🌐 🇷🇺 Русский ▾

💨 Роль газа в лазерной резке

Загружаем…

Принцип действия рабочего газа

Лазерный луч фокусируется на месте реза, проникает в металл, начиная со сквозного отверстия с последующим раскроем металла, за счёт термического воздействия. Одновременно в место реза направляется так называемый «рабочий» (вспомогательный) газ — он способствует выдуванию расплавленного металла из сквозного отверстия. Газ может вступать в реакцию с составом металла или охлаждать металл — в зависимости от выбранного типа газа. При этом часть металла испаряется.

В процессе резки под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струёй газа.

Качество газа

Чистый (качественный) газ влияет на качество кромки и на скорость резки при той же мощности. Если качество газа низкое, металл не будет качественно прорезан на стандартной скорости — возможны появление окалины и цветовых эффектов на высоколегированных сталях.

Когда речь заходит о качестве газа, обычно говорят о процентном содержании основной молекулы в газе. Для таких газов, как азот, кислород, аргон, эта чистота составляет 99 % и несколько значащих цифр после десятичной запятой. Чем больше цифр «9» после запятой, тем выше качество газа. Чем толще металл, тем более качественный газ следует использовать.

В промышленных компаниях для лазерной резки обычно используется технический кислород чистотой 99,5 % и 99,7 %. Не стоит гнаться за сверхчистым газом с большим количеством девяток после запятой — достаточно иметь степень очистки 99,99 %.

Выбор газа зависит от разновидности материала, толщины металлического листа и необходимых последующих работ. Если при покупке азота его качество не всегда является приоритетным параметром, то при резке кислородом результаты напрямую зависят от качества используемого кислорода.

Факторы расхода газа

На расход газа при резке металла волоконным лазером влияют следующие факторы:

  • вид используемого газа;
  • давление;
  • толщина материала;
  • сопло.

Виды газов для лазерной резки

  • воздух (смесь газов);
  • кислород (активный газ);
  • азот (условно инертный газ);
  • аргон и гелий (истинно инертные газы);
  • сжиженная углекислота (активный газ).

Цветовая маркировка баллонов

  • Углекислота — баллон чёрного цвета с жёлтой надписью;
  • Кислород — баллон голубого цвета;
  • Азот — чёрный баллон с коричневой полосой;
  • Аргон — чёрный баллон с белой полосой;
  • Гелий — коричневый;
  • Сжатый воздух — чёрный баллон с белой надписью.

В чём хранится газ

  • Баллоны по 40 или 70 л — не самый оптимальный вариант: их приходится часто менять.
  • Матрица баллонов — баллоны, обвязанные шлангами. Такого количества хватает на длительное время, но возникают сложности с заправкой и транспортировкой, они занимают много места.
  • Газификатор — сосуд увеличенной ёмкости, в котором газ хранится в сжиженном виде. Наиболее предпочтительный вариант: газ чище, расход меньше.
  • Газовые станции — вырабатывают газы непосредственно на месте, используются на крупных предприятиях.

Активные и инертные газы

Активные газы. Углекислый газ предохраняет металл от контакта с кислородом, а кислород используется как окисляющий компонент: он вступает в реакцию с металлом и образует оксиды. Поскольку поверхность почти всех металлов и сплавов покрыта тонкой оксидной плёнкой, газ включается в экзотермическую реакцию — такой процесс хорошо подходит для резки углеродистой стали.

Инертные газы отличаются почти нулевой реакционной способностью, не вступают в экзотермическую реакцию. Тем самым исключается окисление, что позволяет защитить кромку и структуру высоколегированных сталей от коррозии и структурных разрушений.

Функции вспомогательного газа

  1. Удаление расплава из зоны резки — основная функция.
  2. Охлаждение краёв реза. Одно из важных преимуществ лазерной резки перед другими способами раскроя — отсутствие тепловых деформаций. Сильному нагреву подвергается только область реза, нагрев остальных участков недостаточен для деформации. Во многом это объясняется именно охлаждением струёй газа.
  3. Подавление плазмы. Струя газа в зоне резки не даёт образоваться очагу плазмы, который непредсказуемо изменил бы протекание процесса.
  4. Защита оптики. Газ, направленный нужным образом, защищает оптику лазера от расплавленного и испарённого металла.
  5. Реакционная функция — зависит от выбранного газа:
    • активный газ включается в экзотермическую реакцию и делает резку быстрее и эффективнее;
    • инертный газ, напротив, отсекает от зоны резки активные газы воздуха и не даёт краям реза реагировать с ними.

