Азот и кислород в лазерной резке

В этой статье мы поговорим о применении азота и кислорода в лазерной резке

С чего все начинается?

Поиск лазерного станка начинается с выбора типа и толщины металла, который необходимо обработать. После уточнения всех параметров Клиент получает долгожданный станок, но зачастую многие забывают о том, что станок необходимо обеспечить подачей вспомогательного газа (азота, кислорода или воздуха).

Сегодня мы подробнее остановимся о том, какое оборудование следует приобрести для обеспечения вспомогательным газом лазерного станка.

Но сначала немного теории

Когда речь заходит о качестве газа, то как правило, говорят о процентном содержании основной молекулы в газе. Для азота и кислорода чистота, как правило, составляет 99% и несколько важных цифр после десятичной запятой. Соответственно, чем выше цифра после запятой - тем выше чистота (концентрация) газа. Таким образом, мы получаем всем знакомую систему записи чистоты газа, состоящую из N, X, Y, где Х - общее количество «девяток» в проценте чистоты, Y - последняя значащая цифра цифра после десятичной запятой в процентной записи:

Лазерная резка с использованием азота

Основную роль для достижения максимальной скорости при наилучшем качестве в лазерной резке с использование вспомогательного газа азота играют мощность лазерного излучения, диаметр фокального пятна и качество пучка. Азот используется для «выдувания» расплавленного металла из зоны резки и защиты металла от окисления.

Применение азота целесообразно, если окисление разрезаемого металла недопустимо, или по крайней мере нежелательно. Именно поэтому в технологическом процессе важно использование азота более высокой концентрации, так как даже малейшее присутствие кислорода может негативно сказаться на финальной заготовке. Хорошим маркером, говорящим о низкой концентрации используемого азота, является изменение цвета конечного среза.

Также стоит учитывать, что для достижения более качественного результата используется азот высокого давления (до 40 бар).

Лучшим решением для получения газообразного азота является адсорбционная азотная станция серии АВС. Из прошлых статей мы знаем, что мембранная технология не подходит для получения азота, с концентрацией выше 99.6%.

Для получения азота высокого давления используется азотный поршневой компрессор, диапазон сжатия которого от 15 до 40 бар. На популярных лазерных станках Trumph используется давление азота, не превышающее 30-35 бар.

Однако существует множество нюансов, связанных с подбором азотной станции. Самая популярная ошибка, допускаемая инженерами, отвечающими за подбор адсорбционной азотной станции с дожимным компрессором высокого давления, состоит в следующем (расскажем на реальном примере):

Пример

Клиенту требуется 32 нм3/ч газообразного азота, концентрацией 99.9995%, давлением 30 бар.

После запуска станции выходные параметры строго соответствуют входному техническому заданию, однако после запуска лазерного станка происходит падение давления азота на входе в станок, и, как следствие, падение концентрации продуктового азота на выходе из азотной установки, что непременно ведет к ухудшению реза.

Чтобы такой ситуации не происходило, необходимо изначально учитывать, что каждому дожимному компрессору необходим буферный объем. Простыми словами, после дожимного компрессора необходимо установить несколько азотных ресиверов, объемом 0.25 нм3, рабочим давлением 40 бар (соответствующие ресиверы не попадают под регистрацию в Ростехнадзоре), либо подключить несколько газовых баллонов высокого давления (в конкретном случае необходимо установить 4 ресивера, либо моноблок из 16-20 баллонов). Таким образом решается несколько проблем, связанных с постоянной работой дожимного компрессора (любое оборудование, работающее на износ, требует повышенных затрат на обслуживание), а также появляется запасной объем продуктового азота, который будет выполнять роль буфера во время работы всей системы.

Преимущество лазерной резки с использованием азота - в отсутствии окислительных и экзотермических реакций (выделении большого количества тепла). Скорость реза при этом невелика, а также требуется более высокое давление сопутствующего газа. Металл не испарятся, а только плавится, что позволяет делать более качественный продукт.

Лазерная резка с использованием кислорода

Кислород, в отличии от азота, более химически активный газ. В ходе резки с использованием кислорода образуется около 97% FeO и 3% Fe2O3, а также выделяется большое количество тепла. Это позволяет существенно увеличить скорость процесса резки, а также позволяет обрабатывать более толстый металл.

Чем толще металл, тем ниже давление кислорода необходимо подавать на лазерный станок. Однако, чем больше в кислороде примесей (чем ниже концентрация), тем медленнее происходит процесс резки и хуже результат.

Если в кислороде резать алюминий, то получаемые детали имеют неровные срезы с множеством заусениц, поэтому алюминий режется только в азоте. Низкосплавные стали тоже желательно подвергать лазерной резке с использованием азота, иначе детали, подлежащие окраске, будут плохо удерживать слой красящего вещества.

Адсорбционные азотные и кислородные станции позволяют отказаться от использования баллонного газа и от емкостей с жидкой азотом и кислородом. Оборудование работает в автоматическом режиме без присутствия оператора. Станция запускается от сигнала датчика давления в накопительном ресивере, который сообщает, что начался процесс отбора азота/кислорода станком. Контроль за технологическим процессом ведется на панели оператора Siemens, на которую выводятся все основные параметры.

Мы часто встречаемся с ситуацией, когда на производстве Клиента присутствует действующее высокобарное компрессорное оборудование (дожимные бустеры до 400 бар), которое можно использовать в технологическом процессе получения газообразного азота для лазерного станка. Соответственно, имеются и ресиверы высокого давления. Таким образом можно установить только адсорбционную азотную станцию, подключив ее к существующей сети. Азот будет закачиваться в имеющийся ресиверный парк, а из него через редуктор поступать на лазерный станок.

Такая система позволяет иметь большое количество запасного газообразного азота, который может потребоваться в случае внезапного отключения электроэнергии или на время технического обслуживания компрессорного оборудования или адсорбционного генератора азота.

Заключение

В заключении хочется сказать, что за последнее время спрос на адсорбционные азотные станции с дожимным компрессором для производств, занимающихся лазерной резкой, значительно вырос. Этому способствует постепенный переход Клиентов на современные иностранные лазерные станки и осведомленность о современных методах получения азота. Баллонный газ остается востребованным только в тех случаях, где требуются небольшие объемы (5-30 нм3/сутки).

За последние годы нашей компанией было поставлено десятки азотных станций, отвечающих за бесперебойную работу лазерных станков на производствах России, производительностью от 30 до 400 нм3/ч при концентрации азота от 99.9995% и выше.