Особенности применения газов при лазерной резке металла

Принцип работы станков лазерной резки металла обязательно предусматривает подачу в рабочую зону струи сжатого газа. Суть резки состоит в расплаве металла по определенной траектории реза с последующим удалением капель горячего расплава, для получения аккуратной кромки. Сфокусированный лазерный луч плавит металл, а струя газа удаляет металл. Но роль газа не сводится только к функции «пылесоса», он, наравне с лазером, важный участник производственного процесса.

Функции вспомогательного газа

Как мы уже замечали, одной из важнейших функция является удаление капель расплава.

Вторая важная функция струи газа – охлаждение. В первую очередь охлаждение необходимо краям линии реза, ведь лазерная резка имеет значительное преимущество перед другими способами – отсутствие деформации заготовки, как от воздействия инструмента, так и тепловой. Благодаря принудительному охлаждению нагревается только линия реза, а окружающий ее материал имеет незначительный нагрев.

Кроме того, струя газа сбивает образование очага плазмы, который может исказить направление проходящего сквозь него лазерного луча, что приведет к непредсказуемым последствиям.

Линза лазерной установки – нежная оптика с микронными допусками, поэтому охлаждение требуется не только материалу, но и ей. Тепловая деформация линзы, и осаждение паров металла на неё недопустимо.

Газ также участвует или не участвует в сопутствующих химических реакциях при резке. Для разных материалов подходит тот или другой вариант:

Активный газ ускоряет процесс резки, вступая в реакцию с расплавом материала детали.

Инертные газы сами не реагируют с зоной реза, и при этом вытесняют воздух, не давая ему вступить в химико-термическую реакцию.

Газы, применяющиеся в качестве сопутствующих, делятся на четыре вида: активные (кислород), условно инертные (азот), настоящие инертные (гелий, аргон) и воздух.

На расход газа влияют многие факторы, такие как его чистота, давление, диаметр сопла подачи, мощности луча, толщины материала.

Резка с кислородом

Этот газ применяют при резке легированных и низколегированных, углеродистых сталей.

Будучи окислителем, кислород активно вступает в термохимические реакции. При его участии процессы протекают быстрее, повышая выделение тепла, поэтому повышается скорость реза.

Главный минус применения кислорода – окисляемость кромок линии реза, что приводит к браку изделия. Для черных сталей этот процесс может управляться путем тщательного расчета допустимой мощности луча, но в случае с другими сталями кислород неприменим.

Подача кислорода должна быть строго дозирована, поэтому в современных станках предусмотрено две магистрали подачи газа – общая с регулировкой скорости давлением, и для кислорода, интенсивность подачи которого регулируется автоматикой через прецизионные задвижки.

Азотная резка

В металлообработке азот считается условно инертным газом. С точки зрения химии азот не инертен, он вступает в реакции со многими другими элементами. Но именно реакции окисления и горения, которые и стремятся предотвратить при раскрое металла лазером, азот не поддерживает. Азот применяют для резания нержавеющей стали, алюминия, никеля, легированных сталей.

Помимо того, что азот сам не вступает в реакции окисления, его струя, подаваемая в зону реза, вытесняет из нее воздух, в котором присутствует кислород. Естественно, без доступа кислорода разрез получается ровным. Особенно это становится актуальным при резке алюминия. Еще несколько десятилетий назад мощность станков была ниже, чем сейчас, и резать алюминий приходилось в кислороде, который увеличивал температуру под лучом. Края получались неровными, с заусенцами и требовали дополнительной механической обработки. Это приводило к снижению производительности и удорожанию алюминиевого производства. Сейчас, благодаря доступности мощных лазеров, алюминий режут в азоте, одним приёмом.

Резка лазером в истинно инертных газах

Аргон и гелий инертны как с точки зрения металлургии, так и химии. Они не вступают в реакции с расплавом, и вытесняют остальные газы. Если для алюминия реакция с азотом не приведет к заметным последствиям, то в случае с титаном всё намного сложнее.

Титан вступает в реакцию с азотом, при этом образуя объёмные кристаллические оксиды, правда, довольно хрупкие. Даже после их удаления, поверхность детали остаётся губчатой, металл из микропор «ушёл» на создание оксидов. В азоте нельзя резать титан, зато в истинно инертных газах, которые, впрочем, несколько дороже – можно. С точки зрения стоимости гелий и аргон применяют в резке титана только тогда, когда к качеству поверхности предъявляются повышенные требования.

Использование атмосферного воздуха при лазерной резке

Этот способ самый дешёвый, ведь воздух даже не нужно запаковывать в баллоны, его можно брать из окружающей атмосферы и подавать в область резки компрессором. Но воздух лишен главных преимуществ как азотной, так и кислородной резки, сохраняя все их недостатки.

В атмосферном воздухе присутствует кислород, значит, производительность раскроя металла увеличится, но незначительно, т.к. кислорода всего лишь 20%. В некоторых случаях экономия на кислородных баллонах перекрывается затратами электроэнергии на более длительный процесс резки. Кроме того, работа компрессора требует замены масла и воздушных фильтров, что также ведет к расходам.

Присутствие кислорода, пусть и в меньшей пропорции, всё равно ведет к окислению краёв металлов, что делает воздух непригодным для резки того же алюминия или титана.

Использование воздуха в качестве сопутствующего газа не дает возможности сделать ровный срез без заусенцев на достаточную глубину. Поэтому воздух применяют для раскроя листов не толще 3 мм, а при условии качества поверхности отреза толщина детали не должна превышать 1,5 мм. Для резки металла такой толщины достаточно компрессора с производительностью до 10 атмосфер. Для азотной резки и резки в инертном газе это значение в 2-3 раза выше.