Повний посібник з лазерного різання вуглецевої сталі: вибір газу, параметри та усунення несправностей

Вступ: матеріал, що працює завдяки хімічній реакції

Вуглецева сталь — низьковуглецева сталь і конструкційна плита — є матеріалом з найвищим обсягом у більшості цехів з обробки металу, а також тим, для якого волоконні лазери демонструють найкращі показники. Верстат, який відчуває труднощі при різанні нержавіючої сталі товщиною 10 мм, часто легко ріже вуглецеву сталь товщиною 20 мм за допомогою кисню, оскільки процес забезпечується хімічною взаємодією між допоміжним газом і залізом, а не лише потужністю лазера.

Перехід від нержавіючої сталі вимагає відмовитися від звички використовувати азот: для різання нержавіючої сталі потрібен азот під високим тиском, щоб отримати блискучий край без оксидів, тоді як для різання вуглецевої сталі використовується кисень під низьким тиском, який підтримує екзотермічну реакцію всередині різового шва. Це призводить до утворення оксидного краю й потенційного нижнього шлаку на товстих листах — що є цілком нормальним явищем, а не дефектом. У цьому посібнику розглядаються вибір газу, режими різання залежно від товщини матеріалу, прокол товстих листів без вибухів і управління оксидним шаром.

Чому кисень кардинально змінює процес різання вуглецевої сталі

Коли струмінь кисню зустрічає залізо, нагріте до температури займання, залізо починає горіти. Поєднання заліза й кисню утворює оксид заліза й виділяє значну кількість тепла всередині зони різання — додаткову енергію, яка виконує основну роботу:

• Різання товших матеріалів при тій самій потужності: Волоконний лазер зазвичай ріже вуглецеву сталь на 1,5–2 рази товщі за максимальну товщину нержавіючої сталі, яку він може різати при тій самій класифікаційній потужності.

• Низький тиск газу: Різання нержавіючої сталі азотом зазвичай виконується при тиску 10–20 бар на соплі; різання вуглецевої сталі киснем — зазвичай при тиску 0,3–0,8 бар. Підвищений тиск не сприяє процесу: він лише відкидає продукти реакції й охолоджує різ.

• Оксидна плівка на поверхні різу: Реакція, що додає енергію, також окиснює свіжу поверхню — це типова характеристика для вуглецевої сталі й є прийнятною для більшості конструкційних застосувань.

Практичним наслідком є те, що вибір газу й тиск мають інше значення, ніж при різанні нержавіючої сталі, а вікно параметрів ширше й допускає значно більшу свободу дій оператора.

Вибір газу: кисень, повітря чи азот

*Тиск — орієнтовні початкові значення на соплі; перевірте їх за даними виробника вашого обладнання та системи подачі газу.

Повітря: економічний варіант для різання тонких листів

Для різання тонких листів стиснене повітря часто є варіантом із найнижчими експлуатаційними витратами: воно усуває необхідність угод на постачання кисню й дає менше оксидів через реакцію за умов нестачі кисню. Повітря має бути чистим і сухим, оскільки волога й олива погіршують якість різу й пошкоджують оптику. На певних марках сталі край, отриманий різанням повітрям, може трохи загартуватися — це важливо враховувати, якщо край зазнає подальшої механічної обробки або штампування.

Азот: лише коли край має залишатися без оксидів

Використання азоту при різанні вуглецевої сталі забезпечує єдиний результат — яскравий край без оксидів — але це коштує швидкості, витрат газу й електроенергії. Такий спосіб підходить для деталей, які одразу надходять на порошкове фарбування або цинкування; проте для більшості виробництв економічніше використовувати кисень із подальшим видаленням окалини, ніж азот — для досягнення аналогічного фарбованого результату.

Початкові параметри за товщиною

Кожна машина та партія матеріалів відрізняються. Використовуйте наведену нижче структуру як базовий орієнтир для кисневого різання, а потім розробіть виробничі параметри за допомогою пробних різів на справжніх листах. Якість значною мірою залежить від якості променя, стану сопла, точності фокусування та подачі газу.

*Вказаний діапазон є орієнтовним. Устаткування потужністю 3 кВт може різати матеріал товщиною 12–16 мм залежно від якості променя й налаштувань, тоді як система потужністю 6 кВт зазвичай забезпечує різання значно більшої товщини. Потужність визначає максимальну можливу товщину, а газ і фокус — якість різання.

Загальні правила коригування

• Нижній шлак при різанні киснем зазвичай вказує на неправильний баланс: перевірте глибину фокусування та тиск газу перед підвищенням потужності.

• Пропалювання верхнього краю на тонкому листі вказує на надлишок енергії: зменшіть потужність, підвищте швидкість або знизьте тиск кисню.

• Нерівномірні смуги на товстій плиті зазвичай вказують на проблеми з глибиною фокусування, чистотою газу або оптикою, а не на обмеження потужності.

• Масштаб виробництва має значення: Гарячекатана плита запалюється та ріжеться інакше, ніж очищена кислотою або дробоструминна плита. Завжди повторно перевіряйте параметри при зміні стану поверхні.

Налаштування фокусу та сопла для різання киснем

Різання киснем створює ширший різ, ніж різання азотом, а також має відмінну поведінку фокусування.

• Тонкий лист: Фокусування на верхній поверхні або поблизу неї забезпечує найшвидші й найчистіші розрізи.

• Середня та товста плита: Негативне зміщення (фокус усередині матеріалу) розподіляє енергію по глибині розрізу й зменшує шлак у нижній частині. Точну настройку виконуйте за допомогою пробних розрізів.

