Расходные материалы для лазерных оптоволоконных станков. Часть 12

Какой газ выбрать для лазерной резки: основные варианты и их особенности

Применение лазерного оборудования для резки металла зарекомендовало себя как один из наиболее точных и универсальных способов в современной промышленности. Однако для получения аккуратного и ровного реза одного лишь лазерного луча недостаточно: в процесс обязательно включается сжатый газ. Именно от его выбора — будь то кислород, азот, аргон или даже обычный атмосферный воздух — во многом зависят итоговое качество кромки, толщина доступного для обработки материала и общая экономическая эффективность производства.

Ниже мы разберёмся, в чём заключаются различия основных газов, применяемых в лазерной резке, и как их свойства отражаются на результате обработки. Также коснёмся особенностей подачи газов (криогенные газификаторы и прочие системы), поскольку они позволяют дополнительно оптимизировать затраты и повысить стабильность работы.

Роль вспомогательного газа в лазерном процессе

Лазерный луч, сконцентрированный на определённом участке заготовки, разогревает и расплавляет металл по заданному контуру. При этом в зону реза подаётся высокоскоростной поток газа, который выдувает расплавленный металл, охраняет оптику от брызг и в некоторых случаях участвует в химической реакции (или, наоборот, предотвращает её). Газ поступает через то же сопло, из которого выходит лазерный луч, поэтому важна точная соосность и корректный подбор расходного материала (сопла и газовой магистрали).

Вспомогательный газ решает сразу несколько задач:

• Удаление расплава. Поток выносит расплавленный металл вниз, освобождая путь для луча.
• Охлаждение. Он снижает риск чрезмерных термических деформаций, отводя излишки тепла от кромок.
• Защита оптики. Брызги и частицы металла, которые могли бы оседать на защитном стекле, отсекаются направленным потоком.
• Контроль окислительных процессов. В зависимости от выбранного газа (кислорода или инертного) в зоне реза может дополнительно выделяться тепловая энергия или, наоборот, блокироваться реакция окисления.

Нет универсального ответа, какой именно газ лучше всего подходит для лазерной резки, поскольку выбор определяется типом и толщиной металла, а также требованиями к итоговому состоянию кромки и объёмам производства.

Кислород

Одним из самых популярных вариантов стала лазерная резка с применением кислорода. Этот газ активно реагирует с нагретым металлом — возникает экзотермическая реакция, которая сопровождается выбросом тепла. В ряде случаев это позволяет повысить скорость резки или увеличить толщину обрабатываемого листа за счёт дополнительного теплового эффекта. Например, при резке углеродистой или низколегированной стали кислород вполне способен ускорить процесс, что положительно сказывается на производительности.

Однако у технологии есть и оборотная сторона. Из-за интенсивной реакции окисления на кромках может образовываться окалина. Кроме того, у металлов вроде нержавеющей стали, предназначенных для последующего использования в коррозионно-опасных средах, окисленные края существенно проигрывают по качеству, теряя антикоррозийные свойства. По этой причине кислород подходит прежде всего для:

• Углеродистой стали (часто называемой «чёрной» сталью);
• Сортов стали с пониженным содержанием легирующих добавок;
• Производственных сценариев, где допустима некоторая степень последующей обработки кромок (например, если их нужно покрасить или сварить).

Важным аспектом является давление газа. Чем толще металл, тем аккуратнее нужно подбирать давление, чтобы не вызвать излишне бурной экзотермической реакции, которая способна ухудшить качество реза. Для получения более чистой и предсказуемой кромки желательно использовать кислород высокой чистоты (не ниже 99,95%).

Азот

Азот — условно инертный газ, что означает, что в большинстве ситуаций при лазерной резке он не вступает в химическую реакцию с металлом и не формирует окалину на срезах. Благодаря этому кромка получается ровной и гладкой, а химические свойства исходного сплава практически не меняются. Именно поэтому азот обычно применяют для материалов, где важно сохранить поверхность:

• Нержавеющие стали, в том числе высоколегированные;
• Алюминий, а также некоторые его сплавы, когда нужно избежать шероховатостей и окислений;
• Латунь и другие цветные сплавы, если стоит задача получить ровную кромку без последующей шлифовки.

