СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ СТАЛИ
METHOD OF STEEL LASER CUTTING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу лазерной резки среднелегированных/низколегированных сталей и, в частности, к способу резки среднелегированных/низколегированных сталей, пригодных для лазерной резки. В частности, настоящее изобретение относится к способу лазерной резки низколегированных/низколегированных сталей, подходящих для лазерной резки с улучшенным качеством резки.
Известный уровень техники
Лазерная резка и чистовая лазерная резка применяются для различных материалов, где сложные контуры требуют точной, быстрой и свободной от воздействия сил обработки. Лазеры создают узкие резы (разрез, сделанный при резке) и, таким образом, обеспечивают резку с высокой точностью. Этот метод приводит к минимальным искажениям, и во многих случаях постобработка не требуется, поскольку деталь подвергается лишь небольшому подводу теплоты и в большинстве случаев её можно резать без образования окалины.
Лазерной резкой можно резать почти все виды металлов: чаще всего используются низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Другие детали, вырезанные лазером, изготавливаются из дерева, пластика, стекла и керамики. По сравнению с альтернативными методами, такими как высечка, лазерная резка экономически эффективна уже для мелкосерийного производства. Большим преимуществом лазерной резки является локализованный подвод энергии лазера, обеспечивающий малый фокусный диаметр, небольшую ширину реза и высокую скорость подачи. В основном, резка металлов лазером происходит за счёт локального нагрева материала выше его точки плавления в фокусе сфокусированного лазерного луча. В случае углеродистых и низколегированных сталей струя кислорода, коаксиальная с лазерным лучом, используется в качестве вспомогательного газа, и экзотермическая реакция кислорода со сталью в значительной степени способствует резанию. Образовавшийся расплавленный/окисленный материал выбрасывается потоком газа, направленным коаксиально лазерному лучу, так что образуется рез. В частности, для низколегированных (мягких) сталей кислород обычно используется в качестве режущего газа.
2
Как указано в «Резка стали с помощью CO лазера: Проблемы материалов», Murali Manohar, Journal of Laser Applications 18, 101 (2006), обычно минимальный уровень остаточных элементов, таких как Cu, Ni и Cr, необходим для получения чистой и с надёжным качество лазерной резки толстых (20 - 25 мм) листов. Кроме того, поскольку минимальный уровень содержания остаточных элементов необходим для обеспечения соответствующих результатов лазерной резки как после прокатки, так и в условиях дробеструйной обработки, пригодность стали для лазерной резки можно количественно оценить с помощью простого «параметра пригодности к лазерному излучению» (LRP), который был определён как LRP = %Cu +%Ni +%Cr. Также говорится, что адгезия окалины и плотность окалины увеличиваются с увеличением LRP, причём последнее выравнивается при значении LRP около 0,45% - 0,5%. Манохар установил, что слой, богатый Cu-Ni, присутствует на границе раздела окалина-сталь, и степень обогащения увеличивается с увеличением содержания Cu и Ni. Манохар, по всей-видимости, указывает, что приемлемые стали, пригодные к лазерной обработке, должны содержать значительное количество Cu и Ni, а Cr может быть менее важным. Таким образом, Манохар определил следующее: «Было установлено, что стали, содержащие Cu и Ni, лучше режутся, чем стали без этих элементов. Однако, вопреки результатам, полученным при прокатке и дробеструйной очистке толстолистового материала, было обнаружено, что Cr ухудшает качество резки лабораторных толстых листов, даже когда присутствуют Cu и Ni». Это говорит о том, что роль Cu и Ni во время резки может отличаться от роли Cr. Далее Манохар предлагает механизм резки, который зависит только от содержания Cu и Ni и в меньшей степени от Cr.
Кратко обсуждая качество лазерной резки листа из мягкой стали толщиной 32 мм, не содержащего Ni и Cu (содержащего 0,84 Cr), Манохар предполагает, что более дешёвые мягкие стали могут быть изготовлены с использованием 0,3 - 0,35 Cr и достаточного количества Ni. и Cu, чтобы довести LRP до 0,45. Данные о такой стали не представлены.
В данной области техники существует потребность в способе лазерной резки пригодных к лазерной обработке низкоуглеродистых сталей с улучшенным качеством резки.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение представляет собой способ лазерной резки стали, пригодной для лазерной резки с улучшенными характеристиками. Способ включает следующие стадии: обеспечения лазером для резки стали и получения листа/толстого листа специальной стали, пригодной для лазерной резки. Лист/толстый лист специальной стали, имеющей состав, включающий, в  мас.%: C: 0,01 - 0,29; Mn: 0,50 - 1,35; P: 0,04 макс; S: 0,05 макс; Si: 0,40 макс; Cr: 0,5 - 0,75, а остальная часть представляет собой железо и примеси, в указанной специальной стали отсутствуют запланированные добавки Cu и Ni и содержится менее 0,05% общих накопленных количеств Cu и Ni. Способ включает дальнейшую стадию направления лазерного луча указанного лазера для резки стали на лист/толстый лист специальной стали для лазерной резки и резки указанным лазерным лучом листа/толстого листа специальной стали.
