Полное сравнение типов вспомогательных газов для волоконно-лазерной резки — стоимость за метр, качество кромки, настройки давления и рекомендации по материалам.
Если у вас есть волоконно-лазерный резак, используемый газ имеет большее значение, чем большинство людей думает. Неправильный выбор — и вы сжигаете деньги на каждом сантиметре резки. Правильный выбор экономит тысячи в год и обеспечивает лучшее качество кромки.
Я работаю с лазерными установками уже много лет, и одна вещь, которую цеха до сих пор делают неправильно, — это выбор вспомогательного газа. Они либо используют по умолчанию то, что продвигает их поставщик, либо используют один газ для всего. Ни один из подходов не работает хорошо. Вот что я узнал.
Прежде чем перейти к цифрам, вот краткий обзор того, как каждый газ ведет себя при резке.
Кислород питает экзотермическую реакцию. Лазер нагревает металл, кислород воспламеняет его, и дополнительное тепло позволяет резать более толстый материал с меньшей мощностью. Вы получаете более быстрый рез углеродистой стали, но кромка окисляется — темнеет, иногда становится шероховатой. Оксидный слой может быть проблемой, если после резки требуется сварка.
Азот инертен. Он вытесняет кислород из зоны реза, поэтому кромка остается чистой и светлой — без окисления. Вот почему для нержавеющей стали и алюминия почти всегда используется азот. Недостаток: азот стоит дороже за кубический метр, чем кислород или сжатый воздух.
Сжатый воздух в основном состоит из азота — около 78 % — с примесью 21 % кислорода. Плюс немного водяного пара и масла, если его не фильтровать. Это самый дешевый вариант. Качество кромки находится где-то между кислородом и азотом. Слегка окисленная, не идеально светлая. Однако достаточно хороша для многих работ, где кромка не будет видна.
Вот где математика становится интересной. Я составил эти оценки на основе типичных промышленных цен на газ и норм расхода для волоконного лазера мощностью 6 кВт, режущего нержавеющую сталь толщиной 3 мм:
| Тип газа | Давление (бар) | Расход (м³/ч) | Цена за м³ | Цена в час | Цена за метр* |
|---|---|---|---|---|---|
| Азот (баллон) | 12–18 | 15–25 | ~0,30 $ | 4,50–7,50 $ | 0,038 $ |
| Азот (наливной жидкий) | 12–18 | 15–25 | ~0,05 $ | 0,75–1,25 $ | 0,006 $ |
| Кислород (баллон) | 3–6 | 5–10 | ~0,12 $ | 0,60–1,20 $ | 0,005 $ |
| Сжатый воздух (на месте) | 6–10 | 10–18 | ~0,01 $ | 0,10–0,18 $ | 0,001 $ |
* На основе нержавеющей стали 3 мм при 6 кВт, скорость резки ~200 м/мин. Цены варьируются в зависимости от региона и поставщика. Цены на баллонный N₂ от дистрибьюторов промышленных газов; цены на жидкий N₂ из опубликованных тарифов Praxair/Linde. Стоимость сжатого воздуха — только электроэнергия.
Это многих удивляет. Покупка азота в баллонах обходится примерно в 6 раз дороже, чем наливного жидкого. В шесть раз. Цеха, переходящие на резервуар, обычно окупают вложения менее чем за 18 месяцев.
Сжатый воздух по сравнению с этим почти бесплатен — около 0,10–0,18 $ в час за электроэнергию. Но нужно учитывать стоимость компрессора и осушителя воздуха. Хороший винтовой компрессор с рефрижераторным осушителем стоит 5 000–12 000 $ в зависимости от производительности.
Эта таблица подскажет, какой газ использовать в зависимости от того, что вы режете:
| Материал | Толщина | Рекомендуемый газ | Качество кромки | Альтернатива |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь | 1–6 мм | Кислород | Хорошо, окисленная кромка | Сжатый воздух (тонкий) |
| Углеродистая сталь | 6–25 мм | Кислород | Удовлетворительно, сильный оксид | — |
| Нержавеющая сталь | 1–3 мм | Азот | Отлично, светлая кромка | Сжатый воздух (некритично) |
| Нержавеющая сталь | 3–8 мм | Азот | Хорошо, легкая штриховка | — |
| Алюминий | 1–6 мм | Азот | Хорошо, светлая | Сжатый воздух (тонкий) |
| Медь / Латунь | 1–3 мм | Азот | Хорошо | — |
Одна вещь, которая удивляет: сжатый воздух работает на удивление хорошо для тонкой нержавеющей стали (до 2 мм) и тонкой углеродистой стали (до 3 мм). Кромка будет не такой чистой, как с азотом, но если деталь все равно будет сварена или окрашена, какая разница? Вот где скрыта основная экономия.
Способ подачи газа почти так же важен, как и сам газ. Вот как варианты соотносятся:
Лучше всего для цехов с небольшим объемом или работающих менее 20 часов в неделю. Азот в баллонах обычно стоит 0,25–0,35 $ за м³. Вы платите за удобство. Недостаток: при больших объемах баллоны приходится постоянно менять, а стоимость за единицу высока.