Резка азотом позволяет минимизировать зону термического воздействия и уменьшить риск деформаций. Но у этого подхода есть и минусы. Поскольку азот не даёт дополнительной энергии в зоне реза (в отличие от кислорода), процесс требует более мощного лазера при той же толщине металла, а сама скорость резки снижается. Кроме того, стоимость высокочистого азота обычно выше, чем стоимость кислорода, а чем толще лист, тем больше расход газа. Как правило, рекомендуют использовать азот чистотой не менее 99,5%, а при действительно высоких требованиях к качеству — ещё выше.

Аргон

Когда речь заходит о титане или некоторых других материалах, крайне чувствительных к химическим реакциям с кислородом и азотом, на первый план выходит аргон. Он относится к группе «истинно инертных» газов и практически не вступает в соединения с металлами. Поэтому если, например, нужно обрабатывать титан, чтобы сохранить его уникальные свойства (высокая прочность, малый вес, коррозионная стойкость), то применение аргона зачастую становится единственным вариантом.

Чистота аргона для лазерной резки обычно должна быть очень высокой (около 99,998%). Из минусов стоит отметить существенную стоимость и, как следствие, нецелесообразность его использования в общих производственных задачах, если можно обойтись более дешёвыми газами.

Гелий

Гелий выделяется своей повышенной теплопроводностью, которую используют, когда режут материалы с высоким коэффициентом теплопередачи, например, алюминий или медь. В такой ситуации гелий способствует более равномерному отводу тепла, помогая поддерживать стабильность процесса. К тому же этот газ, как и азот, уменьшает вероятность появления окислов. Но из-за сравнительно высокой цены гелий применяют реже, лишь в тех ситуациях, когда отсутствуют альтернативы, обеспечивающие аналогичный результат.

Воздух

На первый взгляд выбор воздуха в качестве вспомогательного газа кажется самым экономичным, ведь его не нужно покупать. Однако на практике потребуется мощный компрессор, фильтры и ресивер. При неправильном уровне очистки сжатый воздух может содержать влагу, масляный туман и частицы пыли, которые будут негативно влиять на качество реза.

Воздух преимущественно подходит для тонкого металла (не толще 3 мм), особенно если допустимо образование оксидной плёнки и не требуется безупречная кромка. Да, в воздухе присутствует кислород, который слегка ускоряет резку, но это его влияние значительно слабее, чем при использовании чистого газа. Поэтому если главная цель — экономия на расходниках, а не сверхчистая обработка, то воздух может быть оправдан. Впрочем, для высококачественной резки алюминия или нержавеющей стали обычно всё равно выбирают инертные газы, чтобы избежать серого налёта и микроскопических дефектов.

Составные смеси

Порой в промышленности встречается комбинация нескольких газов — например, азот/кислород или азот/аргон. Цель подобных смесей — скорректировать свойства каждого компонента: изменить характер окисления, добиться большей скорости или, наоборот, сохранить чистоту кромки. Конкретные рецептуры зависят от особенностей производственного цикла и заданных требований к получаемым деталям.

На крупных предприятиях, где постоянно необходимы большие объёмы кислорода или азота, целесообразно использовать криогенные газификаторы вместо множества баллонов. Такие установки хранят сжиженный газ при низкой температуре в одном резервуаре, а при подаче в оборудование происходит его испарение. Подобная схема:

• Занимает меньше места;
• Обеспечивает более чистый газ без проникновения пыли или ржавчины;
• Сокращает простои, поскольку не нужно часто менять баллоны;
• Гарантирует стабильное давление и возможность регулировать расход.

Хотя изначально криогенные системы требуют серьёзных вложений, впоследствии они окупаются благодаря сниженным затратам на сам газ и на обслуживание, особенно в больших цехах с высокой загрузкой лазерных станков.

Итог

Каждый газ — кислород, азот, аргон, гелий или даже атмосферный воздух — имеет собственную сферу применения. Универсального решения, подходящего под любые задачи резки (от тончайших алюминиевых листов до толстого листа углеродистой стали), не существует. Поэтому важно учитывать:

• Тип металла и его толщину.
• Желаемое качество кромки и необходимость последующей обработки.
• Экономические расчёты: стоимость самого газа, расход лазера, время работы.
• Наличие оборудования для хранения и подачи газа (криогенный газификатор, баллоны и т. д.).

Пренебрежение этими факторами может привести к браку деталей и к потере важных свойств металла, а значит, к дополнительным затратам на финишную обработку или покупку нового сырья. Зато продуманный подход к выбору вспомогательного газа повышает как качество самой резки, так и эффективность производства в целом.