Газы при лазерной резке металла: кислород, азот или воздух, давление, расход и стоимость метра реза

Что газ делает в резе

Газ идёт через сопло соосно с лучом и решает три задачи: выдувает расплав из пропила, защищает линзу головы от брызг и определяет, какая реакция идёт на кромке. Первые две работают у любого газа, третья отличает их друг от друга.

Кислород вступает в реакцию с железом, она идёт с выделением тепла и добавляет к лучу собственную мощность. Поэтому сталь с кислородом режется на малой мощности и малом давлении: пока металл горит, струе остаётся лишь вынести шлак. Платой за это становятся оксиды на кромке. Азот в реакцию не вступает, он работает как поршень: выбивает расплав и закрывает рез от кислорода воздуха, поэтому нужно много газа и высокое давление. Воздух состоит из азота и 21 % кислорода, и ведёт себя как слабый азот с примесью окисления.

Сравнение по параметрам

Давление в таблице указано по датчику в голове, а не по манометру у баллона: между ними шланг, фильтры и клапан, и на большом расходе они съедают единицы бар.

Диапазоны давления и сопел взяты из документа Raycus с режимами резки и таблиц Krrass для 12 кВт, расход — из расчёта по давлению и сопле, который выполняет калькулятор расхода газа, и сверен с таблицей Raysoar.

Типичные режимы по таблицам Raycus

Для источника 6 кВт Raycus публикует такие режимы. Буква после диаметра сопла обозначает тип: S однослойное, D двухслойное. Буквы E и B Raycus в документе не расшифровывает.

Закономерность одна: кислород идёт при давлении ниже двух бар и растёт только в диаметре сопла, азот и воздух идут при десятках бар, и давление растёт вместе с толщиной. На 12 кВт толстую нержавейку Raycus режет по-другому: азот 5–6 бар через широкое сопло 5–7 мм, и на метр реза его уходит в разы больше: около 68 литров на нержавейке 10 мм против 16 литров на 4 мм при 12 кВт. Для стали толщиной 1–6 мм на 6 кВт, как и для 1–10 мм на 12 кВт, производитель сам рекомендует азот или воздух вместо кислорода: скорость выше, но на кромке возможен небольшой шлак.

Азот: откуда берётся расход

Расход через сопло растёт с квадратом диаметра и пропорционально давлению: при звуковом течении, а у азота при 8–20 бар оно именно такое, удвоение давления почти удваивает расход. Raysoar, производитель генераторов азота, приводит для нержавейки такие ориентиры. Сопло 1,0 мм при 12–16 бар расходует 10 м³/ч, сопло 2,0 мм 28 м³/ч, сопло 4,0 мм при 9–12 бар 60 м³/ч, а сопло 7,0 мм 150 м³/ч. Расчёт калькулятора для сопла 2,0 мм при 12 бар даёт 26 м³/ч, то есть те же цифры.

Чистота азота зависит от материала. Для нержавейки, которую варят и красят, Raysoar называет необходимым 99,99 % и выше: при меньшей чистоте светлой кромки не получить. Для углеродистой стали и алюминия по тем же таблицам достаточно 90–98 %, потому что налёт здесь никого не смущает. Это различие важно при выборе генератора азота: генераторы выпускают на чистоту от 95 до 99,999 %, и установку берут под самую требовательную работу, а не под среднюю. По ГОСТ 9293-74 азот выпускают техническим и особой чистоты, у каждого по два сорта, и при заказе нужно называть сорт, а не слово «азот».

Давление тоже влияет на кромку. По примеру Raysoar, при резке нержавейки 5 мм на 6 кВт азотом 14 бар скорость достигала 8,5 м/мин, а при 10 бар кромка получала оксидный налёт глубиной 0,3 мм. Экономия давления на нержавейке оборачивается налётом на кромке.

