Газы, материалы и режимы: кислород, азот, воздух, фокус и сопло

Что делает режущий газ

Луч нагревает и плавит металл в маленьком пятне. Расплав сам из реза не уходит — его выдувает струя режущего газа из сопла. Тот же газ защищает и охлаждает фокусирующую оптику. Без газа лазерной резки нет.

ГОСТ Р ИСО 9013 различает три вида лазерной резки: в кислороде, плавлением и испарением. На заводе оператор чаще всего имеет дело с первыми двумя:

• Резка в кислороде. Металл, нагретый лучом, горит в струе кислорода. Реакция горения сама выделяет теплоту — по данным изготовителя станков, до пяти раз больше энергии луча. Поэтому так режут толстую углеродистую сталь.
• Резка плавлением. Газ инертный — азот или аргон. Он не реагирует с металлом, а только выдувает расплав. Вся энергия — от луча, поэтому нужна большая мощность, зато кромка остаётся без окислов.

Отсюда простое правило: кислород ускоряет, но окисляет; азот сохраняет чистую кромку, но требует мощности и газа.

Кислород: сталь и толстый лист

Кислородом режут конструкционную и низколегированную сталь. Изготовитель станков указывает давление кислорода до 6 бар. Правило из руководства поставщика газов: чем толще лист, тем ниже давление кислорода.

Цена скорости — окисленная кромка. На ней тонкий слой окалины. Для многих деталей это не мешает, но под покраску и порошковое покрытие окалина хуже держит краску, а значит, хуже защищает от коррозии. Если кромку будут красить или варить, это должно быть в задании — тогда режут азотом или зачищают кромку.

Чистота кислорода влияет на скорость. По данным поставщика газов, кислород чистотой 99,9–99,95 % вместо обычного технического 99,5 % поднимает скорость резки стали на 10–30 % — в зависимости от толщины и марки. Поэтому газ из другой партии или другого баллона может дать другой результат при тех же настройках.

Состояние листа тоже важно. При кислородной резке листа с ржавчиной, краской или грунтом на верхней стороне на кромке появляются грат и вырывы. Оцинкованную сталь кислородом режут плохо — всегда остаётся грат, поэтому её режут азотом.

Азот: нержавейка, алюминий и чистая кромка

Азотом режут нержавейку, алюминий, а на мощных станках и углеродистую сталь, когда нужна кромка без окислов. Кромка после азота, по словам изготовителя, не требует доработки.

Давление азота выше, чем у кислорода: изготовитель называет диапазон от 2 до 20 бар. Правило обратное кислороду: чем толще лист, тем выше давление азота — горения нет, и расплав выносит только сила струи. Расход газа при этом большой.

Скорость, сравнимую с кислородом, азот даёт только на тонком листе. Труднее и врезка — пробивка листа в начале контура: некоторые станки пробивают кислородом, а режут азотом.

Чистота азота почти не влияет на скорость, если она выше 99,5 %. Но даже малая примесь кислорода окисляет кромку: нержавейка желтеет или темнеет, а её стойкость к коррозии может снизиться. Чтобы не было никаких следов окисления, по данным поставщика газов, примесь кислорода должна быть ниже 20 ppm (0,002 %). Азот в баллонах бывает разной чистоты, жидкий азот из танка обычно чище.

Сжатый воздух

Воздух — это примерно 78 % азота и 21 % кислорода. На современных волоконных станках его используют как дешёвый режущий газ: подают сухой и отфильтрованный воздух под высоким давлением от своего компрессора.

По отраслевому обзору, на тонкой конструкционной стали воздух даёт скорость и грат, близкие к азоту, а на более толстом листе грат заметнее. Из-за кислорода в воздухе кромка немного окисляется, но окисел не отслаивается, как после кислородной резки. Краска к такой кромке пристаёт, но покрытие может хуже держать удар — поэтому часть цехов кромку всё равно зачищает.

Главное требование к воздуху как к режущему газу — сухой, отфильтрованный, без масла. За это отвечают компрессор, осушитель и фильтры; оператор проверяет, что их обслуживают по графику, и сообщает мастеру о сбоях.

