Рекомендований допоміжний газ для різання нержавіючої сталі середньої та малої товщини: суміш газів, кисень, азот чи повітря?

Листова низьковуглецева сталь товщиною від 3 до 14 мм є найпоширенішим матеріалом у цехах листового металу. Вона не настільки тонка, щоб різання повітрям проходило легко й ефективно, і не настільки товста, щоб різання чистим киснем було єдиним, хоча й малоефективним, варіантом. Саме тому вибір газу для цього діапазону товщин стає найскладнішою трилемою для технологів-процесів: швидкість різання, якість зрізу та вартість газу постійно перебувають у протиріччі.

Використання чистого кисню: повільна швидкість різання та неефективна обробка; використання чистого азоту: відмінна якість поверхні зрізу, але високі витрати на газ; використання повітря: зниження витрат, однак окислення поверхні та накопичення шлаку на нижньому краї зрізу ускладнюють подальшу обробку.

У цій статті використовується прямий підхід. Спочатку розглядаються три чисті газові стратегії, що розглядаються для цього діапазону товщин, а потім наводиться практичне рішення з використанням суміші газів, яке можна реалізувати.

Трилема вибору газу для 3-14вуглецевої сталі товщиною мм

По-перше, уточнимо суть конфлікту. Кожен із трьох газів має незамінні переваги в цьому діапазоні товщин, але кожен також має недоліки, які не можна ігнорувати.

Різання чистим киснем: висока швидкість, але груба поверхня різу
Швидкість різання киснем на вуглецевій сталі товщиною 3–14 мм, як правило, надто низька.

Реакція горіння фериту генерує додаткове тепло; щоб забезпечити якість та стабільність різання, потужність іноді доводиться знижувати під час процесу різання.

Для фабрик, що оплачують роботу за штуку, швидкість — це прибуток. Але ціна також очевидна: різана поверхня покрита чорним або темно-сірим оксидним шаром товщиною в десятки мікрон, шорстким і міцно зв’язаним із основним матеріалом. Цей оксидний наліт є перешкодою для подальшого зварювання або фарбування — перед зварюванням обов’язково потрібно шліфування, а перед фарбуванням — дробоструминна обробка. Якщо у кресленні замовника вказано «експонована поверхня» або «зварювати без подальшої обробки», деталь, вирізана чистим киснем, є напівфабрикатом і потребує додаткових витрат на наступних етапах.

Різання чистим азотом: готова до використання поверхня без подальшої обробки та тиск на витрати
Різання чистим азотом дає сріблясто-білу, блискучу поверхню різу, практично вільну від оксидів, яку можна безпосередньо зварювати й фарбувати. Це справжній «сон» відділу якості. Однак при різанні вуглецевої сталі товщиною понад 3 мм витрати чистого азоту є надзвичайно великими. Щоб забезпечити вільну від шлаку нижню частину різу, тиск і витрата газу мають залишатися високими. Устаткування потужністю 12 кВт може споживати до 80–90 Нм³/год азоту на годину під час різання вуглецевої сталі товщиною 8 мм. Якщо використовувати рідкий азот, вартість газу може перевищити загальні експлуатаційні витрати устаткування — електроенергія, заробітна плата, амортизація тощо, разом узяті. Жорстка реальність: під час різання вуглецевої сталі товщиною 8 мм чистим азотом чим більше ви ріжете, тим тонша може ставати ваша прибуткова маржа.

Різання повітрям: надзвичайна економічна ефективність із компромісом у вигляді оксидного шару
Чи можна використовувати різання стисненим повітрям для вуглецевої сталі товщиною 3–14 мм? Так, за умови, що ваші вимоги до якості зрізаної поверхні достатньо широкі. Поверхня зрізу, отримана за допомогою стисненого повітря, має відтінки від світло-золотистого до коричневого й покрита щільною оксидною плівкою. У порівнянні з чорним окалиною, що утворюється при різанні чистим киснем, ця плівка значно тонша. У порівнянні з яскраво-білим зрізом, отриманим за допомогою чистого азоту, вона, безумовно, «колорована». Ще важливіше те, що висота заусенця на нижньому краю заготовок поступово зростає від тонких до товстих листів, що ускладнює його видалення практично до неможливості.

