Смеси для лазерной резки: как точность пропорций влияет на результат

Партия деталей из нержавеющей стали толщиной 8 мм ушла в брак. Кромка получилась рваной, с наплывами и окислами. Технолог посчитал, что причиной стали настройки лазера, но оператор утверждал, что все делал по инструкции. Потом выяснилось, что поставщик газа перепутал пропорции в защитной смеси. Вместо 98% азота и 2% кислорода поставил 95% и 5%. Кажется, что разница в 3% незначительная. Но из-за нее компания потеряла 2,5 млн рублей на переделках и простое оборудования. Это цена точности в лазерной резке. И тут важно, чтобы продажа сварочной смеси осуществлялась ответственной компанией, которая отвечает за точность соотношения газов.

Почему состав сварочной смеси так важен для лазера

Лазерная резка работает не так, как плазменная или газовая. Луч нагревает металл до температуры плавления, а вспомогательный газ выдувает расплав из зоны реза. От состава этого газа зависит:

• скорость работы; 
• чистота кромки; 
• наличие или отсутствие окалины; 
• геометрия детали.

Кислород активно участвует в процессе. Он вступает в экзотермическую реакцию с железом, дополнительно разогревает металл. Это ускоряет резку углеродистой стали в 1,5-2 раза по сравнению с инертными газами. Но есть нюанс. Слишком большое количество кислорода приводит к тому, что кромка покрывается толстым слоем окалины. Потом ее приходится зачищать.

Азот работает как инертная среда. Он не окисляет металл, а просто выдувает расплав механически. Резка идет медленнее, зато кромка получается чистой, без окислов. Это важно для нержавейки, алюминия, титана – металлов, которые чувствительны к химическому воздействию.

Аргон применяется для особо требовательных материалов. Алюминий и его сплавы, титан, медь – там, где недопустимы даже следовые примеси кислорода. Аргон тяжелее воздуха, он эффективнее вытесняет атмосферу из зоны реза.

Смеси комбинируют преимущества разных газов. Например, 95% азота и 5% водорода для нержавейки повышают скорость резки при отличном качестве кромки. Водород восстанавливает оксиды, которые образуются, и повышает энергию луча.

Как пропорции влияют на процесс резки

Рассмотрим влияние пропорций газовой смеси на примере углеродистой стали толщиной 10 мм. Чистый кислород дает скорость 2,5 м/мин при мощности лазера 4 кВт. Кромка покрыта окалиной толщиной 0,2-0,3 мм. В большинстве случаев это допустимо, так как окалина потом зачищается механически.

Теперь нужно рассмотрим, что будет, если добавить в кислород 5% азота. Скорость снизится до 2,2 м/мин, но и уменьшится количество окалины. Еще 5% азота снизит скорость до 1,9 м/мин, а окалины почти не будет. Тут просматривается закономерность. Каждый процент азота замедляет резку на 2-3%, но улучшает качество.

При резке нержавейки ситуация обратная. Чистый азот дает скорость 1,8 м/мин для листа 6 мм. Добавление 2% кислорода поднимает скорость до 2,1 м/мин. Но на кромке появляются желтоватые оксиды. Для деталей, которые пойдут под покраску или сварку, это некритично. Для изделий из пищевой нержавейки это считается браком.

Алюминий отличается капризным поведением. Смесь 70% аргона и 30% гелия дает скорость 3,5 м/мин для листа толщиной 5 мм. Если заменить гелий азотом, то скорость снизится до 2,8 м/мин, а кромка станет матовой. Использование чистого аргона даст скорость 2,2 м/мин и идеальную поверхность среза.

Реальные цифры потерь от использования неподходящей сварочной смеси

Рассмотрим типичную ситуацию. Производственная компания в Подмосковье режет нержавейку для пищевого оборудования. Подходящей в этом случае считается сварочная смесь, где азота 98%, а кислорода 2%. Но поставили партию с пропорцией 95% на 5%. Технолог не заметил этого сразу. В результате за 3 дня работы:

• скорость резки выросла с 1,8 до 2,0 м/мин (и это можно считать плюсом);
• но 40% деталей ушло в брак из-за оксидной пленки на кромке;
• повторная резка забракованных деталей заняла 18 часов машинного времени;
• было потеряно 120 кг нержавейки, которая стоила 450 руб/кг или 54 000 рублей;
• простой оборудования из-за переналадки занял 8 часов по 15 000 руб/час, итого 120 000 рублей.
• срыв сроков поставки клиенту нанес репутационный ущерб.

