Руководство по лазерной резке стали: мощность, толщина и вспомогательный газ

При резке стали мощность определяет практический предел толщины, а вспомогательный газ — качество кромки: кислород позволяет резать более толстую углеродистую сталь при той же мощности, но оставляет окисленную кромку; азот обеспечивает чистую резку нержавеющей стали при более высоких затратах на газ. Опубликованные таблицы толщин различаются из-за разных условий испытаний, а не потому, что какая-то из них неверна.

Проблема таблиц: пять источников — пять разных максимальных значений

Поищите «станок лазерной резки сталь таблицу толщин» — и получаете таблицы, которые при одном и том же уровне мощности расходятся на 30% и более. Один поставщик указывает 25 мм для углеродистой стали при мощности 6 кВт. Другой — 20 мм. Третий указывает 30 мм и вообще не приводит никаких примечаний.
Ни один из них не обязательно врёт. Они измеряют разные параметры.
Параметры, из-за которых заявленная толщина может измениться без изменения мощности лазера:

1. Качество и передача луча. Два источника мощностью 6 кВт с разным диаметром сердцевины волокна и разной коллимацией создают различную плотность мощности в фокусе. Указанная в техническом паспорте мощность в киловаттах описывает выходную мощность источника, а не мощность, достигающую реза.
2. Диаметр сопла и расстояние от сопла до заготовки. Сопло большего диаметра пропускает больше газа и позволяет обрабатывать более толстый материал, но за это приходится платить повышенным расходом и меньшей точностью при работе с тонким листом.
3. Чистота вспомогательного газа. Азот чистотой 99,999% и азот чистотой 99,5% дают разные результаты при резке нержавеющей стали. В рекламных таблицах чистоту газа указывают редко.
4. Марка материала и состояние поверхности. Горячекатаный лист с толстым слоем окалины ведёт себя иначе, чем травлёный и промасленный лист той же номинальной толщины. Содержание серы в нержавеющей стали влияет на образование грата.
5. Включалась ли пробивка. В некоторых таблицах указывается толщина, которую станок может прорезать после начала резки. Пробивка плиты толщиной 25 мм — отдельная задача, и на небольших контурах время пробивки может превышать время резки.
   6. Проверьте работу под нагрузкой. Один демонстрационный рез на холодном станке при оптимальной фокусировке — это не то же самое, что восемь часов производственной работы с прогретым оптическим трактом и оператором смены, который не восстановил фокусировку после замены линзы.

Практический вывод: используйте опубликованные таблицы, чтобы выбрать подходящий диапазон мощности, а затем перед подписанием договора потребуйте пробную резку вашего материала. Если поставщик отказывается выполнить её на той марке материала, которую вы действительно закупаете, это само по себе полезный сигнал.

Максимальная толщина — не то же самое, что толщина для серийного производства

Максимальная толщина в спецификации — это толщина, при которой станок способен прорезать материал. Производственная толщина — это толщина, при которой он прорезает материал со скоростью и качеством кромки, приемлемыми для вашего последующего процесса, стабильно по всей площади листа.
Разница между этими двумя значениями обычно составляет один-два типоразмера материала. На самом верхнем уровне мощности одновременно ухудшаются несколько параметров: скорость резки резко снижается, прилипание грата усиливается, ширина реза увеличивается, а тепловложение в деталь возрастает настолько, что становится существенным для рам с жёсткими допусками. Мелкие внутренние элементы и острые углы проявляют это первыми, поскольку станок не может поддерживать скорость подачи, предусмотренную набором параметров резки.
Рабочее правило для планирования производительности: выбирайте станок так, чтобы материал с наибольшим объёмом обработки находился в средней трети его диапазона толщин, а не на верхней границе. Если 80 % ваших работ приходится на углеродистую сталь толщиной от 6 до 12 мм, станок с максимальной толщиной 12 мм справится, но будет работать медленно и с высоким расходом расходных материалов.