Сжатый воздух (Air)

Постоянные составляющие воздуха: кислород — 21 %, азот — 78 %, инертные газы (в основном аргон) — 0,94 %; переменные: углекислый газ — 0,03 %, прочие примеси (водяной пар, пыль, оксиды серы и азота и другие газообразные вещества).

Поскольку воздух содержит около 78 % азота, в принципе этого достаточно для использования воздуха в качестве вспомогательного газа при резке тонких листовых материалов толщиной не более 3 мм. Лучший эффект — на высокоуглеродистых сплавах; низкоуглеродистая сталь не должна реагировать с примесями и углекислым газом воздуха, поэтому для неё лучше использовать, например, азот. Однако необходимо следить, чтобы воздух был должным образом высушен и отфильтрован.

Обычно сжатым воздухом режут чёрный металл, оцинкованную сталь, латунь, алюминий.

Резы, сделанные сжатым воздухом, в лучшем случае средние. Воздух содержит около 75 % азота и 25 % кислорода (объёмные %), которые могут окислять материал, что приводит к плохому резу. Тем не менее воздух может помочь в процессе резки, привнося эффект «перегорания» от кислорода и высокую скорость от азота — он берёт лучшее из обоих миров. Однако вы заметите лёгкий желтоватый оттенок на резах из-за кислорода. Если предполагается большая постобработка, сжатый воздух использовать не рекомендуется.

Несмотря на то, что он является наиболее рентабельным, существует ряд серьёзных проблем, связанных с этим газом.

Атмосферный воздух подаётся при помощи компрессора, который нагнетает в магистраль нужное давление. При использовании сжатого воздуха необходима эффективная система очистки.

Примеси масла и частицы воды оседают на защитном стекле лазерной головки, делая его менее прозрачным. Светопроницаемость стекла быстро снижается, его приходится менять. Воздух содержит влагу и капли масла от компрессоров — это загрязняет воздух, повреждает защитную линзу или, в худшем случае, лазерную головку. Помимо стекла загрязняется вся воздушная магистраль. Чтобы предотвратить это, требуется предельная осторожность и бескомпромиссная фильтрация.

Что происходит с нержавейкой при резке на воздухе

Нержавейка прочна и устойчива к агрессивной внешней среде. В отличие от чёрной стали она менее подвержена коррозии при контакте с воздухом и влагой — во всяком случае, в условиях, на которые рассчитана конкретная марка. Это достигается благодаря легирующим добавкам. Одна из главных — хром.

Проблема хрома в том, что он легко вступает в реакцию с углекислым газом, который всегда присутствует в атмосферном воздухе. Теоретически он реагирует с ним и в обычных условиях, но скорость этой реакции очень мала. В раскалённом состоянии при лазерной резке хром реагирует с углекислым газом мгновенно.

Последствия:

  • Образующиеся зёрна карбида хрома снижают прочность детали — в сплошном объекте, связанном прочными металлическими связями, появляются вкрапления, эти связи не поддерживающие. Слабых звеньев оказывается много.
  • Связанный таким образом хром перестаёт выполнять свои легирующие функции. Качественная нержавейка начинает служить так, будто половину хрома «украл завхоз» — то есть неожиданно ржавеет там, где не должна.

Если начать резать в атмосферном воздухе титан, материал будет испорчен — воздух нужно заменить чистым аргоном.

Кислород (O₂)

Кислород — химически активный газ, вступающий в экзотермические реакции окисления железа. Он действует как катализатор, добавляя почти 40 % энергии в зону резки. В результате образуются оксиды с низкой вязкостью. Кислород ускоряет реакцию окисления: сначала окисляет расплавленное место, затем убирает остатки материала.

