Способ лазерной резки стали
Изобретение относится к способу лазерной резки сталей, пригодных для лазерной резки, в частности, стальных толстых листов и рулонов. В соответствии со способом предоставление лазера для резки стали, который имеет состав, включающий, мас.%: С 0,10 - 0,25, Mn 0,8 - 1,2, P - 0,04 максимально, S - 0,05 максимально, Si - 0,15 максимально, Cr 0,55 - 0,75, остальное - железо и неизбежные примеси. Указанная сталь свободна от преднамеренных добавок Cu и Ni и содержит менее 0,05% общих накопленных количеств Cu и Ni. Направляют лазерный луч упомянутого лазера и осуществляют резку указанного листа стали, пригодного для лазерной резки. Способ обеспечивает высокое качество лазерной резки стальных листов указанного состава. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.
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.
Как указано в «Резка стали с помощью CO2 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.
1. Способ лазерной резки листа стали, включающий следующие стадии:
предоставление лазера для резки стали;
предоставление листа стали для лазерной резки; причём указанный лист стали имеет состав, включающий, мас.%:
С: 0,10 - 0,25; Mn: 0,8 - 1,2; P: 0,04 максимально; S: 0,05 максимально; Si: 0,15 максимально; Cr: 0,55 - 0,75, остальное - железо и неизбежные примеси, причем указанная сталь свободна от преднамеренных добавок Cu и Ni и содержит менее 0,05% общих накопленных количеств Cu и Ni;
направление лазерного луча от указанного лазера для резки стали на указанный лист стали для лазерной резки; и
резка указанного листа стали, пригодного для лазерной резки, указанным лазерным лучом.
2. Способ по п. 1, в котором указанная сталь содержит C: 0,12 - 0,23.
3. Способ по п. 2, в котором указанная сталь содержит Mn: 0,8 - 1,05.
4. Способ по п. 3, в котором указанная сталь содержит Si: 0,02 - 0,14.
5. Способ по п. 4, в котором указанная сталь содержит Cr: 0,55 - 0,72.
