Выбор кислорода для лазерной резки

Технологические газы: что выбрать

Три основных варианта

Рост числа станков лазерной резки — и отечественных, и импортных — привлек внимание производственников к расходным материалам. Вспомогательные газы играют ключевую роль. Чаще всего применяют азот, кислород и сжатый воздух.

Какой газ для чего подходит? Разберемся.

Кислород используют и для нержавеющей стали — но только если цвет и качество кромки не имеют значения.

Резка кислородом: требования к чистоте

Почему 99,95% — это важно

Производители станков рекомендуют кислород чистотой не хуже 99,95%. Рекомендации основаны на исследованиях западных лабораторий и производственном опыте. Доказано: качество и чистота кислорода влияют на скорость резки и шероховатость кромки.

Особенно важна чистота для «черных» сталей толщиной более 15–16 мм. Тут каждый процент имеет значение.

Российский рынок: проблема выбора

Дефицит качественного газа

В России для лазерной резки до сих пор распространен кислород технический по ГОСТ 5583–78 (газообразный) и ГОСТ 6331–78 (жидкий). Объемная доля кислорода:

• → 99,7% — первый сорт
• → 99,5% — медицинский и второй сорт

Причина популярности такого кислорода проста: до недавнего времени на розничном рынке не было кислорода 99,95% по доступной цене. Единственная альтернатива — кислород ОЧ 99,999% от «Лентехгаза», но его цена на порядок выше.

В 2013 году появился кислород LASAL™ 2003 с чистотой 99,95%. Продукт новый, на практике в российских производствах не применялся. Возникла необходимость объективного сравнения трех степеней чистоты: 99,7%, 99,95% и 99,999%.

Эксперименты: проверка на практике

Постановка задачи

Европейский исследовательский центр CTAS уже проверял влияние качества кислорода на скорость резки и качество кромки. Весной 2013 года специалисты «Эр Ликид» и ведущих российских производителей станков (ЗАО «Лазерные комплексы», ЗАО «ВНИТЭП», НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ») провели серию работ.

Цель — определить влияние чистоты кислорода на параметры резки.

Описание экспериментов

Материалы для резки:

• ✓ Сталь 3 толщиной 4, 6, 8, 14, 20 мм
• ✓ Нержавеющая сталь 2 мм

Оборудование:

• ★ CO₂-лазер Rofin DC025, мощность 2,5 кВт
• ★ Волоконные лазеры НТО «ИРЭ-Полюс», мощность 1,5 и 3 кВт

Методика упрощенная, одинаковая для всех станков. Вначале выбирали типовой набор параметров (диаметр и положение сопла, давление газа, фокусировка, мощность) для данной толщины. Оптимизацию не проводили — это важно.

Фиксировали все параметры, проводили резку с кислородом 99,7% в диапазоне скоростей от минимальной до максимальной (пока образцы выпадали из листа). Затем меняли кислород и повторяли серию для всех видов газа на каждом лазере.

Анализировали кромки в диапазоне скоростей, при которых происходит резка.

Результаты CO2-лазеров

Меньше грата — выше скорость

На фотографии показана нижняя сторона образцов CO₂-лазером (1,8 кВт) стали Ст3 толщиной 10 мм. Кислород 99,7% (столбец А) и 99,95% (столбец Б). Образцы размещены парами по возрастанию скорости от 1,3 до 1,5 м/мин. Тесты в ЗАО «Лазерные комплексы», Шатура.

Рис. 1. Образцы резки CO₂-лазером стали 10 мм: А — кислород 99,7%, Б — кислород 99,95%

При резке кислородом LASAL™ 2003 грата образуется меньше. Это факт. При скорости 1,6 м/мин резка кислородом 99,7% прекращалась, а качество резки LASAL™ 2003 соответствовало техническому кислороду на скорости 1,5 м/мин.

Разница ощутимая.

Волоконные лазеры: эффект чистоты

Толщина имеет значение

В экспериментах использовали материалы толщиной 2, 4, 8, 10, 14 и 20 мм. Кислород — 99,7%, 99,95%, 99,999%.

