Основы газолазерной резки металлов
Для чего лазерному станку рабочие газы?
Чтобы испарить металл, после расплавления его необходимо нагреть до температуры кипения, а потом кипятить. Это требует немалого времени, в течение которого расплавленный металл будет стекать в ранее проделанный разрез и там застывать. В результате резка даже миллиметрового металла потребует многократных проходов. Временны́ми затратами проблемы не исчерпываются: выпаривание, да ещё многократное, потребует колоссальных затрат энергии.
Также необходимо помнить, что тепло распространяется во все стороны от точки контакта луча с металлом – не только вниз, но и вбок. Как следствие, рез становится не только глубже, но и шире. К тому же, перегретый металл активно взаимодействует с газами окружающей среды, образуя всевозможные оскиды, карбиды, нитриды и прочие соединения, радикально ухудшающие структуру вещества по краям реза.
Понятно, что лазерная резка, использующая выпаривание металла, для практического применения категорически непригодна. Она требует огромных затрат времени и энергии, а качество её оказывается ниже всякой критики. Для получения приемлемых результатов следует отказаться от выпаривания и обеспечить:
1. удаление разогретого металла сразу, как только он переходит в жидкое состояние;
2. эффективное охлаждение стенок реза, сводящее к минимуму масштабы окисления и тепловых деформаций.
Проще всего сделать это с помощью струи газа, направляемой в зону реза соосно с лазерным лучом.
Резка, в ходе которой вместе с лазерным лучом используется струя газа, называется газолазерной.
Центральным элементом любого лазерного станка является лазерная голова, оснащённая соплом. Многие ошибочно полагают, что сопло необходимо для формирования лазерного луча. На самом деле лазерный луч формируется оптической системой, а переносимая им энергия столь велика, что любой контакт с соплом ведёт к его моментальному расплавлению.
Сопло необходимо для формирования струи газа, которая выдувает жидкий металл из зоны реза, эффективно охлаждает его стенки, а также защищает элементы оптической системы от брызг и паров металла. Расход и скорость рабочего газа должны быть таковы, чтобы удалять расплав, не оставляя грата на нижних кромках, но в то же время не допускать чрезмерного охлаждения зоны реза, способного замедлить процесс резки.
Принципиальное значение имеет вид рабочего газа.
Чаще всего для газолазерной резки используют воздух – он доступен, дёшев и пригоден для решения подавляющего большинства практических задач. Однако есть ещё и меньшинство, требующее иных газов.
Для резки углеродистых сталей больших толщин (более 10 мм) часто используют чистый кислород. Он вступает в химическую реакцию с железом, результатом чего становится резкое повышение температуры в зоне реза. Роль экзотермической реакции окисления столь велика, что говорят уже не о резке металла, а о его прожигании. Скорость работы при этом существенно увеличивается.
При работе с нержавеющей сталью можно использовать воздух, однако в этом случае края реза окисляются порой столь значительно, что готовым изделиям требуется финальная обработка. Поэтому желательно использовать азот. Это исключит образование окислов и обеспечит высокое качество краёв.
При работе с цветными металлами и сплавами на их основе использование кислорода совершенно недопустимо. Применение воздуха и даже азота также может оказаться неприемлемым из-за образования по краям реза оксидов и нитридов соответственно. Чтобы исключить финальную обработку, в качестве рабочего газа следует использовать аргон. Он не только не вступает в реакцию с металлами, но и защищает их от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха.
Кислород подаётся в рабочую зону под давлением не более 1,5 атмосфер. Более высокое давление провоцирует чрезмерно интенсивное горение металла, что ведёт к ухудшению качества резки. Прочие газы обычно подаются под давлением не менее 10 атмосфер. В качестве источников применяются:
● для воздуха – компрессоры;
● для кислорода, азота и аргона – баллоны или газификаторы.
Можно встретить рекомендации избегать использования баллонов, так как газы в них часто оказываются недостаточно чистыми – содержат разнообразные примеси и частицы металла. Практика показывает, что в большинстве случаев количества загрязнений недостаточно, чтобы заметно повлиять на качество резки. Вместе с тем нередки случаи, когда реальный уровень загрязнения оказывается в разы выше заявленного. Поэтому газификаторы, гарантирующие полное отсутствие любых примесей, всё же более предпочтительны.
