При выполнении работ по лазерной резке коррозионно-стойких сталей до 3 мм часто в качестве режущего газа используется сжатый воздух. Основная причина — отсутствие необходимости покупать азот у газовых компаний, что ведет к экономии на процессе и снижению себестоимости метра реза. Однако азот становится все более популярным рабочим газом для лазерной резки коррозионно-стойких сталей, и производители станков рекомендуют именно его взамен сжатого воздуха.

1. Особенности процесса лазерной резки с использованием сжатого воздуха

При использованиикак волоконных, так и СО2 лазеров для резки металла основным источником тепла является световой луч. Для того, чтобы максимально эффективно удалить расплавленный металл из зоны нагрева, в режущую головку подают режущий газ, в частности, сжатый воздух. Кислород в воздухе инициирует процесс, известный как экзотермическая реакция — химическая реакция с выделением энергии.
Фактически воздух — это смесь азота 80 % и кислорода 20 %. Однако это не значит, что воздух может служить полноценной заменой азота или кислорода. Основная цель применения сжатого воздуха — использование преимуществ высокой концентрации азота, дополнительного нагрева за счет окисления кислородом воздуха, при экономии на покупке азота у газовых компаний.
В цехах источником сжатого воздуха, как правило, является компрессор, из которого попадают примеси в виде остаточных влаги и масел (углеводородов), что может загрязнять фокусирующую оптику. Загрязнение линзы приводит к уменьшению ее энергетической пропускной способности, перегреву и выходу из строя. Поэтому при использовании сжатого воздуха, помимо компрессора, понадобится использование дополнительного осушителя воздуха и фильтра для удаления масел. Особое внимание стоит уделить трубопроводу. Раньше была общепринятая практика добавлять масло в компрессор, чтобы сжатый воздух также смазывал детали работающих на нем инструментов, поэтому старые производственные трубопроводы для станков лазерной резки не подойдут в силу загрязненности, и будет необходимо делать новый трубопровод.
В цеховом сжатом воздухе также присутствуют механические пылевые включения, которые царапают линзы, уменьшая их срок службы. Даже использование фильтров 10 нм не является гарантией отсутствия нано включений.
В большинстве случаев используется сжатый воздух давлением до 10–14 бар, а чаще даже до 5, что накладывает ограничения на толщину материала и скорость резки. Воздух, как правило, используется для резки алюминия, коррозионно-стойких и оцинкованных сталей.
Негативный эффект использования сжатого воздуха для резки корроизионно-стойких сталей заключается в окислении Cr и Ni, формировании оксидов в зоне реза и последующим снижением механических свойств материала и потемнением кромки. Наличие шероховатости и грата также практически неизбежно. Соответственно дальнейшая сварка и порошковая покраска потребует дополнительных операций по зачистке кромки от окислов для таких изделий, так как сварка при наличии оксидов на кромке может сопровождаться образованием пор и трещин, снижением прочности сварных соединений, ухудшением внешнего вида шва.

Основная цель применения сжатого воздуха —

использование преимуществ высокой концентрации азота,

дополнительного нагрева за счет окисления кислородом воздуха,

при экономии на покупке азота у газовых компаний.

2. Использование азота в качестве рабочего газа для лазерной резки

Часто можно услышать мнение, что азот — это дорогостоящий газ. Действительно в некоторых случаях стоимость только самого газа может составлять 30 % от общего объема операционных расходов на лазерную резку. В этом ракурсе воздух значительно дешевле, чем азот и кислород. Однако, при использовании азота как режущего газа не происходит образование оксидов. Это означает, что вторичные операции очистки, значительно уменьшены или даже исключены.
Стоит отметить, что основным преимуществом станков лазерной резки, по сравнению с другим оборудованием термической резки, является многократное увеличение производительности и точности при высоком качестве кромки и малой зоне термического влияния. Скорость резки коррозионно-стойких сталей толщиной до 5 мм зачастую оказывается намного выше при использовании азота в качестве рабочего газа, чем воздуха. Ряд проведенных нами тестов на одном из станков российского производства являются этому подтверждением.
Использовался волоконный источник мощностью 2 кВт, сопло диаметром 1,5 мм и давление режущего газа (азота или воздуха) — 14 бар. Получились следующие результаты для раскроя коррозионно-стойкой стали толщиной 4 мм:
— при подаче сжатого воздуха отсутствие грата наблюдалось при скорости резки до 1000 мм/мин;
— при подаче азота отсутствие грата наблюдалось при скорости резки до 3500 мм/мин.
Стандартное давление на входе в лазерный станок — 30 бар, поэтому нет ограничений на использование азота в моноблоках или криогенной емкости, обеспечивающей такой давление на вход в станок.
Когда качество кромки является абсолютно критическим параметром, азот остается наилучшим вариантом в качестве рабочего газа. Он является инертным газом, что означает, что нет химической реакции при резке коррозионно-стойкой стали. Применение азота предотвращает окисление кромки, оставляя ее чистой и блестящей, что исключает вторичное удаление окалины, т. е. последующие механические операции
Даже при резке материалов толщиной до 1,5 мм, когда качество кромки сложно оценить визуально, использование азота становится целесообразным в виду многократного (например, как в наших тестах — в 3, 5 раза) увеличения производительности.
При стоимости одного часа работы лазера при средней загрузке 10 000 руб. затраты на более дорогой рабочий газ нивелируются повышением производительности.
Применение азота не требует затрат на покупку компрессоров, ресиверов, фильтров и осушителей, исключает дополнительные расходы на электроэнергию для компрессоров, закупку сменных фильтров и способствует более длительной работе линз.

3. Заключение и выводы

Затраты на закупку газов неправильно оценивать исключительно как элемент поддержки работоспособности оборудования. Более правильной является оценка влияния режущего газа на себестоимость изделия с учетом в том числе и затрат на покупку дополнительного оборудования, например, компрессора, соответствующей мощности и качества, затрат на расходные материалы и дополнительное обслуживание, стоимости электроэнергии, а также человеко — часов на дополнительные операции по постобработке кромки. При резке металла с использованием технических газов без соблюдения критерия чистоты, уменьшается эффективность процесса, повышается расход самого газа из расчета на 1 метр реза и, самое главное, увеличивается время простоя станка в результате внеплановых ремонтов, связанных, в частности, с загрязнением оптического тракта и выходом из строя оптики.
Во многих случаях, когда невелика загрузка станка, при толщинах до 2 мм, при отсутствии высоких требований к качеству кромки, либо при отсутствии последующих операций сварки и окрашивания, воздух может оказаться эффективным и экономичным вариантом в качестве рабочего газа.
В случаях большого объема работ по лазерной резке коррозионно-стойких сталей и при высоких требованиях к качеству кромки практически и экономически целесообразно использование азота в качестве рабочего газа.
К. Белугин, Konstantin.belugin@airliquide.com
М. Степанова, maria.stepanova@airliquide.com