Наиболее заметен эффект при толщине более 4 мм. Для материалов 4–8 мм эффект составил 8–10% по скорости при одинаковом качестве кромки. Для более толстых материалов рост скорости — 12–17%.

На фотографии образцы из ВНИТЭП (Дубна), Ст3, 20 мм:

• → Столбец 1: V=0,6 м/мин
• → Столбец 2: V=0,7 м/мин
• → Столбец 3: V=0,8 м/мин

Нижний ряд — 99,7%, средний — 99,95%, верхний — 99,999%.

Рис. 2. Образцы резки волоконным лазером Ст3 20 мм: низ — 99,7%, середина — 99,95%, верх — 99,999%

Результаты 99,95% и 99,999% сравнимы по шероховатости, грату и максимальной скорости. Наихудший — технический 99,7%: зона с окалиной появилась уже при 0,7 м/мин.

Неожиданный результат

В компании «Лазеры и аппаратура ТМ» при резке Ст3 толщиной 5 мм (волокно, 1,5 кВт) получили интересный результат. Параметры с кислородом 99,7% были неоптимальными. Простая замена на LASAL™ 2003 или 99,999% привела не только к росту диапазона скорости, но и к появлению режимов с меньшей шероховатостью.

Иногда достаточно просто сменить газ.

Анализ качества реза

Визуальное сравнение

За «норму» приняли качество 99,999%. Сравнивали появление грата, шлака, наплывов металла, а также скорость, при которой появляется зона блестящего металла из видимых пленок окислов.

Сталь Ст3, 10 мм, CO₂-лазер 1,8 кВт.

Экономический эффект: считаем выгоду

Себестоимость 1 метра реза

Производственник планирует закупки, исходя из экономичности. Основной показатель — удельная себестоимость. В случае лазерной резки — себестоимость 1 метра реза.

Как оценить правильно? Выпишем все показатели, влияющие на стоимость 1 часа работы станка:

• ✔️ Инвестиционные затраты на покупку оборудования
• ✔️ Количество смен в день
• ✔️ Время во включенном состоянии
• ✔️ Полезное лазерное время
• ✔️ Амортизация
• ✔️ Аренда или налоги за площадь
• ✔️ Обслуживание станка
• ✔️ Электроэнергия
• ✔️ Зарплата оператора
• ✔️ Лазерный газ
• ✔️ Режущий газ
• ✔️ Линза, сопло, другие материалы
• ✔️ Процент брака

Рассмотрим простейшую задачу на примере линзы. Пусть время жизни — Х часов. Если скорость с техническим кислородом 1 м/мин, а с чистым — 1,2 м/мин, то за Х часов прорежем:

• → 60Х метров (99,7%)
• → 72Х метров (99,95%)

Аналогично для каждого параметра, включая инвестиции и накладные расходы.

Реальные цифры

Расчет себестоимости 1 метра при стоимости станка 250 тысяч евро и типичных ценах для средней полосы России показал: при разнице скорости 20% себестоимость оказывается ниже на 13–14% для кислорода 99,95%.

Даже если стоимость 1 м³ этого газа в 5 раз выше технического!

Выигрыш начинается с превышения скорости уже на 6–7%. Учет брака и затрат на постобработку лишь увеличит преимущество чистого газа.

Это серьезно.

Применение в плазменной резке

Те же принципы

Аналогичные тесты кислорода 99,95% провели на станках плазменной резки в Санкт-Петербурге и Городце. Эффект оказался таким же, как для лазерной резки:

• ★ Шероховатость кромки снизилась
• ★ Скорость резки повысилась

Рассуждения по себестоимости 1 метра реза справедливы и для плазменной резки.

Заключение

Экспериментально подтверждены результаты CTAS и рекомендации производителей оборудования. Применение кислорода 99,95% на CO₂-лазерах до 2,5 кВт и волоконных до 3 кВт увеличивает скорость на 10–18% для толщины 8–20 мм без изменения качества.

Увеличение чистоты выше 99,95% не оказывает заметного влияния для стали Ст3 до 20 мм.

Вывод прост: чистый кислород окупается. Быстро.

Мария Степанова, к. ф.-м. н.

maria.stepanova@airliquide.com

8 916 031 0991