Рекомендуемый вспомогательный газ для резки низкоуглеродистой стали средней и малой толщины: смесь газов, кислород, азот или воздух?

Листы низкоуглеродистой стали толщиной от 3 до 14 мм представляют собой наиболее распространённый сегмент материалов в цехах листовой штамповки. Они не настолько тонкие, чтобы резка воздухом проходила легко и без затруднений, и не настолько толстые, чтобы резка чистым кислородом была единственным, но малопроизводительным вариантом. Именно поэтому выбор газа для этой толщины становится самой сложной дилеммой для технологов-инженеров: скорость резки, качество кромки реза и стоимость газа постоянно находятся в противоречии.

Использование чистого кислорода: низкая скорость резки и неэффективная обработка; использование чистого азота: отличное качество поверхности реза, но высокая стоимость газа; использование воздуха: снижение затрат, однако окисление поверхности и образование шлака на нижней кромке требуют последующей обработки.

В этой статье используется прямой подход. Сначала рассматриваются три чистых газовых стратегии, применимые для данного диапазона толщин, а затем предлагается жизнеспособное решение в виде смешанного газа, которое можно внедрить.

Трилемма выбора газа для 3-14углеродистой стали толщиной мм

Прежде всего, уточним суть конфликта. Каждый из трёх газов обладает незаменимыми преимуществами в данном диапазоне толщин, однако каждый из них также имеет недостатки, которые нельзя игнорировать.

Резка чистым кислородом: высокая скорость, но грубая поверхность реза
Скорость резки кислородом при толщине углеродистой стали 3–14 мм, как правило, слишком низка.

Реакция горения феррита выделяет дополнительное тепло; для обеспечения качества и стабильности резки мощность иногда приходится снижать.

Для заводов, которые взимают плату за штуку, скорость — это прибыль. Однако цена столь же очевидна: поверхность реза покрыта черным или темно-серым оксидным слоем толщиной в десятки микрон, который имеет шероховатую структуру и прочно сцеплен с основным материалом. Такой оксидный налет является барьером для последующей сварки или окраски — предварительная зачистка перед сваркой обязательна, а перед окраской требуется дробеструйная обработка. Если в чертеже заказчика указано «открытая поверхность» или «сварка без последующей обработки», деталь, полученная чистым кислородным резом, считается полуфабрикатом и требует дополнительных затрат на последующие операции.

Чистый азотный рез: отделка без последующей обработки и давление затрат
Резка чистым азотом обеспечивает серебристо-белую, блестящую поверхность реза, практически не содержащую оксидов и готовую к непосредственной сварке и покраске. Это мечта отдела контроля качества. Однако при резке углеродистой стали толщиной более 3 мм расход чистого азота становится колоссальным. Чтобы обеспечить отсутствие шлака на нижней кромке, давление и расход газа должны оставаться высокими. При резке углеродистой стали толщиной 8 мм установка мощностью 12 кВт может легко потреблять 80–90 Нм³/ч азота в час. При использовании жидкого азота стоимость газа может превысить общие эксплуатационные расходы установки — электроэнергию, заработную плату, амортизацию и все прочие затраты, взятые вместе. Жёсткая реальность: при резке углеродистой стали толщиной 8 мм чистым азотом чем больше вы режете, тем тоньше может становиться ваша прибыльная маржа.

Резка воздухом: предельная экономическая эффективность с компромиссом в виде оксидного слоя
Можно ли использовать воздушную резку для углеродистой стали толщиной 3–14 мм? Да, при условии, что требования к качеству поверхности реза достаточно мягкие. Поверхность реза, выполненного сжатым воздухом, варьируется от светло-золотистого до коричневого цвета и покрыта плотной оксидной пленкой. По сравнению с черным окалинообразным налетом, получаемым при резке чистым кислородом, эта пленка значительно тоньше. По сравнению с ярко-белой поверхностью, получаемой при резке чистым азотом, она явно «окрашена». Более критично то, что высота заусенцев на нижней кромке листа постепенно возрастает по мере увеличения толщины материала, что делает их удаление крайне затруднительным.