Итого: 254 000 рублей убытков за 3 дня. А разница в стоимости сварочных смесей составила всего 8 000 рублей на весь объем. Это выразительное соотношение экономии и потерь.

Допуски и реальность производства

ГОСТ 5583-78 устанавливает требования к техническим газам. У особо чистого азота допустимое содержание кислорода не превышает 0,001%. Для первого сорта – до 0,5%. Разница в цене между ними составляет 35-40%.

Многие компании покупают первый сорт вместо особо чистого, экономят 30 000-50 000 рублей в месяц. А потом оказывается, что при резке титана появляются синие оксиды на кромке. Это результат того, что титан реагирует даже с теми 0,5% кислорода, которые допустимы по ГОСТу для первого сорта.

Поэтому продажа сварочной смеси должна основываться на точности и контроле. Нужно учесть, что поставщики часто говорят: «Это смесь аргона с углекислотой подойдет для сварки и для резки». Технически это правда, она подойдет, но на практике даст посредственный результат в скорости обработке и по качеству поверхности.

Для MIG/MAG сварки нужна смесь 80% аргона и 20% углекислоты. Для лазерной резки алюминия оптимальное соотношение – 70% аргона и 30% гелия. Теперь нужно объяснить разницу. Углекислота в лазерной резке даст пористую кромку с раковинами. Гелий во время сварки улетит в атмосферу без пользы, потому что дуга слишком холодная для его эффективного использования.

Как проверить качество газовой смеси

Для проверки газовых смесей на крупных предприятиях используются газоанализаторы. Они определяют состав с точностью 0,01%. Каждая партия проверяется перед подключением к лазеру. Если выявлено отклонение от нормы, то баллон возвращается поставщику.

Небольшие производства не используют такие анализаторы. Они слишком дорого стоят для проведения нескольких проверок в месяц. Многие полагаются на то, что продажа сварочной смеси строится на честности и добросовестности. Поэтому не все проверяют сертификаты.

Но есть народный способ проверки кислородных смесей. Нужно разрезать тестовый образец из углеродистой стали толщиной 5 мм на скорости 2 м/мин. Смесь, которая соответствует требованиям, дает ровную кромку с тонким слоем окалины. Избыток кислорода приводит к образованию наплывов на кромке, образованию толстой и рыхлой окалини. При недостатке кислорода скорость снижается, металл режется с трудом, остается много непрореза.

При проверке азотных смесей нужно ориентироваться на цвет кромки. Резка нержавейки чистым азотом дает серебристую поверхность с легким матовым блеском. Появление желтоватых или синеватых оттенков – признак примеси кислорода.

Экономика точных пропорций

Баллон особо чистого азота 40 л под давлением 150 атм стоит 3 500 рублей. Баллон первого сорта – 2 400 рублей. Разница 1 100 рублей или 31%.

Лазерный станок мощностью 4 кВт потребляет азот со скоростью 25-35 м³/час при резке нержавейки. В месяц при работе в одну смену (176 часов) расходуется около 5 280 м³. Это примерно 88 баллонов особо чистого азота на сумму 308 000 рублей или 62 баллона первого сорта на 148 800 рублей.

Экономия составляет 159 200 рублей в месяц. Это выглядит привлекательно. Но вот, что происходит в реальности при использовании первого сорта вместо особо чистого:

• брак увеличивается с 2% до 7%;
• скорость резки снизилась на 8%;
• износ сопла ускорился на 30%.

Суммарные потери от такого решения составили 228 000 рублей при первоначальной экономии 159 200 рублей. Это дало 68 800 рублей чистого убытка.

Специфика смесей для разных металлов

Углеродистая сталь хорошо режется кислородом 99,5%. Использование более дорогого 99,95% не дает преимуществ. При этом важно давление – для стали 10 мм нужно 1,2-1,5 бар на выходе из сопла.

Нержавеющая сталь требует азота чистотой 99,995% или смеси 98% азота и 2% кислорода. Он добавляется для ускорения работы, когда качество кромки не критично. При этом давление должно быть 1,5-2,0 бар.

