej do brązowej i pokryta jest gęstą warstwą tlenku. W porównaniu do czarnej warstwy skorupki powstającej przy cięciu czystym tlenem ta warstwa tlenku jest znacznie cieńsza. W porównaniu do jasnobiałej powierzchni uzyskiwanej przy cięciu czystym azotem jest ona wyraźnie „okolorowana”. Co ważniejsze, wysokość wypraski na dolnej krawędzi blach rośnie stopniowo wraz ze wzrostem ich grubości, co czyni jej usunięcie niezwykle trudnym.

Zaletą cięcia powietrzem jest jego praktycznie zerowy koszt; jego wadą jest to, że ta warstwa tlenku oraz wypraski pozostają nadal nieakceptowalne w niektórych zastosowaniach. Jeśli cięte są panele półek, ramy podstaw maszyn lub wewnętrzne żeberka wzmacniające – czyli elementy ukrywane wewnątrz maszyn lub przeznaczone do malowania – cięcie powietrzem stanowi optymalne rozwiązanie. Jednak jeśli klient wymaga widocznego elementu estetycznego, cięcie powietrzem jest niewystarczające.

Poniższa tabela podsumowuje kompromisy związane z każdą z tych metod, ułatwiając podejmowanie decyzji:

Z tej tabeli porównawczej wynika jednoznacznie, że żadna strategia wykorzystująca pojedynczy czysty gaz nie może jednocześnie spełniać trzech wymagań: szybkości, jakości i kosztów. Właśnie w tym miejscu pojawia się podejście z wykorzystaniem mieszanki gazów.

Zalecana strategia mieszania: logika równowagi przy wysokim  Stężeniu azotu + niskim stężeniu tlenu

Mieszanka gazów nie jest prostym połączeniem dwóch gazów. Wykorzystuje wspomagający spalanie wpływ tlenu oraz chłodzący i ochronny wpływ azotu, aby stworzyć w szczelinie cięcia „kontrolowane mikroutlenianie”.

Gdy mieszanka gazu azotowego (94–96 %) poddawana jest działaniu promieniowania laserowego i stosowana do materiału, następują dwie zmiany. Po pierwsze, azot jako składnik obojętny rozcieńcza stężenie tlenu, hamując intensywność reakcji utleniania żelaza z tlenem. Warstwa tlenków nie rośnie już niekontrolowanie, tworząc grube warstwy, jak w przypadku cięcia czystym tlenem, lecz ograniczana jest do gęstej warstwy o grubości zaledwie kilku mikrometrów. Po drugie, wzmocniony efekt chłodzenia strumienia azotu w szczelinie cięcia optymalizuje płynność stopionego metalu, znacznie zmniejszając ilość osadów na dolnej krawędzi cięcia.

Wynik: W porównaniu z czystym tlenem prędkość cięcia stali węglowej o grubości 3–14 mm przy mocy 6000 W i 12000 W można znacznie zwiększyć o 85–364%, stosując gazy mieszane.

B jednak kolor powierzchni cięcia zmienia się z czarnego na jasnoszary, warstwa tlenków znacznie się cieni, a szlifowanie nie jest już wymagane przed spawaniem lub malowaniem. To właśnie wartość logiki mieszania – poświęcenie akceptowalnej ilości prędkości w zamian za wysokiej jakości powierzchnię cięcia przy jednoczesnym znacznym obniżeniu kosztów gazów w porównaniu z czystym azotem.

Na przykład przy cięciu blachy ze stali miękkiej o grubości 8 mm laserem o mocy 12 kW zweryfikowana w testach produkcyjnych proporcja składu odniesienia wynosi 94% azotu. Przy tej proporcji prędkość cięcia wzrasta o 285% w porównaniu z czystym tlenem, natomiast powierzchnia cięcia ma jednolity kolor jasnoszary, warstwa tlenków jest niemal niewyczuwalna dotykiem, a jakość spoiny spełnia wymagania standardowych elementów konstrukcyjnych.

Tabela porównawcza prędkości cięcia przy zastosowaniu włókienkowego lasera cięcia z 3–14 mm Stal węglowa （O₂ vs N₂/powietrze

Wstępnie skonfigurowane proporcje mieszania gazów oraz wsparcie parametrów firmy Raysoar

Cała ta dyskusja na temat proporcji i zakresów sprowadza się ostatecznie do dwóch kwestii mających znaczenie w warsztacie: stabilnego i niezawodnego urządzenia do wyznaczania proporcji mieszania gazów oraz zestawu zweryfikowanych kombinacji parametrów.

Raysoar rozwiązanie Raysoar do mieszania gazów oferuje wstępnie skonfigurowane zalecane proporcje mieszania dla stali węglowej o grubości 3–14 mm. Na podstawie mocy lasera, klasy materiału oraz jego grubości określamy zalecaną szerokość okna proporcji tlenu do azotu i ustalamy tę proporcję za pomocą odpowiedniego szafy do mieszania gazów, zapewniając powtarzalność wyników cięcia w każdej zmianie oraz w każdej partii detali. Dzięki temu „punkt równowagi jakości i kosztów” przestaje być sprawą przypadku i staje się powtarzalną procedurą operacyjną.

W przypadku stali łagodnej o grubości 3–14 mm wybór gazu wspomagającego nie jest jednoznaczny. Naucz się dostosowywać go za pomocą Raysoar ’serii produktów FCP , a jednocześnie zdobędziesz broń szybkości oraz kartę wygranej w zakresie kontroli kosztów.