Мощность, скорость, фокус и сопло

Мощность определяет, какую толщину станок разрежет и с какой скоростью. Чем толще лист, тем выше нужна плотность мощности в пятне. Паспортная предельная толщина — это то, что станок способен разрезать, а не рабочая толщина: на пределе кромка и скорость хуже.

Скорость резки должна соответствовать мощности и толщине. На острых углах и при смене направления станок замедляется, теплота уходит в металл, и качество кромки падает. Поэтому углы — первое место, куда смотрят на пробной детали.

Фокус — точка, где луч собран в самое маленькое пятно. Выше и ниже фокуса пятно шире, а мощность на площадь меньше. Положение фокуса задают относительно поверхности листа и держат постоянным. По руководству поставщика газов:

• при резке в кислороде фокус ставят на поверхности листа или рядом с ней;
• при резке азотом под высоким давлением фокус опускают ближе к нижней стороне листа: рез становится шире, и азот лучше выдувает расплав;
• фокус может «уйти» сам — из-за загрязнения оптики, изменения температуры охлаждающей воды или формы луча.

Сопло формирует струю газа. Важны его диаметр и зазор между соплом и листом. Поставщик газов советует держать зазор меньше диаметра сопла: при большем зазоре струя становится неустойчивой, давление в резе скачет. Для азота под высоким давлением сопло нужно больше, чем для кислорода, — иначе луч с опущенным фокусом заденет край сопла.

Что делать оператору: брать номер сопла, зазор и фокус из таблицы режима, а не «как стояло». Как центрировать сопло и проверять оптику, разберём в уроке 5.

Материалы: чем отличаются

Углеродистая сталь режется кислородом, азотом или воздухом — выбор зависит от толщины и требований к кромке.

Нержавейка — обычно азотом. Кислородом резать можно, но кромка получается с заусенцами и окрашенной окислами хрома и железа. Такие окислы мешают сварке и снижают стойкость кромки к коррозии.

Алюминий трудно резать из-за высокой отражающей способности и теплопроводности: луч частично отражается, а теплота быстро уходит в лист. Сплавы, например АМг3, режутся легче чистого алюминия. Для сплавов поставщик газов называет лучшим выбором азот.

Медь и латунь отражают ещё сильнее. Отражённый луч может вернуться в оптику и источник и повредить их. Изготовители источников делают для таких материалов защиту от обратного отражения, поэтому режут медь и латунь только на станке, где это допускает изготовитель, и только по его режимам. Латунь отражает и проводит теплоту меньше меди, поэтому режется проще. Если латунь режут кислородом под высоким давлением, участок должен хорошо проветриваться: нельзя допускать обогащения воздуха кислородом.

Таблица изготовителя — основа режима

Мощность, скорость, газ, давление, сопло, зазор и фокус связаны между собой. Поэтому их не подбирают по отдельности, а берут целым набором из таблицы режимов изготовителя станка — для своего источника, режущей головы, газа, материала и толщины. Даже поставщик газов в своём руководстве оговаривает: его таблицы — только ориентир, на конкретном станке значения зависят от источника, сопла и фокуса.

Правила работы с таблицей:

• режим выбирают по материалу, марке, толщине и газу из задания, а не по похожему листу;
• изменения режима делают в пределах, которые разрешил технолог, и записывают — иначе следующая смена получит другой результат;
• скорость резки и время врезки из таблицы определяют время детали — его можно оценить в калькуляторе времени и стоимости резки.

Что проверить перед резкой

• Материал, марка и толщина листа совпадают с заданием; на верхней стороне нет ржавчины, краски или цинка, о которых не сказано в задании.
• Выбран режим из таблицы изготовителя для этого материала, толщины и газа; газ в задании совпадает с подключённым.
• Давление газа на входе в норме, баллоны или рампа из подходящей партии; для нержавейки под азотом — газ нужной чистоты.
• Сопло нужного номера и диаметра, оптика чистая, фокус и зазор — по таблице режима.
• Для меди и латуни есть разрешённый изготовителем режим; при резке латуни кислородом работает вытяжка и проветривание.