Азот, кислород или воздух: что выбрать для лазерной резки

Лазер режет металл. Это понятно. Но газ при лазерной резке — не вспомогательная деталь, а полноправный участник процесса. От правильного выбора газа зависит качество кромки, скорость резки и то, нужно ли вообще обрабатывать деталь после лазера или можно сразу отдавать дальше.

Сфокусированный луч нагревает металл до температуры плавления или горения. Газ в это время подаётся через сопло соосно с лазерным лучом и выполняет несколько задач одновременно: выдувает расплав из зоны реза, охлаждает кромку, защищает фокусирующую линзу от брызг расплавленного металла. В зависимости от выбранного газа к этому добавляется либо окислительная реакция (кислород), либо инертная защита (азот).

Основной газ для лазерной резки нержавеющей стали, алюминия и цветных металлов. При работе с азотом кромка остаётся чистой и светлой — без оксидной плёнки, без цветов побежалости. Деталь после резки готова к сварке, покраске или пищевому применению без дополнительной обработки.

Это не мелочь. В производстве кухонного или медицинского оборудования, где важна чистота поверхности, азот — единственный правильный выбор.

Давление азота при лазерной резке высокое — от 10 до 25 бар, иногда до 40 бар. Расход тоже значительный: крупный лазерный центр потребляет 50–200 нм³/ч. При таком расходе поштучная замена баллонов — это постоянные простои. Переходят на рампы для азота с десятью и более баллонами или на газовые моноблоки. Один моноблок на 12 баллонов при давлении 200 атм — около 10 000 нм³ азота. Несколько дней работы без единой замены.

Требования к чистоте азота — 99,9% и выше. При недостаточной чистоте на кромке появляются следы окисления, которых «не должно быть при резке азотом». Поставщик газа обязан обеспечить нужную чистоту.

Применяется при резке конструкционных углеродистых сталей. При подаче кислорода в зону реза металл не просто плавится — он горит. Экзотермическая реакция горения железа в кислороде добавляет тепловую мощность и позволяет резать толстый металл быстрее.

Скорость резки с кислородом выше, чем с азотом. Но кромка — другая: коричневато-оксидная, с небольшим гратом. Для деталей, которые потом красят или сваривают без высоких требований к чистоте — нормально. Для нержавейки и алюминия кислород категорически не подходит: кромка оксидируется, свойства металла вблизи реза ухудшаются.

Давление кислорода при лазерной резке — 0,3–2 бар, значительно ниже, чем у азота.

Используется на маломощных лазерах при резке тонкого металла — цветных металлов до 3 мм, тонкой нержавейки. Воздух содержит около 21% кислорода, что даёт небольшой окислительный эффект, и около 78% азота, что частично защищает кромку.

Качество кромки хуже, чем при азоте. Но стоимость резки — минимальная: сжатый воздух есть на любом предприятии. Для мелкосерийного производства и прототипирования — приемлемый компромисс.

Практическое правило простое: нержавейка и алюминий — азот, конструкционная сталь — кислород, мелкосерийка на тонком металле — воздух.

Если нужна чистая кромка без окисления на любом металле — азот. Если важна скорость на стали и качество кромки вторично — кислород.

При организации газоснабжения лазерного центра с несколькими станками — централизованная подача через газовую рампу. Стабильное давление на всех точках, автоматическое переключение при смене группы баллонов, никаких простоев. О том, как рампа обеспечивает стабильную подачу, — в статье «Стабильная подача газа».

Расход азота при лазерной резке — самый высокий из всех применений газа в металлообработке. Крупный цех с двумя-тремя лазерными станками расходует 150–500 нм³/ч. Баллоны здесь не справляются физически.

Три варианта для высокого расхода: многобаллонные рампы с 10–20 баллонами, газовые моноблоки на 12–27 баллонов, криогенный газификатор жидкого азота (при расходе свыше 500 нм³/ч). Конкретный выбор зависит от суточного объёма и логистики.

КубСпецТех подбирает схему газоснабжения под конкретный лазерный центр. Подробнее — в каталоге продукции.

Первая ошибка — экономия на чистоте азота. Берут 99,5% вместо 99,9% — и получают лёгкий оксидный налёт на кромке нержавейки, который «вроде бы не видно». Видно заказчику под определённым углом освещения. Переделка — за счёт исполнителя.

Вторая — неправильное давление. Подают азот 6 бар вместо 15 бар на тонкой нержавейке. Кромка получается с гратом — расплав не выдувается полностью. Настройки давления зависят от толщины материала и мощности лазера; нет универсальных значений.

Третья — не считают расход заранее. Запускают новый станок, выясняют, что одного баллона хватает на два часа, и потом срочно ищут рампу. Лучше посчитать потребление до запуска.