Влияние чистоты кислорода .

Кислород в отличие от азота — химически активный газ, он вступает в экзотермические реакции окисления железа, которые добавляют почти 40% энергии в зону резки, в результате образуются оксиды с низкой вязкостью. Таким образом, кислород участвует не только в выдувании расплава, но и - наряду с лазерным излучением - в процессе плавления. Как правило, при лазерной резке образуется около 97%FeO и 3%Fe2O3. Реакция с образованием Fe₃O₄ незначительна.

Fe + 1/2 O₂ FeO + энергия 2Fe + 3/2 O₂ Fe₂O₃ + энергия

И дополнительная энергетика, и снижение вязкости расплава способствует плавлению и вытеканию металла из зоны нагрева лазером, поэтому при резке кислородом надо внимательно относиться к установке давления газа, а также выбору мощности, скорости и уровню фокусировки лазерного излучения.

Чаще всего фокус должен находиться на поверхности металла. Компания AirLiqude провела во Франции исследования по влиянию чистоты кислорода на скорость и качество резки сталей различных марок. Результаты показали, что чистота кислорода значительно влияет на скорость резки металлов толщиной выше 4 мм и на предельно возможную толщину раскраиваемого металла. Чем чище кислород, тем более высокую скорость резки можно достичь при отсутствии грата и оптимальной шероховатости кромки, т.е. при той же мощности лазера и условиях фокусировки можно разрезать более толстый металл.

Следующие экспериментальные данные были предоставлены исследовательским европейским центром CTAS компании Air Liqude. В работе исследовалось влияние чистоты кислорода на максимально достижимую скорость резки и использовались пять вариантов чистоты кислорода : N25, N27, N30, N35, N50.

Использовались лазерные станки производства T_rumpf (CO₂ лазер, 4 кВт) и CTAS.

Определяли максимальную скорость резки с наилучшими показателями по грату и шероховатости кромки. Допускалось изменение фокусировки на +/- 1 мм. Толщина материала была 4, 6, 8, 10 мм.

Для газа заданной чистоты и фиксированных параметрах фокусировки и мощности лазера увеличивалась скорость до такой, когда на нижней стороне реза появлялся грат. После этого менялась фокусировка лазера.

Примеси в режущем кислороде, в частности, аргон, влияют на скорость и энергетику реакции окисления, и, как следствие, на скорость резки. Из приведенного графика видно, что при росте чистоты кислорода с 99,7% до 99,95%, скорость резки растет на 10%.

Результатом этих экспериментов стал разработанный специально для лазерной резки продукт — кислород с чистотой 99,95%, называемый LASAL 2003.

Резка тонколистовых сталей.

Для резки тонколистовых сталей (до 3 мм) могут использоваться как кислород, так и азот. При резке тонких материалов кислородом мощность лазера должна быть ниже, чем при резке азотом, чтобы снизить вероятность подгорания кромок. Но при этом снижается и скорость резки по сравнению с резкой азотом. Выбор газа в этом случае определяется общими требованиями к последующим операциям обработки, производительности, ценой газа и наличием в регионе поставщика газа нужного качества.

Для резки толстых сталей (от 8 мм и выше) рекомендуется использовать кислород с качеством не ниже N35 с давлением даже менее 1 бара, чтобы минимизировать ширину реза. Кислород, качества ниже указанного, не позволяет получить качественную кромку без грата и резать «черный» металл большой толщины (> 12 мм) В российских промышленных компаниях для лазерной резки как правило используется кислород 1 сорта (по ГОСТу или ТУ РФ), то есть с чистотой 99,5 и 99,7%.

Надо заметить, что резка тонких металлов кислородом 99,5 по скорости и качеству близка к резке сжатым воздухом, а для резки толстых сталей (толщиной более 10 мм) такой кислород непригоден. Чем более толстый металл надо резать, тем выше требуется чистота кислорода.