• Сопло та відстань до матеріалу: Пошкоджене або зміщене від центру сопло спотворює кисневий струмінь і призводить до асиметричного шлаку. Відстань до матеріалу зазвичай становить 0,5–1,5 мм у сучасних головках і має залишатися незмінною.

• Подача газу: Перевіряйте тиск кисню безпосередньо біля сопла в умовах різання, а не лише за показниками редуктора.

Пробивання вуглецевої сталі: де кисень «кусає» назад

Найпоширенішою точкою відмови при обробці вуглецевої сталі є саме пробивання, а не різання. Кисень і біло-розжарена сталь утворюють енергійну комбінацію; пробивання товстої плити повним кисневим потоком може призвести до вибухового розриву з розбризкуванням розплавленого металу на сопло й захисну лінзу.

• Імпульсне або плавне пробивання: Почніть із імпульсного або поступово зростаючого за потужністю променя замість повної неперервної потужності, щоб контролювати пробиття й мінімізувати викид розплавленого матеріалу.

• Контрольований допоміжний газ: Багато верстатів виконують пробиття зі зменшеним або затриманим подаванням кисню або використовують повітря/азот під час етапу пробиття, а потім перемикаються на кисень для різання. Завжди дотримуйтеся рекомендованої виробником процедури пробиття.

• Забезпечте достатній час пробиття: Для товстих плит необхідний триваліший час утримання променя під час пробиття; поспішність у цьому процесі призводить до вибухів і залишає більшу термічно вплинуту стартову позначку.

• Перевірте після пробиття: Вибух пошкоджує насадку й захисну лінзу першими. Перед різанням перевірте обидва компоненти, оскільки пошкоджена насадка гарантовано призведе до виготовлення бракованої деталі.

Питання оксидного шару: прийняти, зменшити чи видалити

Різання киснем природно залишає оксидний шар на різальній поверхні, а на товстих плитах — також шлак (дроз) на нижньому краю. Необхідність втручання визначається залежно від операцій, що виконуються далі.

• Прийняти його: Для конструктивних елементів, кронштейнів та деталей, які зварюють або фарбують після збирання, оксиди та легкий шлак повністю відповідають очікуваним параметрам. Багато конструктивних специфікацій прямо дозволяють кромки, отримані кисневим різанням.

• Зменшити його: Нижній шлак можна мінімізувати — хоча його повне усунення на товстих листах трапляється рідко — шляхом підтримання правильної глибини фокусування, тиску в межах робочого діапазону верстата та швидкості, адаптованої до товщини матеріалу. Різання трохи повільніше за максимальну швидкість часто ефективніше зменшує шлак, ніж підвищення потужності.

• Усунути його: Деталі, призначені для порошкового напилення, цинкування або збирання з високою точністю, потребують додаткової обробки: легке шліфування нижнього краю, різання струменем повітря (де припустиме незначне окиснення) або різання азотом (коли окиснення має бути повністю уникнено).

Правило: Визначте вимоги до кромки до вибору допоміжного газу. Кисень забезпечує найшвидше й найекономічніше різання, проте вимоги до остаточної обробки кромки мають бути враховані в загальному технологічному процесі.

Швидкий довідник з усунення несправностей

Питання та відповіді

Питання: Чи є нижній крайовий шлак при кисневому різанні вуглецевої сталі нормальним явищем?

Відповідь: Для товстого листа — так. Оксид і певна кількість нижнього шлаку є природними характеристиками кисневого різання. Правильні фокус, тиск і швидкість мінімізують їх, а легке шліфування усуває їх там, де це потрібно. Це не ознака несправності обладнання.

Питання: Чи можна різати вуглецеву сталь азотом або повітрям замість кисню?

Відповідь: Повітря добре працює на тонкому листі (зазвичай до 3–6 мм) за нижчої вартості газу й дає менш виражений оксидний край. Азот забезпечує яскравий, безоксидний край, але процес значно повільніший і дорожчий, тому його економічно використовувати лише тоді, коли він усуває додатковий технологічний етап, наприклад, декалькування перед нанесенням покриття.

Питання: Чому при кисневому різанні використовується нижчий тиск газу порівняно з азотним різанням?

A: Кисень реагує хімічно зі сталлю й утворює теплову енергію, що усуває потребу в високому механічному тиску для видалення розплавленого матеріалу. Надмірний тиск порушує екзотермічну реакцію й передчасно охолоджує різ.

П: Якої товщини вуглецеву сталь може різати волоконний лазер?

A: За допомогою кисню волоконний лазер зазвичай ріже вуглецеву сталь до 1,5–2 разів більшої товщини, ніж максимальна товщина нержавіючої сталі, яку він обробляє при однаковій потужності. Лазери середньої потужності зазвичай працюють із товщиною 12–20 мм, тоді як високопотужні системи легко перевищують 20 мм. Понад приблизно 25–30 мм багато виробників переходять на плазмові або киснево-паливні системи через економічну ефективність.

Налаштування різання вуглецевої сталі у вашому цеху

Вуглецева сталь залишається найбільш терплячим матеріалом для обробки волоконними лазерами, однак неправильний вибір газу або налаштування параметрів легко призводить до втрат продуктивності. Для операцій, що оцінюють обладнання для різноманітного завантаження, наші інженери з застосувань можуть проаналізувати ваш діапазон товщин матеріалу та вимоги до кромок, порекомендувати оптимальний клас потужності й конфігурацію газу, а також організувати пробні різи на вашому реальному листі до покупки.

[Поговорити з інженером з застосувань] — Поділіться діапазоном товщин вашого матеріалу, розмірами деталей та вимогами до остаточної обробки (фарбування, зварювання чи залишення «голим»), щоб отримати персоналізовані рекомендації щодо обладнання та початкові значення параметрів.