Газы в лазерной резке: вспомогательный фактор

1. Причины использования газов в лазерной резке
2. Газы, используемые в лазерной резке
3. Азот в лазерной резке
4. Кислород в лазерной резке
5. Резка лазером в атмосферном воздухе
6. Минусы применения воздуха для лазерной резки
7. Инертные газы в лазерной резке
8. Условия расходования вспомогательных газов
9. Вопросы и ответы

Лазерная резка металла зависит не только от самого оборудования, но и от выбранного вспомогательного газа и точной настройки параметров процесса. В этой статье мы детально рассмотрим параметры, влияющие на выбор газа для обработки, и как этот выбор отражается на результате.

Причины использования газов в лазерной резке

Вспомогательные газы используют в лазерной резке благодаря своим функциям:

• Терморегуляция: лазерный луч испаряет материал и генерирует значительное тепло. Без контроля температуры, это деформирует поверхность, образованию неровностей, заусенцев и повреждению кромки. Подача вспомогательного газа аппаратом через сопло охлаждает зоны обработки, предотвращает перегрев и поддерживает температуру.
• Удаление расплавленного металла: газовая струя подается вместе с лазерным лучом, активно выдувает расплавленный материал и частицы. Это гарантирует чистоту реза, предотвращает образование нагара и обеспечивает постоянство процесса.
• Повышение безопасности: лазерная обработка может сопровождаться искрением или возгоранием материала. Правильно подобранный и поданный газ исключает риск появления искр и возгорания, обеспечивает безопасную работу оборудования.

Выбор вспомогательного вещества существенно влияет на качество и характеристики конечного результата лазерной обработки. Его воздействие проявляется в нескольких параметрах:

• Контроль температуры кромки: эффективно охлаждает кромку реза, сокращает её нагрев и возможность деформации.
• Предотвращение плазменных образований: некоторые газы быстро рассеивают плазму.
• Защита лазерного оборудования: защищает оптические элементы лазера от попадания расплавленного материала и его паров, увеличивает срок службы оборудования и поддерживает его стабильную работу.
• Ускорение процесса резки: активные газы, вступая в экзотермическую реакцию с расплавленным материалом, способствуют ускорению процесса резки за счет дополнительного тепловыделения.
• Защита от окисления: инертные газы, не вступающие в реакции с материалом, предотвращают окисление кромки поверхности, сохраняя её чистоту и предотвращая коррозию.

Газы, используемые в лазерной резке

Вспомогательный газ выделяется вместе с лучом лазера через сопло в волоконных и CO2-лазерах. Он убирает остатки горения с обрабатываемой поверхности. Их выбор зависит от типа и толщины обрабатываемого сырья:

• Активные газы: кислород (ускоряет резание за счет окисления).
• Воздух: Смесь газов, со свойствами, промежуточными между активными и инертными.
• Условно инертные газы: азот (минимальное взаимодействие с материалом).
• Инертные газы: гелий и аргон (практически не взаимодействуют с материалом).

Азот в лазерной резке

Азот применяют в лазерной резке для защиты металла от окисления. Для необходимого результата требуется высокое содержание азота, поскольку даже незначительное присутствие кислорода изменяет цвет и свойства кромки.

Резка азотом требует более мощного лазерного оборудования, более высокого давления газа и точного фокусирования лазерного луча. При этом может получиться более широкий рез. Концентрация азота важна для устойчивости металла к коррозии.

Хотя азот химически активен и принимает участие в реакциях: он не горюч и не окисляет металл, в отличие от кислорода или воздуха. Это предотвращает окисление и образование окалины на кромке реза. Азот эффективно убирает расплавленный металл из зоны обработки, оставляя его химически неизмененным.

Азотную резку применяют для обработки многих видов металлов, включая нержавеющую сталь,  алюминий и его сплавы, высоколегированные стали, никель, латунь и черные металлы никель.

Преимущества азотной резки: чистая кромка, стойкость к разрушению, отсутствие перегревания и накала. Это обеспечивает высокое качество поверхности для дальнейшей обработки, например, покраски.

Азот обычно хранят в криогенных емкостях (газификаторах), где он хранится в жидком виде.

Кислород в лазерной резке

Кислород эффективен для обработки углеродистых, низколегированных сталей и других черных металлов. Однако его окислительные свойства делают его непригодным для сырья, требующего высококачественной, не окисленной кромки, например, перед покраской. Поэтому кислород используют, когда поверхность реза не требует высокой степени чистоты и защиты от коррозии.

