⬛ Лазерная резка углеродистой стали

Загружаем…

Общие сведения о чёрной стали

Чёрная сталь (чермет) — сплав железа с углеродом при содержании углерода до 2 %. В зависимости от процента углерода чёрную сталь классифицируют на:

Малоуглеродистую — содержание углерода менее 0,25 %.
Углеродистую — содержание углерода 0,25–0,6 %.
Высокоуглеродистую — содержание углерода выше 0,6 %.

По методу получения металлопроката чёрная сталь бывает горячекатаной и холоднокатаной. Их основное отличие — температура процесса обработки.

При производстве горячекатаной стали применяется более низкосортное сырьё, поэтому её цена ниже, чем у холоднокатаного аналога. Толщина горячекатаной стали может достигать более 160 мм.

Холоднокатаная сталь обычно применяется для тонколистовых металлоконструкций, толщиной от 0,4 мм до 6 мм. Холоднокатаная сталь более качественная по сравнению с горячекатаной, поэтому и её цена выше.

Выбор металла

Сортность поставляемого металла:

Первый сорт
Второй сорт
Третий сорт
Не кондиция

Для лазерной резки подходят первый и второй сорт, особенно при изготовлении деталей под покраску или декоративных изделий. Сорта отличаются качеством состава и процессом изготовления металла.

Для стабильной работы с материалом оператор лазерной резки должен получить пробный лист необходимой толщины от завода-изготовителя с описанием марки металла и технологии производства. В таком случае оператор может увидеть недостатки продукции, оценить все риски и при согласовании подобрать стабильный режим для серийного выпуска, сотрудничая с поставщиком на постоянной основе. Либо просто сменить поставщика, чтобы избежать проблем при серийной резке.

Состав материала

Материал, который вы используете, играет жизненно важную роль. Низкосортная сталь часто содержит примеси, обладающие высокой реакционной способностью при нагреве. На этом этапе происходит несколько тепловых реакций, которые могут повлиять на образование окалины, резких выбросов металла и других дефектов резки. Если вязкость расплава высокая, окалина прилипнет к материалу и потребует дополнительной очистки. Снижение скорости или дополнительная обработка явно не идут в плюс к производству деталей.

Качество металла

Если прокат листа был выполнен с нарушением технологии, а готовые листы хранились неправильно, будьте готовы столкнуться со следующим: листы покрыты ржавчиной, поверхность неоднородная, толщина по плоскости может различаться, наличие пор в металле может вызывать дефекты при резке.

Выбор газа

Кислород и воздух обычно используются для резки мягкой стали и низколегированных сталей. Азот как универсальный газ тоже подходит для резки, но из-за высокого расхода его применяют только в крайних случаях.

Использование кислорода

Вызывает экзотермическую реакцию, которая хорошо влияет на резку чёрного металла. Тем не менее кислородная резка приводит к окисленным кромкам реза и требует тщательного контроля параметров процесса, чтобы свести к минимуму прилипание окалины, образование шлака, грата, шероховатости и зоны термического влияния (ЗТВ / HAZ).

Давление кислорода на сопле обычно лежит в диапазоне 0,5–5 бар.
Давление кислорода уменьшается по мере увеличения толщины листа, чтобы избежать эффекта горения, а диаметр сопла увеличивается.
Важна высокая чистота газа: сталь толщиной 1 мм можно резать на 30 % быстрее, используя кислород чистотой 99,9 % или 99,99 % по сравнению со стандартной чистотой 99,7 %.
Максимальная толщина материала относительно выше для кислородной резки, чем для азотной резки под высоким давлением.

Сжатый воздух

Лучше использовать для резки тонких листов. Скорость резки тонколистового металла на порядок выше, чем кислородом.
Но на металлах от 2 мм избежать дефектов резки уже будет сложно — потребуется дополнительная обработка.
Давление воздуха, поднятое до 5–6 бар, достаточно, чтобы сдуть расплавленный металл из реза.
Поскольку почти 80 % воздуха — это азот, резка сжатым воздухом — это, по сути, резка плавлением.
Из минусов использования компрессора — его придётся регулярно обслуживать (менять масло), а фильтры иногда выходят из строя. Три месяца нормально работали, а потом начали «плеваться», конденсат с ресивера летит и т. д. Если один раз засорить тракт, а потом поставить воздух с нормальными фильтрами, это всё равно не поможет — придётся чистить сам тракт, продувать его спиртом.

Центровка луча и проверка оптической системы и сопла

В начале смены убедитесь, что юстировка лазерного луча в норме и защитные стёкла чистые. При появлении дефектов рекомендуется начать устранение с проверки центра луча и чистоты лазерных защитных стёкол. Также не забывайте, что при кислородной резке стоит использовать двойные сопла и регулярно проверять геометрию выходного отверстия.

