Подписка
Автор: 
Мария Степанова

Вспомогательный газ

Если подумать, словосочетание «вспомогательный газ» в отношении лазерной резки не самым лучшим образом отражает реальную его функцию. Газ в процессе резки не просто помощник, а, скорее, партнер, работающий в тесном сотрудничестве с лазерным лучом [1].
В случае кислорода это механическая эвакуация расплава и его участие в процессе резки за счет дополнительного нагрева теплом, выделяемым при экзотермической реакции. В случае инертного азота это только механическое удаление расплава. Это всем настолько давно и хорошо известно, что многие операторы на производстве, в особенности только начинающие работать с лазером, даже и не думают управлять параметрами газа в случае получения кромки низкого качества. Зачастую для повышения качества кромки операторы просто снижают скорость резки. Да, эта уловка работает. Качество кромки от этого зачастую становится лучше. Но при этом падает производительность станка и нивелируется основная задача лазерной резки, для которой, собственно, и приобретался лазерный станок — делать много деталей с большой скоростью при достойном качестве и точности. В чем еще может крыться проблема качества кромки, кроме скорости? Возможно, в давлении газа, что легко проверить, меняя его в таблице рабочих параметров станка. Возможно, дело в расходе газа, который — да, зависит от давления, но реально определяется диаметром сопла. Проверка влияния диаметра сопла
займет немного больше времени, так как потребует замену сопловой насадки. Да и не во всех компаниях имеется полный набор сопловых насадок с диаметрами от 0,8 мм для кислорода до 3(+) мм, более типичных для азота. Проблема может также быть связана и с неоптимальным зазором между торцом сопла и поверхностью металла, с фокусировкой излучения, то есть с неоптимальным положением фокальной плоскости относительно листа. А еще нестабильное качество кромки может быть вызвано нестабильным качеством газа. Начнем с выбора газа.

Выбор газа: дорогой газ снижает себестоимость!

Выбор вспомогательного (режущего) газа должен быть основан на тщательном анализе производственного цикла и всех затрат, в том числе и на газ, будь то азот, кислород или сжатый воздух. Благодаря экзотермической реакции окисления кислород позволяет эффективно резать более толстые материалы при сравнительно низкой мощности лазера, однако если кромки пойдут под сварку или окрашивание, то оксиды будет необходимо зачищать. Резка азотом, конечно же, происходит без образования оксидов, но чистая кромка (без грата) при резке азотом требует высокого давления и расхода газа.
Как правило, кислород используется для резки низкоуглеродистой стали любой толщины. Бывает, что им режут алюминий и его сплавы, иногда нержавеющую сталь толщиной до 5 мм и медь. Нержавеющую сталь толщиной более 5 мм, как правило, режут азотом (если хватает мощности лазера), так как чистый азот дает более чистую и блестящую кромку. Повышенный расход азота компенсируется отсутствием дополнительных операций по зачистке: чем ниже содержание кислорода в качестве примеси, тем более блестящая кромка реза.
Резка воздухом или азотом из азотного генератора с годами стала весьма популярной. Но с учетом того, насколько чист (без масла и паров воды) воздух или азот и достаточно ли его давление. Воздух используется прежде всего для тонких материалов и когда вообще нет никаких требований к кромке. Поскольку воздух состоит в основном из азота, то и давление его должно быть высоким. Компрессор не всегда может обеспечить давление, достаточное для чистого реза. К тому же если в сжатом воздухе содержится остаточное масло или вода, то в результате пленки масла (или воды) будут осаждаться на линзу, повысится поглощение и рассеяние лазерного излучения на линзе, приводя к ее разрушению, снижению режущей мощности и даже прекращению резки.
Азот из генератора также, как правило, используется для резки тонких материалов при невысоких требованиях к качеству кромки. В случае с генератором надо понимать, что все генераторы работают по принципу: либо объем, либо чистота газа. То есть чем чище требуется газ, тем его будет меньше. Поэтому вам придется использовать дополнительные расширительные емкости для азота и компрессоры для создания достаточного запаса азота нужной чистоты с необходимым давлением. При этом проблемы с чистотой и примесями в азоте могут оказаться теми же, что и при резке сжатым воздухом или техническим азотом низкой чистоты. Это остаточное масло (редко, но возможно), пары воды и, как следствие, — конденсат на линзе, дальнейшее ее разрушение, снижение качества и скорости резки и так далее. И вот тут пора бы взяться за калькулятор и учесть все прямые, скрытые и косвенные расходы, связанные с резкой сжатым воздухом или азотом из генератора, кроме стандартных: электричества, потребляемого компрессором, занимаемой площади, обслуживания и так далее.
Если газ поставляется на ваше предприятие газовой компанией — производителем или поставщиком технических газов, а не производится на вашем предприятии, то у вас появляются гарантии от поставщика или производителя по чистоте газа и составу примесей. И если с азотом для резки проблемы не столько в чистоте, сколько в стабильности состава, то с кислородом это не так. Чистота кислорода обязательно должна быть 99,8–99,95 %. Если чистота кислорода 99,7 % и ниже, то велики шансы, что будет много грата на кромке, а процесс резки будет с нестабильным качеством, в особенности при резке стали толщиной более 5 мм. В наименее благоприятном случае резка может практически остановиться. Вот и получается, что газ высокого качества со стабильным составом снизит себестоимость резки за счет роста скорости, снижения брака, исключения дополнительных операций постобработки и так далее.
Разбираясь в причинах брака, имеет смысл систематически разобраться с каждым из параметров, исключая их по очереди, а когда дело доходит до режущего газа, следует также проследить весь его путь от места производства и раскачки по баллонам до точки его использования на вашем станке в режущей голове.