Заявляемый способ позволяет резать стали с широким диапазоном в составе С: 0,01 - 0,29; Mn: 0,50 - 1,35; P: 0,04 макс; S: 0,05 макс; Si: 0,40 макс (предпочтительно для более толстых листов Si: 0,15 - 0,40); Cr: 0,5 - 0,75; а остальное - железо и примеси. Кроме того, способ по настоящему изобретению включает сплавы, не содержащие запланированных добавок Cu и Ni. То есть сплав может содержать только остаточные количества Cu и Ni, не более того. В способе изобретения максимальное накопленное количество Cu и Ni таково, что (в  мас.%): Cu + Ni ≤ 0,05%. В предпочтительном осуществлении способа максимальное суммарное количество Cu и Ni составляет менее 0,02%.
Предпочтительно сплавы по способу настоящего изобретения имеют состав в  мас.%: C: 0,10 - 0,25; Mn: 0,8 - 1,2; Si: 0,15 макс; и Cr: 0,55 - 0,75. Наиболее предпочтительно сплавы по способу настоящего изобретения имеют состав в  мас.%: C: 0,12 - 0,23; Mn: 0,8 - 1,05; Si: 0,02 - 0,14; и Cr: 0,55 - 0,72.
Осуществление изобретения
Один из видов низкоуглеродистой стали, который часто режется лазером, является сталь типа ASTM A36 для применения в строительстве. Технические требования к составу толстых листов из низкоуглеродистой стали A36, в  мас.%: C: 0,29 макс; Mn: 0,80 - 1,20; P: 0,04 макс; S: 0,05 макс; Si: 0,40 макс (предпочтительно для более толстых листов 0,15 - 0,40). Сталь должна иметь минимальный предел текучести 250 МПа.
Другой тип стали, которую можно разрезать лазером, это сталь типа ASTM A572. Технические характеристики состава A572, в  мас.%: C: 0,26 макс; Mn: 0,50 - 1,35; P: 0,04 макс; S: 0,05 макс; Si: 0,40 макс (предпочтительно для более толстых листов 0,15 - 0,40). Сталь должна иметь минимальный предел текучести 290 МПа.
Настоящее изобретение представляет способ лазерной резки улучшенной версии таких сталей A36 и A572, пригодных для лазерной резки. Способ согласно изобретению включает обеспечение лазера для резки стали и получение стального листа или толстого листа с широким диапазоном состава C: 0,01 - 0,29; Mn: 0,50 - 1,35; P: 0,04 макс; S: 0,05 макс; Si: 0,40 макс (предпочтительно для более толстых листов Si: 0,15 - 0,40); Cr: 0,5 - 0,75; а остальное железо и примеси. Способ также включает стадию направления лазерного луча от места резки стали к листу/толстому листу специальной стали для лазерной резки и резки лазерным лучом листа/толстого листа специальной стали.
Кроме того, способ изобретения может предложить сплавы, не содержащие запланированных добавок Cu и Ni. То есть сплав может содержать только остаточные количества Cu и Ni, не более того. В способе по изобретению сталь включает максимальное накопленное количество Cu и Ni, такое, что (в  мас.%): Cu + Ni ≤ 0,05%. В предпочтительном осуществлении максимальное суммарное количество Cu и Ni составляет менее 0,02%.
Предпочтительно сплавы по способу настоящего изобретения имеют состав в  мас.%: C: 0,10 - 0,25; Mn: 0,8 - 1,2; Si: 0,15 макс; и Cr: 0,55 - 0,75. Наиболее предпочтительно сплавы по способу настоящего изобретения имеют состав, мас.%: C: 0,12 - 0,23; Mn: 0,8 - 1,05; Si: 0,02 - 0,14; и Cr: 0,55 - 0,72.
Примеры сталей, пригодных для лазерной резки подходящих для настоящего способа, представлены в таблице 1. Составы даны в  мас.%. Cu и Ni присутствуют только в остаточных количествах.
Таблица 1
Номер плавки
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Cu
1
0,23
1
0,02
0,01
0,03
0,59
0,01
0,01
2
0,19
0,84
0,02
0,01
0,02
0,56
0,02
0,02
3
0,22
1,02
0,01
0,01
0,02
0,57
0,01
0,01
4
0,2
0,86
0,01
0,01
0,02
0,55
0,01
0,01
5
0,12
0,95
0,007
0,005
0,138
0,72
0,02
0,03
В таблице 2 показан состав в  мас.% трёх сравнительных образцов стали для лазерной резки известного уровня техники (имеющихся в продаже). Как можно видеть, в стали известного уровня техники намеренно добавлены количества Cu и Ni и значительно ниже содержание Cr, чем в сталях по изобретению.
Таблица 2
Образец
С
Mn
Si
P
S
Ni
Mo
Cr
Cu
С1
0,15
0,95
0,131
0,011
0,006
0,21
0,006
0,09
0,244
С2
0,155
0,788
0,051
0,008
0,005
0,136
0,036
0,048
0,275
С3
0,155
1,166
0,028
0,028
0,004
0,127
0,037
0,107
0,275
Испытывают характеристики лазерной резки толстых листов из сплавов, используемых в способе по настоящему изобретению и сравнительных примерах (25,5 мм и 19 мм). Характеристики резки испытывают как после горячей прокатки, так и в состоянии после горячей прокатки/дробеструйной обработки. Горячекатаные рулоны в пределах диапазона состава толщиной до 25 мм также испытывают в состоянии после прокатки, дробеструйной обработки и травления, и смазки. Испытания лазерной резки показывают, что качество лазерной резки стальных толстых листов и рулонов согласно настоящему изобретению лучше, чем у сравнительных стальных толстых листов известного уровня техники, пригодных к лазерной обработке.