Углеродистая и нержавеющая сталь: что меняется на практике

Этим двум материалам требуются не просто разные параметры. Для них нужны разные механизмы резки, а это влияет на условия поставки газа, состояние кромки перед следующей операцией и стоимость метра реза.

Именно последнюю строку большинство покупателей упускают из виду. Если детали из углеродистой стали сразу направляются на сварку или нанесение покрытия, резка с азотом позволяет исключить операцию удаления заусенцев или шлифовки. Однако при той же мощности это уменьшает доступную толщину резки и существенно увеличивает расходы на газ. Оправдан ли такой компромисс, зависит не от станка, а от стоимости труда при последующих операциях.

Выбор вспомогательного газа: пять последовательных шагов

Разберитесь с этим до выбора системы газоснабжения: резервуар для жидкого азота и система подачи сжатого воздуха — это два разных инвестиционных проекта.

1. Составьте перечень материалов по объёму обработки, а не по разнообразию. Выбор газа определяется материалом, на резку которого уходит больше всего часов в неделю, а не тем, который встречается в наибольшем числе чертежей.
2. Определите последующую операцию для каждой детали. Для окрашенных, порошково окрашенных и свариваемых деталей важны оксиды. Для конструкционных кронштейнов, которые отправляются на сборку, они обычно не имеют значения.
3. Сформулируйте требования к качеству кромки так, чтобы инспектор мог их применять. «Не обнаруживается руками видимый грат» — проверяемое требование. «Чистая кромка» — нет.
4. Рассчитывайте стоимость газа на час резки, а не на баллон. Запросите у поставщика расход для диаметров сопел, необходимых для вашего диапазона толщин, затем умножьте его на реалистичное время работы станка. При резке толстой нержавеющей стали затраты на азот высокого давления могут быть сопоставимы с затратами на электроэнергию.
5. Определите, есть ли место сжатому воздуху в вашей схеме. При резке тонкого листа отфильтрованный и осушенный сжатый воздух позволяет снизить затраты и оставляет слегка азотированную кромку, приемлемую для многих корпусов и кронштейнов. Для этого требуется полноценная подготовка воздуха: осушитель недостаточной производительности создаёт периодические проблемы с качеством, которые месяцами списывают на лазер.

От чего зависит стоимость метра реза

Определяющими являются четыре фактора, и лишь один из них — цена станка.

• Вспомогательный газ. Наибольший фактор различия между двумя в остальном идентичными заданиями. Резка нержавеющей стали азотом в верхней части диапазона толщин — наиболее дорогостоящий вариант.
• Электроэнергия. Волоконные источники потребляют заметно меньше энергии, чем лазеры на газовой среде прежних поколений при сопоставимой выходной мощности, однако нагрузка на чиллер растёт с увеличением мощности и продолжительности работы.
• Расходные материалы. Сопла, защитные окна и линзы. Расход увеличивается при пробивке толстого листа и при разбрызгивании, а значит, возрастает у верхней границы диапазона толщин.
• Время цикла, включая время на операции, не связанные с резкой: пробивку, ускоренное перемещение и загрузку. При производстве листовых деталей с большим разнообразием и множеством отверстий определяющим фактором может стать количество пробивок. При серийной работе с тонким листом основное время уходит на загрузку и выгрузку, что говорит в пользу сменной платформы вместо одного стола.

По сравнению с решениями класса плазменной резки в том же диапазоне толщин, волоконная лазерная резка, как правило, обеспечивает более узкий рез и более перпендикулярную кромку, что сокращает или исключает последующую подготовку кромки, тогда как плазма сохраняет преимущество по стоимости приобретения оборудования для очень толстого листа. По сравнению с устаревшими лазерными системами CO2, волоконные системы быстрее режут тонкий лист и не потребляют лазерный газ, хотя в обоих случаях для материалов с высокой отражающей способностью необходима надлежащая защита источника излучения и оптики.

Характеристики P Series: что опубликовано, а что нет

Соответствующая HWlEiC Лазерная платформа для толстолистовой стали на закрытом сменном столе является Серия P, позиционируемый как станок лазерной резки с закрытой конструкцией и сменным столом.