Процесс кислородной резки основан на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода, будучи нагретым до температуры, близкой к температуре плавления стали. Он состоит из:

  1. подогрева металла до температуры воспламенения в струе технически чистого кислорода;
  2. горения металла;
  3. выдувания струёй кислорода оксидов и частиц расплавившегося металла.

Температура нагрева начального участка реза зависит от массы (толщины) и главным образом от состава разрезаемого металла. Чем больше масса и чем больше легирующих примесей, тем выше температура нагрева. Интенсивность окисления растёт с увеличением чистоты кислорода и с повышением температуры. Выдувание получаемых оксидов (шлаков) начинается одновременно с окислением металла.

Таким образом, кислород участвует не только в выдувании расплава, но и — наряду с лазерным излучением — в плавлении и вытекании металла из зоны нагрева. Поэтому при резке кислородом нужно внимательно относиться к установке давления газа, а также к выбору мощности, скорости и уровню фокусировки лазерного излучения.

Для резки тонколистовых сталей (до 3 мм) могут использоваться как кислород, так и азот. При резке тонких материалов кислородом мощность лазера должна быть ниже, чем при резке азотом, чтобы снизить вероятность подгорания кромок. Но при этом снижается и скорость резки по сравнению с азотом.

Резка тонких металлов кислородом 99,5 % по скорости и качеству близка к резке сжатым воздухом, а для резки толстых сталей (толщиной более 10 мм) такой кислород непригоден.

Поскольку кислород — активный газ, он применяется с меньшим уровнем давления, чем азот или воздух, что снижает его расход. При работе с кислородом необходима точная регулировка давления: после пробития металла важно повысить давление, иначе вы рискуете получить брызги раскалённого металла при резке. Давление при работе с кислородом не превышает 1 бар, а при использовании азота уровень давления обычно не выше 20 бар. Использование кислорода более экономично, чем азота.

Кислород обычно используется для резки низко- и среднелегированных сортов стали, кроме деталей, подлежащих последующей окраске по срезам. Фокусное расстояние лазера при резке с кислородом меньше, и фокус луча должен обычно находиться на верхней стороне поверхности стали.

Интересно, что при использовании кислорода, в противоположность азоту, при увеличении толщины металла давление следует не увеличивать, а уменьшать — для предотвращения слишком сильных экзотермических реакций, способных выйти из-под контроля и испортить разрез и всю заготовку. Как правило, при толщине стали свыше 12 мм достаточно давления кислорода не более 1 бара. В то же время в столь низком давлении кроется неприятное последствие: даже небольшие вариации давления могут заметно повлиять на равномерность реза — поэтому следует использовать надёжные редукторы-регуляторы давления.

Резка кислородом имеет свои минусы: действие окислителя распространяется и на кромки, что крайне нежелательно. Если точно рассчитать параметры, этот побочный эффект при обработке чёрной и низколегированной стали можно нивелировать. При раскрое нержавеющей стали процесс контролировать значительно сложнее. Под действием высоких температур и избыточной концентрации кислорода металл кромки окисляется и попросту горит; весьма вероятен прожиг материала. Соответственно, металл теряет своё главное свойство — противостоять коррозии. То есть лазерная резка нержавеющей стали в кислородной среде не позволяет добиться качественного раскроя и превращает кромку из «нержавейки» в «ржавейку».

Использование кислорода для лазерной резки алюминия даёт грубую режущую кромку. Если вам не критичны неровные кромки и появление оксидного слоя на участке реза (это будет проблемой при порошковой покраске кромок), смело используйте кислород.

При прожиге и резке меди в качестве режущего газа обычно используется кислород под высоким давлением.

Что может сделать кислород при резке алюминия? Испортить основное качество лазерной резки — чистые и ровные края разрезов. При раскрое алюминия в кислороде края получаются неровными, в заусенцах. Раньше алюминий всё равно резали в кислороде из-за нехватки мощности, а затем механически обрабатывали края, что удлиняло и удорожало производство. Теперь же станки мощные — можно использовать азот и получать качественный рез сразу.

Азот (N₂)

Этот газ считается условно инертным. Для лазерной резки может использоваться азот с чистотой начиная с 99,5 %. Азот и другие инертные газы не вызывают экзотермических реакций. Условно инертен он потому, что тройную связь в молекуле азота не так просто разорвать — поэтому азот не спешит реагировать со всем подряд. Но в принципе его молекулы вполне способны вступать в реакции с другими веществами. Например, при резке титана это критично — образуются молекулы нитрида титана, которые портят материал по прочности так же, как карбиды хрома портят нержавейку.