 

Что проверяем, если качество резки неудовлетворительное (АЛГОРИТМ)
1. Фокусировка. Проверить оптимальность положения фокуса для данного материала и газа по оптимальной ширине реза.
2. Сопло должно быть чистым и неповрежденным.
3. Мощность лазера. Должна соответствовать паспортным характеристикам станка и оптимуму для данной толщины материала. Если есть проблема, проверяйте форму пятна, вертикальность и уровень мощности, дошедший до поверхности металла.
4. Скорость резки. Если соответствия рекомендациям производителей нет, необходимо искать оптимальную скорость самостоятельно. Если положение фокуса уже оптимальное, то одной из возможных причин несоответствия может быть отличие химического состава металла от того, с чем работали производители станка.
5. Режущий газ.
a. Проверить тип газа — кислород или азот. Оценить правильность выбора газа для данного материала можно, исходя из типа и толщины металла, а также приняв во внимание последующие операции и необходимость постобработки кромки. Если деталь из черного металла, толщиной до 5 мм, то в том случае, если кромка идет под сварку или порошковое окрашивание, лучше применять азот. Во всех других случаях — кислород. Нержавеющую сталь, как правило, режут азотом.
b. Необходимо учесть показатели чистоты и состав примесей газов, рабочее давление и диаметр сопла.
Расстояние от края сопла до поверхности листа. Оно не должно быть слишком большим, до 1 мм. Если расстояние слишком большое, газ неоптимально попадает в зону резки и эффективность удаления расплава оттуда снижается.

 