Лучше всего для цехов, работающих 40+ часов в неделю. Жидкий азот, поставляемый в резервуаре, снижает стоимость до 0,04–0,06 $ за м³. Это снижение на 80 % по сравнению с ценами на баллоны. Вам нужно место для резервуара (обычно 1 000–3 000 литров), и поставщик устанавливает его бесплатно при заключении контракта.
Эти установки используют PSA (короткоцикловая адсорбция) для извлечения азота из воздуха. Капитальные затраты составляют 15 000–40 000 $ для системы, способной обслуживать станок мощностью 6 кВт. При работе 60+ часов в неделю генератор может снизить стоимость до 0,02 $ за м³. Окупаемость обычно составляет 2–3 года по сравнению с баллонной подачей.
Сжатый воздух — самый дешевый вариант. Винтовой компрессор мощностью 15 кВт с осушителем подойдет для большинства одностанковых установок. Текущие расходы — только электроэнергия — около 0,05–0,15 $ за час работы. Но воздух необходимо правильно фильтровать. Без хорошего коалесцирующего фильтра и осушителя влага и остатки масла повредят линзы лазерной режущей головки.
Позвольте мне быть прямым. Азот дает лучшую кромку, точка. Поверхность реза получается светлой, гладкой и без оксидов. Это важно для деталей, которые идут к клиенту без вторичной обработки.
Кислород режет быстрее толстую углеродистую сталь, но оставляет более темную кромку с большей шероховатостью. Оксидный слой может вызвать проблемы, если деталь нужно сваривать или наносить порошковое покрытие.
Сжатый воздух находится посередине. Приемлемая кромка на тонких материалах, но легкое окисление означает, что вы не получите такой же светлой поверхности, как с азотом. Для некосметических деталей — кронштейнов, несущих конструкций, скрытых компонентов — этого более чем достаточно.
Одна вещь, которую я добавлю: штриховка кромки больше зависит от параметров резки, чем от выбора газа. Я видел красивые резы на сжатом воздухе при правильном положении фокуса и зазоре сопла, и уродливые резы на азоте из-за изношенного сопла. Не вините газ в проблеме настройки.
Правильная настройка давления так же важна, как и выбор правильного газа. Вот практическая отправная точка для волоконного лазера мощностью 6 кВт:
| Материал | Газ | Давление (бар) | Диаметр сопла (мм) | Зазор (мм) |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь 3 мм | O₂ | 3–5 | 1,5–2,0 | 0,8–1,2 |
| Углеродистая сталь 10 мм | O₂ | 5–8 | 2,0–3,0 | 1,0–1,5 |
| Нержавеющая сталь 2 мм | N₂ | 10–14 | 1,5–2,0 | 0,5–1,0 |
| Нержавеющая сталь 6 мм | N₂ | 14–18 | 2,0–3,0 | 0,5–1,0 |
| Алюминий 3 мм | N₂ | 10–14 | 1,5–2,0 | 0,8–1,2 |
Это отправные точки — тестируйте их. Каждый станок ведет себя немного по-разному. Состояние сопла, качество луча, фокусное пятно — все это смещает оптимальную точку. Я всегда говорю операторам: проводите тестовую сетку при смене материала. Занимает 10 минут, экономит часы брака.
Да, до толщины около 3 мм с приемлемым качеством кромки. Кромка будет не такой светлой, как с азотом, но для некосметических деталей работает хорошо. При толщине более 3 мм появляется больше грата на нижней кромке.
На углеродистой стали — да, примерно на 15–25 % быстрее при одинаковой мощности. Кислород добавляет экзотермическую энергию. На нержавеющей стали кислород не помогает и фактически ухудшает кромку. Для нержавейки используйте азот.
Кислород: 3–8 бар в зависимости от толщины. Азот: 10–18 бар для тонких материалов, выше для толстых. Сжатый воздух: 6–10 бар. Чем толще материал, тем выше давление, необходимое для удаления расплавленного материала из пропила.
Да, при условии, что воздух отфильтрован и осушен. Влага в воздушном потоке может повредить фокусирующую линзу. Остатки масла оседают на защитной линзе и снижают качество резки. Используйте рефрижераторный или адсорбционный осушитель с коалесцирующим фильтром 0,01 микрона.
Баллонная подача: 0,25–0,35 $ за м³ (4,50–7,50 $/ч). Жидкий азот: 0,04–0,06 $ за м³ (0,75–1,25 $/ч). Генератор на месте: до 0,01–0,02 $ за м³. Ваш объем определяет, какой вариант имеет экономический смысл.
Некоторые цеха смешивают азот и кислород для баланса скорости и качества кромки. Системы смешивания газов доступны, но увеличивают стоимость. Для большинства применений проще и предсказуемее использовать один газ на тип материала.
Краткая версия:
Если вы покупаете новый волоконно-лазерный резак или хотите оптимизировать текущую установку, наша команда поможет с выбором и интеграцией газовой системы. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации. Мы проанализируем ваш ассортимент материалов, объем резки и текущие расходы на газ, чтобы найти конфигурацию, которая сэкономит вам больше всего денег.