Алюминий режется аргоном, гелием или их смесями. Чистый аргон 99,998% дает самую чистую кромку, но снижает скорость обработки. Смесь 70% аргона и 30% гелия ускоряет резку в 1,6 раза. Гелий улучшает теплопередачу, поэтому луч эффективнее плавит металл. Давление должно быть 2,5-3,0 бар из-за легкости алюминия.

Титан самый требовательный. Для работы с ним используется только аргон высшей чистоты 99,999% с содержанием кислорода менее 0,0005%. Любые примеси дают оксидную пленку, которую невозможно удалить. Детали из титана часто используются в аэрокосмической отрасли, где действую жесткие требования к качеству поверхностей.

Медь и латунь режутся азотом с добавлением 1-2% кислорода. Чистый азот работает плохо из-за высокой теплопроводности меди. Тепло быстро уходит от зоны реза. Кислород ускоряет процесс за счет окислительной реакции.

Как поставщики обманывают с составом смесей

Продажа сварочной смеси под видом специализированной для лазерной резки – распространенная схема. Баллон маркируется надписью: «Для лазерной резки нержавейки», а внутри обычная сварочная смесь 92% аргона и 8% углекислоты. Стоит она на 25% дешевле. При этом поставщик получает хорошую маржу.

Покупатель режет детали, видит желтую окалину на кромке, думает, что проблема кроется в лазере. Зачастую он обращается в сервис, специалисты копаются в настройках, меняют сопла, юстируют оптику. А проблема в газе, который не подходит для решения задачи.

Еще одна распространенная схема – разбавление дорогих газов дешевыми. В баллон со смесью 98% азота и 2% водорода подмешивают азот первого сорта вместо особо чистого. Пропорции соблюдены, но качество азота не то. Водород восстанавливает оксиды, но примеси в азоте успевают окислить кромку до того, как подействует водород.

Проверить состав без анализатора сложно. Поэтому важно работать с проверенными поставщиками, которые дорожат репутацией. Лучше переплатить 5-7% за газ от надежного производителя, чем потерять 20-30% на браке из-за неподходящей смеси.

Хранение и транспортировка смесей

Газовые смеси со временем расслаиваются. Гелий легче аргона, поэтому он постепенно поднимается в верхнюю часть баллона. Через 2-3 месяца хранения в вертикальном положении концентрация гелия у горловины может достигать 40-45% вместо расчетных 30%. Внизу остается почти чистый аргон.

Перед использованием баллон нужно перекатывать, переворачивать, давать газам перемешаться. Многие про это забывают, сразу подключают баллон. Первые детали режутся на неправильной смеси, пока газы не выровняются по концентрации. Это приводит к браку.

Температура хранения тоже важна. При -20°C углекислота в смесях с аргоном частично конденсируется на стенках баллона. Если подключить холодный баллон к лазеру, то первые 10-15 минут пойдет почти чистый аргон, потом жидкая углекислота испарится и поступит в систему. Резкий перепад концентрации сбивает настройки.

Хранить баллоны со сварочными смесями нужно при температуре от +5°C до +25°C, в вертикальном положении. Важно обеспечить защиту от прямых солнечных лучей. Баллоны с легкими газами (гелий, водород) периодически нужно переворачивать.

Контроль качества на производстве

Продажа сварочной смеси должна основываться на соблюдении стандартов. И это подтверждает паспорт качества. В нем указываются пропорции компонентов, чистота каждого газа, дата изготовления, срок годности, условия хранения.

Крупные потребители требуют от поставщика хроматограмму – результат анализа состава на газовом хроматографе. Это объективное подтверждение качества. Подделать хроматограмму сложнее, чем обычный сертификат.

На самом производстве ведется журнал расхода газов. Фиксируется номер баллона, дата его подключения, количество нарезанных деталей, процент брака. Если он вырос со стандартных 2% до 8-10%, а другие параметры не менялись, то проблема кроется в сварочной смеси.

Некоторые компании внедряют встроенные датчики контроля состава. Сенсор в газовой магистрали непрерывно замеряет концентрацию компонентов. При отклонении на 1,5-2% система подает сигнал оператору. Затраты на организацию такого контроля окупается за год на среднем производстве.