Воздух: что можно и нельзя

Воздух не требует баллонов и газификатора, нужен лишь винтовой компрессор на 10–16 бар, осушитель и фильтры. О подборе оборудования подробно написано в статье о компрессоре и сжатом воздухе. В режимах Raycus для 12 кВт есть воздух для нержавейки от 1 до 30 мм при 10 бар, и по скорости он почти не уступает азоту: нержавейка 10 мм идёт на 6,5 м/мин воздухом против 7,5 азотом.

Для тонкого листа компрессору нужно 15–16 бар с осушителем: на 10 бар даже 1,5 мм режется с гратом. Нержавейку режут азотом или воздухом, но не кислородом. Порядок настройки режима такой: сначала скорость и сопло, затем фокус, и только потом давление газа.

Цена за это платится кромкой. Кислород воздуха окисляет нержавейку и алюминий, и деталь темнеет. Под сварку такую кромку зачищают, под порошковую покраску тоже. Сталь, которую всё равно красят, воздух устраивает полностью. Вторая опасность воздуха связана с маслом и влагой из магистрали, которые оседают на защитном стекле и линзе головы и выводят их из строя.

Пример: сколько газа и рублей уходит на метр

Возьмём четыре режима из таблиц Raycus для источников 6 и 12 кВт. Расход считал калькулятор по давлению в голове и диаметру сопла с поправкой на высоту сопла над листом. Цены условные: 40 ₽ за кубометр азота из газификатора и 150 ₽ из баллонов. Второе число выходит из заправки 40-литрового баллона за 800 ₽ при 5,2 м³ полезного газа. Для кислорода цену принимаем такой же ради сравнения, у вас она своя.

Расход на метр — это расход в час, делённый на скорость в метрах в час. Для первой строки 38 м³/ч делим на 720 м/ч и получаем 0,053 м³, то есть 53 литра. Из таблицы видно три вещи. Первая: кислород на толстой стали стоит копейки, потому что расход через сопло 1,2 мм при 0,6 бар около кубометра в час. Вторая: метр нержавейки 4 мм на азоте стоит в 6–7 раз дороже метра стали 10 мм на кислороде, и закладывать на газ 120–150 ₽ на час резки, как в расчёте стоимости цеха на 1,5 кВт, можно только для чёрной стали. Нержавейка 4 мм на 6 кВт при непрерывной резке тратит около 38 м³ азота в час, то есть около 1 500 ₽ при цене 40 ₽ и около 5 700 ₽ при цене 150 ₽. Третья: мощный источник экономит азот. На 12 кВт метр реза той же нержавейки стоит втрое меньше, потому что скорость растёт быстрее расхода.

Для сравнения воздух на тонкой стали. Тот же режим, 3 мм на 6 кВт, 14 бар, сопло 2,0 мм, требует около 30 м³/ч сжатого воздуха, то есть 0,5 м³/мин. Винтовой компрессор тратит порядка 7–8 кВт на кубометр в минуту, значит около 3,5–4 кВт. При тарифе 10 ₽ за кВт·ч это 35–40 ₽ в час и около 5 копеек на метр реза, без учёта амортизации компрессора, осушителя и фильтров. Азот на этом же режиме обходится в 1,5 ₽ на метр при 40 ₽ за кубометр. Разница в тридцать раз и есть главная причина, почему тонкую сталь всё чаще режут воздухом.

Откуда брать азот

Расчёт газа и баллонов под ваши режимы выполняет калькулятор расхода газа, а время резки и цену детали — калькулятор стоимости лазерной резки.

Типичные ошибки

Самая частая: ставят давление, указанное в таблице, на редукторе у баллона. В голове при этом оказывается на несколько бар меньше, и кромка получает налёт. Второй промах состоит в замене сопла на больший диаметр «чтобы лучше сдувало»: расход растёт с квадратом диаметра, а оператор часто добавляет ещё и давление. Третий в том, что газ считают по часам смены, а не по часам резки, и принимают «шесть кубометров в баллоне» за полезный объём. Четвёртый заключается в выборе генератора по расходу на тонком листе, хотя пик определяет самая толстая нержавейка, которую вы режете. Подробнее о том, как мощность источника влияет на эти цифры, — в статье о выборе волоконного станка.