Четыре из этих строк необходимы покупателю оборудования для сравнения станков, однако на общедоступных страницах продукции их нет. Прежде чем сравнивать серию P с чем-либо ещё по документации, запросите лист спецификаций для каждой модели и чертёж стола. Обозначения моделей в этой категории обычно кодируют номинальные размеры стола, однако HWlEiC Laser не опубликовала таблицу размеров, поэтому любые выводы по номеру модели следует считать неподтверждёнными до получения чертежа.

Опубликованные характеристики по-прежнему имеют реальное значение при выборе:
Закрытая конструкция. Содержит дым, брызги и рассеянное излучение, что важно для соблюдения требований к воздействию на операторов и для сохранения пригодности соседних рабочих мест. Она также ограничивает доступ крана, поэтому проверьте, как листы нестандартного размера будут попадать внутрь и вывозиться наружу.
Сменная платформа. Загрузка следующего листа происходит во время резки текущего. Выгода тем больше, чем короче ваши циклы резки: при массовой раскладке тонкого листа платформа может вернуть значительную часть времени цикла, тогда как при резке листа толщиной 20 мм с длинными траекториями реза время загрузки никогда не было ограничивающим фактором. С другой стороны, сменный стол стоит дороже, занимает больше производственной площади и добавляет механическую подсистему, требующую обслуживания.

Вопросы и ответы

В: Какая мощность нужна, чтобы резать углеродистую сталь толщиной 20 мм?

В: Достаточно, чтобы 20 мм находились в средней части диапазона станка, а не на его верхней границе. Для большинства волоконных платформ это означает средне- или высокомощный класс, а не минимальную мощность, указанную в таблице. Поскольку опубликованные таблицы составляются при разных условиях — с разными соплами, чистотой газа и режимами пробивки, — надёжный ответ можно получить по результатам пробной резки на вашей собственной плите.

В: Может ли один станок качественно резать и углеродистую, и нержавеющую сталь?

О: Да, при условии, что она оснащена подачей как кислорода, так и азота высокого давления, а библиотека параметров охватывает оба режима. Ограничением редко является сам лазер. Вопрос в том, поддерживают ли газовая инфраструктура и набор сопел оба режима без необходимости оператору что-либо импровизировать.

В: Почему на кромке нержавеющей стали появляется грат, если станок рассчитан на такую толщину?

A: Сначала проверьте чистоту азота и давление на сопле, затем состояние сопла и положение фокуса. Расчётная толщина предполагает определённые характеристики газа. Снижение чистоты или падение давления в линии недостаточного сечения приведут к образованию грата на толщине, с которой станок ещё справлялся в прошлом месяце.

В: Является ли сжатый воздух допустимым вспомогательным газом или это обходной путь?

О: В пределах своего диапазона это оправданный вариант, главным образом для более тонкого листа, где допустима слегка азотированная кромка. Требуются фильтрация и осушка соответствующей производительности. Проблемы с качеством воздуха проявляются в виде периодических дефектов реза, поэтому их обычно ошибочно принимают за неисправности станка.

В: Сколько стоит станок для лазерной резки стали?

О: HWlEiC Laser не публикует диапазоны цен на P Series и другие платформы для резки, поэтому для этого требуется запрос коммерческого предложения. Цена оценивается с учётом мощности лазера, рабочей зоны, конфигурации станка, требований к автоматизации и области применения для конкретного материала, поэтому цена, названная без этих исходных данных, ни с чем сопоставима.

В: Всегда ли нужно удалять окисленный слой с кромки углеродистой стали?

О: Только если это важно для следующей операции. Для сварки и нанесения покрытий это обычно важно. Для деталей, предназначенных для болтовой сборки, — часто нет. Проверка того, каким из ваших деталей действительно требуется кромка без оксидов, — самый дешёвый способ решить, оправдывает ли резка углеродистой стали азотом расходы на газ.