Преимущество воздушной резки — практически нулевая себестоимость; недостаток заключается в том, что такая оксидная пленка и заусенцы остаются неприемлемыми для некоторых применений. Если вы режете полочные панели, рамы оснований станков или внутренние усиливающие ребра — детали, которые скрыты внутри оборудования или предназначены для последующего окрашивания, — воздушная резка является оптимальным решением. Однако если заказчик требует видимую декоративную деталь, воздушная резка не подходит.

В таблице ниже приведены компромиссы, связанные с каждым из подходов, что делает ключевые моменты принятия решений очевидными:

Из данной сравнительной таблицы очевиден вывод: ни одна стратегия использования чистого газа не может одновременно удовлетворить три требования — скорость, качество и стоимость. Именно здесь и применяется подход с использованием смеси газов.

Рекомендуемая стратегия смешивания: балансировочная логика «высокого азота + низкого кислорода»  Азот + низкое содержание кислорода

Газовая смесь — это не простое смешивание двух газов. Она использует способность кислорода усиливать горение и охлаждающее, а также защитное действие азота для создания среды «контролируемого микроскопического окисления» в зоне реза.

При использовании смеси азота (94–96 %) совместно с лазерным излучением на обрабатываемом материале происходят два изменения. Во-первых, азот как инертный компонент снижает концентрацию кислорода, подавляя интенсивность реакции горения железа с кислородом. Оксидная пленка более не образует толстый слой, как при резке чистым кислородом, а ограничивается плотной пленкой толщиной всего несколько микрометров. Во-вторых, усиленный охлаждающий эффект потока азота в зоне реза оптимизирует текучесть расплавленного металла, значительно снижая образование шлака на нижней поверхности.

Результат: по сравнению с чистым кислородом скорость резки углеродистой стали толщиной 3–14 мм при мощности лазера 6000 Вт и 12000 Вт может быть значительно увеличена на 85–364 % при использовании смеси газов.

B однако цвет поверхности реза изменяется от черного до светло-серого, оксидная пленка существенно утончается, а шлифовка перед сваркой или покраской становится необязательной. В этом и заключается ценность логики смешивания — небольшое снижение скорости компенсируется высоким качеством поверхности реза при одновременном значительном снижении расходов на газ по сравнению с использованием чистого азота.

В качестве примера рассмотрим резку стальной пластины из низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм лазером мощностью 12 кВт. Соотношение компонентов смеси, подтвержденное производственными испытаниями, составляет 94 % азота. При таком соотношении скорость резки возрастает на 285 % по сравнению с использованием чистого кислорода, при этом поверхность реза имеет равномерный светло-серый цвет, оксидная пленка практически не ощущается на ощупь, а качество сварного соединения соответствует требованиям к стандартным конструкционным элементам.

Сравнительная таблица скоростей резки волоконным лазером с использованием 3-14мм Углеродистая сталь （O₂ против N₂/воздуха

Предустановленные соотношения смешивания газов и поддержка параметров Raysoar

Все эти рассуждения о соотношениях и диапазонах в конечном счёте сводятся к двум вещам для практического применения в цехе: стабильному и надёжному устройству для подачи газовой смеси с заданным соотношением компонентов и набору проверенных комбинаций параметров.

Raysoar решение Raysoar по смешиванию газов предусматривает предустановленные рекомендации по соотношению компонентов для углеродистой стали толщиной от 3 до 14 мм. Исходя из мощности лазера, марки материала и его толщины, мы определяем рекомендуемый диапазон соотношения кислорода к азоту и фиксируем это соотношение с помощью соответствующего газосмесительного шкафа, обеспечивая воспроизводимость результатов резки в каждой смене и при обработке каждой партии деталей. Благодаря этому «баланс между качеством и стоимостью» перестаёт зависеть от случая и превращается в стандартизированную операционную процедуру.

Для углеродистой стали толщиной от 3 до 14 мм вспомогательный газ — это не «всё или ничего», а параметр, который можно настраивать. Raysoar ’серия продуктов FCP , и одновременно получаете оружие скорости и козырную карту контроля затрат.