При резке углеродистой стали кислородом происходит кислородная (реактивная) резка. Лазер нагревает железо, а дальше железо активно реагирует с O₂. Эта реакция сама выделяет дополнительное тепло — то есть к энергии лазера добавляется энергия горения/окисления металла.
Поэтому условно можно представить так:
Кислород:
тепло лазера + тепло окисления железа → рез
Воздух:
в основном мощность лазера → плавление, а затем мощная струя газа выдувает расплав из реза.
И вот это принципиальная разница.
Для 10 мм конструкционной стали на 12 кВт при резке воздухом можно использовать практически всю мощность источника. Высокое давление воздуха хорошо выбрасывает расплав из узкой щели, поэтому с ростом мощности можно сильно увеличивать скорость.
При кислороде ситуация другая: кислород уже добавляет очень много тепла химической реакцией. Если в этот процесс ещё подать все 12 кВт в маленькое пятно, зона реза начинает получать чрезмерное количество энергии.
Результат может быть таким:
- расширяется рез;
- металл начинает сильно «подгорать» по сторонам реза;
- увеличивается зона термического влияния;
- ухудшается шероховатость;
- появляется окалина и грат снизу;
- углы и малые контуры начинают выгорать;
- рез может стать нестабильным — металл фактически начинает гореть не только непосредственно в пятне лазера.
Именно поэтому для кислородной резки часто специально используют меньшую плотность мощности, другой фокус и более широкий канал реза. Bystronic прямо указывает, что для кислородной резки предпочтителен более широкий профиль луча и меньшая плотность мощности, тогда как маленькое пятно с высокой плотностью энергии особенно хорошо подходит для высоконапорной резки азотом/воздухом.
Почему тогда на воздухе 10 мм режется быстрее
Возьмём именно ваш пример — 12 кВт, сталь 10 мм.
В типовых таблицах параметров для 12-кВт волоконного лазера встречается примерно такая картина:
Воздух/N₂: около 5–6,5 м/мин, мощность 12 кВт, давление порядка 13 бар.
Кислород: около 2–2,3 м/мин, при этом используется всего около 6 кВт, давление примерно 0,6 бар.
Цифры конкретного станка могут заметно отличаться — Raycus/IPG/MAX, головка, сопло, фокус, качество стали и технология производителя имеют значение. Но сам принцип совершенно нормальный: 12-кВт станок может резать 10-мм сталь воздухом в 2–3 раза быстрее, чем классическим кислородом.
Bystronic, например, для 10-мм конструкционной стали показывает, что их высокоскоростная технология газовой смеси может быть до 229% быстрее обычной кислородной резки.
А что насчёт давления и охлаждения?
Вот здесь я бы немного поправил вашу формулировку.
Да, на воздухе обычно работают условно 10–15+ бар, а кислородом толстую конструкционную сталь режут примерно при 0,5–1 бар. Но низкое давление кислорода устанавливают не потому, что кислород должен охлаждать металл.
Наоборот, слишком большое давление O₂ увеличивает поступление кислорода в зону реза и усиливает горение металла в стороны. Linde прямо отмечает: увеличение давления кислорода ограничивается не охлаждением, а именно боковым горением, которое приводит к плохому резу, большому грату и в некоторых случаях вообще к срыву резки.
Поэтому правильнее говорить:
Высокое давление воздуха необходимо прежде всего для интенсивного удаления расплавленного металла из узкого реза. Низкое давление кислорода необходимо для контроля химической реакции окисления.
Как объяснить это простыми словами
На 12кВт лазере нельзя напрямую сравнивать кислородную резку и резку воздухом только по мощности источника — это два разных процесса.
При резке воздухом металл в основном расплавляется энергией лазера, поэтому можно использовать все 12 кВт. Воздух под высоким давлением интенсивно выбрасывает расплав из реза. Чем больше доступная мощность, тем быстрее можно плавить металл и двигаться — поэтому 10-мм сталь на воздухе может резаться значительно быстрее.
При кислородной резке лазер не является единственным источником тепла. Нагретое железо вступает в экзотермическую реакцию с кислородом, и окисление само выделяет дополнительную тепловую энергию. Поэтому подавать полные 12 кВт зачастую не требуется и даже вредно.
Если дать слишком большую плотность мощности, к теплу химической реакции добавляется избыток лазерной энергии. Начинается перегрев зоны реза: рез расширяется, металл сильнее выгорает по сторонам, ухудшается поверхность, увеличивается окалина и грат, особенно на углах и малых контурах.
Низкое давление кислорода также используется специально. Его задача — поддерживать контролируемую реакцию окисления и удалять жидкие оксиды. Слишком большое давление и расход кислорода могут усилить боковое горение и ухудшить качество.
Поэтому для 10-мм стали на 12-кВт станке совершенно нормально, что на воздухе используется почти 100% мощности и получается высокая скорость, а при классической кислородной резке используется существенно меньшая мощность и скорость.
Это не ограничение мощности лазера — это ограничение и особенность самого кислородного процесса.