Поэтому титан режут в аргоне — истинно инертном газе, атомы которого «самодостаточны» и не вступают в реакции.

Содержание азота в атмосферном воздухе превышает 70 %, поэтому получать его легко. В отличие от аргона он соединяется с другими веществами и участвует в химических реакциях. Инертным его считают потому, что он не является окислителем — горения и образования плазмы в среде азота не происходит.

С помощью азота в основном разрезают: нержавеющую сталь, высоколегированную сталь, никель, алюминий. Азот позволяет обрабатывать и чёрные металлы, но здесь он сильно уступает кислороду по производительности. Процессом окисления, вызываемым кислородом, можно пренебречь, поскольку нержавеющих свойств изначально нет и сохранять нечего.

Существуют материалы, которые невозможно качественно разрезать азотом, не говоря уже о кислороде. Один из них — титан. Азоту не хватает инертности, он вступает с титаном в реакцию, и в итоге материал начинает крошиться, меняет свойства и структуру. В этом случае необходим газ с более выраженными нейтральными свойствами — аргон. Он не взаимодействует ни с какими материалами.

Преимущества лазерной резки нержавеющей стали с азотом:

  • отсутствие изменений структуры и химического состава нержавеющей стали в области резки;
  • возможность производить качественный раскрой и перфорацию отверстий в тонколистовом металлопрокате;
  • идеальная точность раскроя и перфорации заготовок, а также отсутствие термической и механической деформации позволяют использовать детали без дополнительной механической обработки на следующих этапах сборки.

Почему используют азот:

  • Нержавеющая сталь. Наличие даже небольшого количества кислорода при высокотемпературной обработке приводит к окислению кромки и потере антикоррозионных свойств. В азотной среде защитная оксидная плёнка с содержанием хрома не повреждается, сохраняя свойства нержавейки.
  • Гальванизированные поверхности, в том числе оцинкованные. Резка с азотом предохраняет от нарушения защитного слоя.
  • Окрашенные поверхности. Азот в качестве вспомогательного газа позволяет избежать окалины и минимизирует необходимость дополнительной финальной обработки.
  • Предназначенные к покраске срезы. Резка с азотом предотвращает образование оксидов на кромке, которые ухудшают качество порошкового окрашивания из-за плохого сцепления с поверхностью.
  • Алюминий и цветные металлы. Применение кислорода не повышает скорость резки этих материалов, а качество реза выше в азотной среде.

Для латуни подойдёт азот в качестве режущего газа.

Если вы планируете резку тонких сталей, вам важны скорость и качество, и не беспокоит более высокая себестоимость из-за расхода газа — выбирайте азот.

При использовании азота фокус лазера должен находиться ближе к обратной поверхности листа. В результате разрез получается более широким, и в него подаётся больше сжатого азота. Как правило, используются сопла диаметром 1,5 мм или больше.

Аргон (Ar) и Гелий (He)

Истинно инертные газы — такие как аргон и гелий — не только не участвуют в окислении, но и вообще не реагируют с расплавленным материалом. Они вытесняют из зоны резки все газы, которые могли бы с ним прореагировать.

Для большинства металлов это просто не нужно. Ничего страшного не произойдёт, если у алюминия будет возможность реагировать с азотом. Но, например, для титана это критично.

Напомним: титан по праву считается одним из наиболее сложно обрабатываемых материалов. Он немного твёрже нержавеющей стали — поэтому резать титан той же толщины, что и нержавейку, не получится. Интересно, что титан почти на 40 % легче нержавеющей стали.

При резке титана другими газами могут возникнуть не только ненужные оксиды, портящие качество реза, но и соединения титана с азотом. Они отличаются повышенной хрупкостью — и их быть не должно. Значит, резать титан в азоте нельзя. Зато можно в истинно инертных газах. Также для резки нержавеющей стали и алюминия часто используют инертные газы — они предотвращают окисление и обеспечивают чистую и гладкую поверхность реза. Однако эти газы стоят значительно дороже азота, поэтому используются только тогда, когда без них действительно не обойтись.