Перевага різання повітрям — його майже нульова вартість; недолік полягає в тому, що ця оксидна плівка та заусенці все ще неприйнятні в певних застосуваннях. Якщо ви ріжете полички, рами основ машин або внутрішні ребра жорсткості — деталі, які приховані всередині машин або призначені для подальшого фарбування, — різання повітрям є оптимальним рішенням. Однак якщо клієнт вимагає видимої естетичної деталі, різання повітрям є недостатнім.

Наведена нижче таблиця узагальнює компроміси щодо кожного підходу, чітко визначаючи ключові моменти прийняття рішень:

З цієї порівняльної таблиці висновок очевидний: жодна стратегія використання чистого газу не може одночасно задовольнити три вимоги — швидкість, якість та вартість. Саме для цього й застосовується підхід із використанням змішаних газів.

Рекомендована стратегія суміші: балансування з високим  Вмістом азоту та низьким вмістом кисню

Газова суміш — це не просте змішування двох газів. Вона використовує здатність кисню підсилювати горіння та охолоджувальну й захисну дію азоту, щоб створити «контрольоване мікроокиснення» в різі.

Коли суміш азоту (94–96 %) поєднується з лазерним випромінюванням і застосовується до матеріалу, відбуваються дві зміни. По-перше, азот як інертний компонент знижує концентрацію кисню, пригнічаючи інтенсивність реакції окиснення заліза й кисню. Оксидна плівка більше не утворюється хаотично й не ущільнюється в товстий шар, як у разі різання чистим киснем, а обмежується щільною плівкою завтовшки лише кілька мікрон. По-друге, покращений охолоджувальний ефект азотного потоку на різі оптимізує рухливість розплавленого металу, значно зменшуючи утворення шлаку на нижньому краю.

Результат: порівняно з чистим киснем, швидкість різання вуглецевої сталі товщиною 3–14 мм за потужності 6000 Вт і 12000 Вт може бути значно збільшена на 85–364 % при використанні суміші газів.

B однак колір різаного торця змінюється від чорного до світло-сірого, оксидна плівка значно стає тоншою, а шліфування перед зварюванням або фарбуванням більше не потрібне. У цьому й полягає цінність логіки змішування — компроміс між прийнятним зростанням швидкості та якістю отриманого різаного торця, при цьому витрати на гази суттєво нижчі, ніж у разі використання чистого азоту.

Наприклад, для різання листа малоуглеродистої сталі товщиною 8 мм лазером потужністю 12 кВт оптимальне співвідношення компонентів суміші, підтверджене виробничими випробуваннями, становить 94 % азоту. За цього співвідношення швидкість різання зростає на 285 % порівняно з використанням чистого кисню, при цьому різаний торець має рівномірний світло-сірий колір, оксидна плівка практично не відчувається на дотик, а якість зварного шва відповідає вимогам до стандартних конструктивних елементів.

Порівняльна таблиця швидкостей різання волоконним лазером з використанням 3–14 мм Вуглецева сталь （O₂ проти N₂/повітря

Попередньо налаштовані співвідношення змішування газів та підтримка параметрів Raysoar

Усі ці обговорення співвідношень та діапазонів врешті-решт зводяться до двох речей для практичного виконання в майстерні: стабільного й надійного пристрою для виведення співвідношення змішування газів та набору перевірених комбінацій параметрів.

Raysoar рішення Raysoar щодо змішаних газів надає попередньо налаштовані рекомендації щодо співвідношення змішування газів для вуглецевої сталі товщиною 3–14 мм. Враховуючи потужність вашого лазера, марку матеріалу та його товщину, ми вказуємо рекомендоване вікно співвідношення кисню до азоту й фіксуємо це співвідношення за допомогою відповідного шафового блоку змішування газів, забезпечуючи повторюваність результатів різання в кожну зміну та для кожної партії деталей. Це перетворює «точку балансу між якістю та витратами» з випадкового фактора на повторюваний стандартний оперативний процес.

На сталі з низьким вмістом вуглецю товщиною 3–14 мм вибір допоміжного газу не є однозначним. Навчіться налаштовувати його за допомогою Raysoar ’сериї продуктів FCP , і ви одночасно отримаєте засіб для досягнення швидкості та козирну карту для контролю витрат.