Путь газа от места его производства до режущей головы лазерного станка

Если у вас возникнут подозрения, что причина брака кроется именно в газе, на самом деле придется проверить каждый этап, начиная с места производства газа, и убедиться в том, что условия производства, хранения и доставки не нарушаются, служба контроля качества предприятия-изготовителя работает, а качество газа остается неизменным от воздухоразделительной установки производителя до ворот вашего предприятия.
Вспомогательный/режущий газ может поставляться в газообразном (сжатом) состоянии в баллонах или моноблоках под высоким давлением, а также в сжиженном состоянии. Стандартные параметры баллонов — 40 литров при давлении 150 бар. Однако современные производители технических газов вывели на рынок баллоны объемом 50 литров, в которые газ (например, азот) может быть закачен до давления 300 бар. Из таких баллонов собираются моноблоки, состоящие из 16 связанных в единый сосуд баллонов. Ясно, что вместимость подобного моноблока выше стандартных, состоящих из 40-литровых баллонов. И как следствие, логистика оказывается более выгодной. Моноблоки, как правило, сдаются в аренду. При этом производитель полностью берет на себя их техническое обслуживание и своевременно проводит их проверку.
Формат и объем поставки газа зависит от ежемесячной потребности в газе. Начиная с определенного объема более выгодной становится работа с криогенными газами. В сжиженном виде поставки газа могут осуществляться в криогенных сосудах разного масштаба: от сосуда Дьюара до криогенной емкости с атмосферным испарителем. Параметры такой емкости подбираются в зависимости от вашей потребности в данном газе в месяц и от рабочего давления, требуемого на вход в станок.
Как можно убедиться, что условия производства, хранения и поставки не приводят к ухудшению качества газа и вы получаете газ заявленного качества? Только лишь посетив производство — воздухоразделительную установку или станцию наполнения баллонов — и ознакомившись с производственными и логистическими процедурами, а также с контролем качества в тех рамках, в которых позволит вам компания — производитель газов.
Если вы приняли решение о работе с криогенными газами и определились с необходимым давлением газа и потребностью в его количестве, нужно думать о том, какой объем криогенной емкости и испаритель какой производительности выбрать. При этом нужно понимать, что основная задача испарителя состоит в том, чтобы обеспечить необходимый для процесса расход газа, то есть объем газа в единицу времени, но не его давление. Оно определяется рабочим давлением емкости. Поэтому для лазерной резки азотом надо либо использовать емкость высокого давления, либо применять дополнительные внешние по отношению к емкости решения, позволяющие поднять давление азота до требуемого для работы станка. Наиболее популярными оказываются криогенные емкости высокого давления, даже, несмотря на то, что в России их установка связана с прохождением определенных процедур в «Ростехнадзоре». В итоге все окупается за счет бесперебойности поставки газа одного и того же качества без необходимости остановки производства даже на время заправки емкости.

Подача газа на станок. Трубопровод.

В идеале трубопроводы должны быть изготовлены из нержавеющей стали или меди, не должны содержать слишком много соединений труб под прямым углом. Желательно обходы углов делать максимально плавными, с углами обхода более 90 градусов, так как на углах происходит падение давления. При проектировании трубопровода под азотную резку его диаметр должен быть таким, чтобы обеспечить поток азота с нужным расходом на все лазерные станки, которые он призван обслуживать. Не лишне будет также перед использованием трубопровода сделать его тщательную продувку чистым азотом, чтобы избежать попадания загрязнений на линзу. В особенности это важно, если трубопровод медный и собран на пайке.
Резка азотом сопряжена с большим расходом газа и, как следствие, с большим ежемесячным потреблением. Напомню для начала, в чем отличие расхода газа от потребления. Зачастую люди путают эти понятия, так как и единицы измерения в обоих случаях кубические метры газа в единицу времени. Разница состоит в том, что расход газа — это функция геометрии газовой магистрали и зависит только от диаметра трубопровода и рабочего давления в ней, в то время как потребление газа — это интегральная характеристика, зависящая от длительности промежутка времени, в течение которого газ потреблялся. Это может быть секунда, час, день, месяц, год. Например, резка азотом требует обеспечения высокого расхода, но если станок не работает, то потребление азота будет нулевым.
Если у вас возникли подозрения в отношении трубопровода, не забудьте обратить внимание на все его компоненты начиная от диаметров трубок и заканчивая фиттигнами, вентилями, редукторами, гибкими рукавами, рампами, если таковые имеются. Найдите элемент с минимальным диаметром. Именно он должен обеспечивать расход азота, требуемый для резки.