Дефекты резки: окалина, заусенцы, шлак, грат

Окалина — нежелательное скопление отходов, образующихся из расплавленного материала. Эти отходы образуются как побочный продукт процесса резки.

Три основные причины: низкоскоростная окалина, высокоскоростная окалина и высокодисперсная окалина (шлак).

Высокоскоростная окалина. При слишком высокой скорости резки дуга начнёт отставать в пропиле, оставляя неразрезанный материал на нижней стороне листа. Окалина начнёт накапливаться, что приведёт к ухудшению качества реза.

Окалина на низкой скорости. При слишком низкой скорости резак ищет дополнительный материал для резки. Диаметр дуги продолжает увеличиваться, что приводит к более широкому пропилу в точке, когда высокоскоростная составляющая плазмы уже не рассеивает расплавленный металл. Поэтому расплавленный материал скапливается вокруг основания листа.

Шлак (высокодисперсная окалина). Образуется, когда повторно затвердевшие металлы оставляют отложения на поверхности, которые позже осыпаются кусочками. В большинстве случаев это связано с двумя факторами: слишком высокая скорость или недостаточное давление в сопле. В отличие от двух других видов, удалить шлак очень просто и может сделать любой.

Грат (облой). Затвердевшие капли расплавленного металла на кромке изделия, появляются при нарушении скорости или других технологических особенностей резки больших толщин.

Грат в форме бисера с направленными вниз желобками, налипающий на конструкционную сталь. Причина — слишком высокое положение фокуса по отношению к номиналу или слишком быстрая скорость раскроя. Решение: замедлить работу на 10 % или снизить положение фокуса.
Грат с крошками и выбоинами на заготовке. Появляется при положении фокуса ниже номинала, когда имеют место повышенное давление кислорода и налипание частиц на высокой скорости. Устранить можно, повысив фокус и замедлив процесс на 5–10 %.

Заусенец — высокоадгезивный отвердевший материал или отвердевший оксидный шлак, формирующийся на нижней стороне реза. Расплавленные материалы с высоким поверхностным натяжением и низкой вязкостью труднее удаляются с фронта резки вспомогательным газом и могут приводить к прилипанию окалины на нижней стороне.

Зона термического влияния (ЗТВ / HAZ)

Лазерная резка создаёт зону термического влияния (ЗТВ) рядом с кромкой реза. ЗТВ — это часть металла, структура которого подвергается воздействию нагрева, но не плавится. Микроструктурное изменение в ЗТВ — одна из характеристик, определяющих качество лазерной резки.

ЗТВ приводит к структурным изменениям металла, ослабляющим деталь в этой зоне, поэтому возникновение выплеска металла затруднит дальнейшую резку. Решают проблему: предварительная пробивка, постоянная продувка, резка от центра в разные стороны, дополнительная продувка.

Побитие металла

Разрыв заготовки на стороне врезания, кратер при прокалывании. Образуется из-за низкого фокуса, неверно заданных параметров: низкой высоты резки, высокой частоты, излишней величины сопла и мощности пробивки.

Чтобы избежать данного дефекта:

повысьте фокус;
поставьте сопло меньшего диаметра;
установите параметры врезания по умолчанию;
проведите предварительную пробивку.

Условия для кислородной резки металла

Для резки металла кислородом необходимы следующие условия:

а) температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления, иначе металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние до того, как начнётся его горение в кислороде;

б) образующиеся окислы металла должны плавиться при температуре более низкой, чем температура горения металла, и не быть слишком вязкими;

в) количество тепла, выделяющееся при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно большим для поддержания процесса резки. При резке стали около 70 % тепла, используемого для подогревания, выделяется при сгорании металла в кислороде и только 30 % подводится от подогревающего пламени;

г) теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, иначе вследствие интенсивного теплоотвода процесс резки может прерваться.

Влияние состава стали на резку

Перечисленным выше условиям наиболее полно отвечают чистое железо и стали с низким содержанием углерода. Чистое железо имеет температуру воспламенения в кислороде 1050 °C, а температуру плавления 1528 °C. При содержании в стали 0,7 % углерода температура её воспламенения в кислороде повышается до 1300 °C, что равно температуре начала плавления стали этого состава. По данным А. Н. Шашкова, избирательное окисление железа в кислороде при резке стали начинается при температуре около 1130 °C, а при 1300 °C и выше начинается интенсивное выгорание углерода.

На температуру воспламенения, кроме состава металла, влияют также состояние поверхности, размер кусков, давление и скорость потока кислорода. Шероховатая поверхность облегчает воспламенение металла в кислороде. Порошок железа может воспламеняться в чистом кислороде при температуре 315 °C — значительно ниже, чем прокатанный металл. Металл на поверхности крупного куска стали воспламеняется при температуре 1200–1300 °C. При давлении 25 кгс/см² и скорости потока кислорода 180 м/с температура воспламенения углеродистой стали в кислороде снижается до 700–750 °C.