Аргон:

  • содержание в воздухе: 0,9 % по объёму и 1,3 % по массе;
  • плотность в нормальных условиях: 1,78 кг/м³;
  • температура кипения: −186 °C.

Аргон — инертный газ, не реагирующий с большинством металлов и не вступающий в химические реакции. Одно из преимуществ резки металла аргоном — отсутствие окислительной реакции на получаемой поверхности. Поэтому использование аргона обеспечивает высокую чистоту и точность реза, ровные и гладкие кромки, что особенно важно при обработке тонких металлических листов.

Аргон и гелий редко используются при резке волоконным лазером. Аргон имеет более высокую удельную теплоёмкость — то есть может поглощать тепло из зоны резки. Это может привести к локальной закалке и быстрому охлаждению в области разреза, что может повредить материал. Поэтому он используется только как альтернатива для металлов, которые могут реагировать с азотом.

Резка аргоном позволяет обрабатывать металлы различной толщины и состава, включая нержавеющую сталь, алюминий, легированные металлы и др. Но дороговизна, расход и возможность повреждения металла делают аргон редким специфическим газом для лазерной резки.

Гелий. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ. Гелий не горюч, нетоксичен, невзрывоопасен. У гелия выше теплопроводность, чем у аргона — это позволяет повысить скорость и снизить подвод тепла к металлу. Гелий часто используется при резке тонких металлов, где нужна высокая точность.

Сжиженная углекислота (активный газ)

В лазерной резке (в нашем случае — на оптоволоконных станках) углекислота как рабочий газ используется редко, хотя данный газ слабо вступает в реакцию с металлом, не окисляя его. Углекислый газ тяжелее воздуха, благодаря чему он надёжно изолирует расплавленный металл от контакта с атмосферой. Такой газ — альтернатива при отсутствии компрессора: он дешевле азота, но дороже кислорода. Подходит для резки нержавеющей стали; качество, безусловно, хуже, чем у азота. Газ плохо сжимается — в баллон помещается меньше газа.

Такой газ используют в крайних случаях, и он не рекомендуется ни одним производителем лазерного оборудования.

Почему лазерная резка латуни и меди настолько сложна

  • Низкое поглощение инфракрасного лазерного излучения затрудняет резку этих металлов.
  • Медь и латунь (медно-цинковый сплав) — хорошие отражатели (и, следовательно, плохие поглотители) инфракрасного (ИК) лазерного света, особенно в твёрдом состоянии.
  • Чистая медь в твёрдом состоянии отражает > 95 % ближнего ИК-излучения (длина волны ~1 мкм).
  • Отражательная способность меди и других отражающих металлов уменьшается при нагреве и резко падает при плавлении (например, до < 70 % для расплавленной меди). В расплавленном состоянии эти металлы поглощают значительно больше лазерной энергии.

Из-за высокой склонности к окислению таких металлов, как бронза, латунь и алюминий, резка должна производиться с подачей инертных газов. Инертные газы создают в зоне работы лазера среду, препятствующую попаданию кислорода, что исключает быстрое окисление. Если резку алюминия, меди или бронзы вести в кислородной среде, кромка реза получается неровной и с заусенцами, что вызывает необходимость механической доработки.

На практике на производствах чаще всего используют азот. Он лучше всего подходит по экономическим соображениям и, как правило, позволяет достичь необходимого качества реза.

Факторы при планировании доставки газа

  • Тип и толщина материалов для резки (диэлектрики, металлы, какие именно металлы);
  • наличие и количество пиков потребления газа, а также потребление в моменты пиковых нагрузок;
  • средний расход газа за месяц;
  • рабочее давление, запланированное в точке использования газа (в режущей головке);
  • диаметр сопла;
  • падение давления в период пиковой нагрузки между источником газа (криогенной ёмкостью или газоразрядной рампой) и точкой использования;
  • ожидаемое неснижаемое количество жидкости в криогенной ёмкости, которое нужно оставить для обеспечения безопасной и бесперебойной работы;
  • частота доставки газа в течение месяца;
  • ожидаемый рост производства и потребности в газе.