СОПЛО И РАСХОД ГАЗА

Напомню еще раз, что такое расход газа. По сути, это характеристика трубопровода, зависящая от его диаметра и рабочего давления, а также термодинамических характеристик газа, протекающего через трубу. Расход — это объем газа, который протекает через трубу или отверстие в единицу времени. Чем расход отличается от потребления? Потребление — это интегральная характеристика, которая зависит от того, сколько времени работает установка, то есть сколько времени через отверстие протекает газ. Таким образом, если станок не работает, то потребления газа не будет, но при этом трубопровод (включая сопло) должен обеспечить определенный расход газа в м3/час.
Обеспечение расхода газа, достаточного для резки, оказывается очень важным фактором, в особенности для резки волоконным лазером с азотом. Ширина реза при резке волоконным лазером меньше, чем при резке СО2-лазером, поэтому и сопло должно быть большего диаметра. Естественно, что в связи с этим у владельцев производства начинаются сомнения по поводу возрастающей потребности в азоте и, как следствие, возрастающих расходах. Но для правильной оценки себестоимости производства следует учесть, что производительность волоконного лазера при резке азотом в целом выше, в особенности для тонких материалов. Чтобы сделать правильный расчет себестоимости, необходимо просуммировать все расходы и затраты, включая инвестиции в оборудование, обслуживание, запчасти, налоги и зарплаты, затраты на электроэнергию и воду и так далее и подсчитать затраты на 1 погонный метр реза. Тогда выяснится, что рост скорости резки (и, как следствие, рост количества метров реза) приводит к тому, что на 1 метр газа тратится меньше.
Тем не менее увеличение диаметра сопла даже на 0,5 мм приводит к куда более заметному росту расхода газа (по квадратичному закону), чем при росте давления (по линейному закону), и об этом стоит помнить в особенности при резке кислородом. Если с ним переборщить, сразу повысится шероховатость кромки и, возможно, появится грат. Происходит это в связи с тем, что при увеличении объема кислорода, участвующего в резке, увеличивается число актов химических реакций окисления. Так как они происходят с выделением тепла (экзотермическая реакция), которое также идет на нагрев и плавление металла, то и расплава становится больше, и выдуть его труднее.

Что такое kerf?

Короткое английское слово kerf обозначает ширину реза. Совпадает ли она с диаметром луча на поверхности листа? Далеко не всегда. В особенности когда установлен неверный уровень фокусировки.
Сфокусированный лазерный пучок имеет максимальную интенсивность при минимальном диаметре именно в фокусе. Вне фокуса пучок, как известно, расширяется, а, следовательно, меняется и ширина реза. Как правило, в программах резки из библиотек станков, созданных и предустановленных производителями станков, все технологические параметры выбраны для определенной ширины реза так, чтобы режущий газ удалял расплав из зоны реза чисто и эффективно. Однако тут есть нюанс. Эти наборы параметров подобраны для определенного материала. Бывают ситуации, когда материал, который в данный момент нужно порезать, отличается от того, что использован при создании библиотеки. В этом случае придется подбирать новые параметры, включая и уровень фокусировки. Когда меняется положение фокуса, меняется и ширина реза. В случае, если рез становится шире, возможно, придется снижать и скорость резки для получения качественной кромки. В итоге можно сказать, что оптимальная ширина реза — это залог максимальной скорости резки при качественной кромке. Оптимизация всех остальных параметров — диаметра сопла, давления газа и так далее только добавит скорость. И тогда ваша технология взлетит.

Мария Степанова
ООО «Эр Ликид»
E‑mail: maria.stepanova@airliquide.com

Литература
1. BY: TIM HESTON «Gas gives the big assist in laser cutting» THE FABRICATOR SEPTEMBER 2016, JULY 13, 2015. http://www.thefabricator.com/article/lasercutting/gas-gives-the-big-assi...

 

Реклама наших партнеров