Взаимодействие кислорода с металлом выделяет дополнительное тепло. Это значительно ускоряет производство и повышает его эффективность по сравнению с использованием инертных газов. 

Однако, этот же окислительный процесс образует окалину на кромке реза. В случае чёрных и низколегированных сталей это контролируется. Окисная плёнка относительно тонкая и не сильно влияет на свойства материала. Для других металлов (нержавеющая сталь, алюминий и др.) окисление приводит к ухудшению качества реза и появлению нежелательных дефектов.

Таким образом, кислород подходит для тех материалов, где образование окисной пленки на кромке реза не является критичным. Для более требовательных поверхностей лучше применять инертные газы или азот.

Резка лазером в атмосферном воздухе

Альтернатива применения азота и кислорода – сжатый атмосферный воздух. Компрессорная установка выделяет воздух под необходимым давлением в лазерную головку. 

Поскольку воздух — это смесь газов (примерно 80% азота и 20% кислорода). При воздействии лазерного луча азот расплавляет металл и кислород окисляет его одновременно. Происходит дополнительная экзотермическая реакции и повышается температура.

Однако, воздушная резка имеет ограничения. Из-за присутствия кислорода она не подходит для получения высококачественного реза с чистой кромкой в заготовках толщиной более 3 мм. Образование окисной пленки ухудшает свойства материала. Воздушная резка оптимальна для тонколистового металла толщиной около 1-1,5 мм. При работе с атмосферным воздухом давление в компрессоре достигает 10 бар.

Обрабатывать лазером с воздухом можно черные металлы, нержавеющую сталь и алюминий, но с учетом ограничений по толщине листа и требования к качеству кромки. Для более толстых листов или при требовании высокого качества реза лучше использовать азот или инертные газы.

Минусы применения воздуха для лазерной резки

Распространенное суждение о том, что лазерная резка со сжатым воздухом — это экономичный и простой метод, является заблуждением. 

Хотя первоначальные инвестиции могут показаться небольшими (покупка компрессора), на производстве возникают значительные скрытые расходы, которые часто не учитываются производителями.

Для эффективной воздушной резки необходима не только сама компрессорная установка, но и дорогая система очистки сжатого воздуха, цена которой превышает стоимость компрессора.

Требуется регулярное и дорогое техническое обслуживание компрессора (замена масла), а также замена фильтрующих элементов, сбои в работе которых приводят к простоям в производстве и дополнительной очистки системы.

Поэтому полная цена владения системой воздушной обработки заметно выше, чем кажется.

Инертные газы в лазерной резке

Гелий и аргон — инертные газы, не вступающие в химические реакции с расплавленным металлом и продуктами горения. 

Они эффективно убирают при обработке все активные газы, предотвращая окисление и другие нежелательные реакции. 

Инертные газы лучше всего показывают себя в работе с материалами, склонных к образованию оксидов. Например, титана, где использование азота может проявить нежелательных соединений и ухудшить качества реза.

Инертные газы стоят больше азота, поэтому их применяют в тех случаях, когда другие способы не обеспечивают необходимого качества реза или защиты от окисления.

Условия расходования вспомогательных газов

1. Вещество для лазерной резки (преимущественно азот или кислород): используют азот (до 20 бар) или кислород (около 8 бар), выбор зависит от требуемого качества обработки и свойств материала.
2. Чистота газа: чем выше концентрация газа, тем выше значение его чистоты.
3. Диаметр сопла: при увеличении диаметра в два раза расход газа становится в четыре раза больше при одинаковом давлении.
4. Давление газа влияет на качество и расход: среднее значение составляет 10-14 бар. Иногда для специфических заказов его можно повысить до 15 бар. Современные аппараты оснащены двумя газовыми входами: нерегулируемый для азота или атмосферного воздуха и регулируемый для кислорода.
5. Скорость резки (зависит от мощности станка): низкая скорость значит более длительную обработку и, следовательно, больший расход.
6. Вид материала: много газа расходуется при обработке толстых и плотных материалов, например титана.
7. Мощность лазера: более мощный лазер при резке толстолистовых материалов уменьшает расход газа и ускоряет процесс.
8. Наконец, индивидуальные параметры лазерного аппарата влияют на затраты для каждого конкретного заказа.