Лазерная резка: специфика процесса, оборудование, материалы

Принцип работы, технология и оборудования для плазменного раскроя металла

Между электродом и соплом активируют электрическую дугу. Через сопло проходит газ – кислород или воздух его рабочее давление составляет 5 – 8 ат. При контакте газа и электрической дуги, происходит его разогрев до температуры до 30 000 °C. Таким образом, струя газа трансформируется в пучок плазмы. Который и выполняет функцию раскроя.

Принцип действия плазмореза

Отличительной чертой этого метода раскроя металла, является то, что металл не выгорает, как, например, при газовой резке, а просто испаряется и это требует дополнительных мер по защите персонала и окружающей среды.

На практике применяют два типа оборудования для плазменно — воздушной резки металла – ручное и автоматизированное. На первом выполняют операции раскроя металла без применения каких-либо средств автоматизации, и на первый взгляд, она напоминает газопламенный метод раскроя.

Автоматизированное оборудование для плазменного раскроя металла

Автоматизированное оборудование работает под управлением системы ЧПУ и вся работа оператора заключается в том, что бы в нужное время включить управляющую программу.

Сам станок представляет собой установку портального типа, перемещающуюся, к примеру, по оси Х и режущую головку, которая перемещается по оси Y. Таким образом, резка металла может начинаться из любой точки листа, при этом точность реза составляет 0,2 мм.

В отличие от станков для механической резки заготовок, раскрой листа происходит с применением специальных программных комплексов. Их применение минимизирует объем отходов. На некоторых формах количество отходов может не превышать 1 – 5% от площади листа.

К недостаткам оборудования плазменной резки можно отнести следующее:

1. По мере роста толщины металла появляется уклон от внешнего края к внутренней части листа, это вызвано рассеиванием пучка плазмы, это необходимо учитывать при разметке листа металла.
2. Неверная настройка режимов резания — ток, расход воздуха (газа), рабочая скорость движения головки, может привести к тому, что вырастет количество применяемого расходного материала – сопел, электродов.
3. Установка подобного оборудования требует тщательной подготовки воздуха, то есть непосредственно перед ней необходимо устанавливать влагоуловительные устройства.
4. Во время работы, на месте реза образуются наплывы, которые, при необходимости их можно удалить с помощью угловой шлифовальной машины. Вообще, если заготовка производится под сварку на эти наплывы можно не обращать внимания.

Образование наплывово при плазменной резке металла

Существуют конструкции с двумя и более движущимися режущими головками. Такая конструкция поднимается производительность труда и снижается себестоимость заготовок.

Плазмообразующие газы

Технологические возможности процесса плазменной резки металла (скорость, качество и др.), а также характеристики основных узлов плазмотронов определяются прежде всего плазмообразующей средой. Влияние состава плазмообразующей среды на процесс резки:

• за счет изменения состава среды возможно регулирование в широких пределах количества тепловой энергии, выделяющейся в дуге, поскольку при определенной геометрии сопла и данном токе состав среды задает напряженность поля столба дуги внутри и вне сопла;
• состав плазмообразующей среды оказывает наибольшее влияние на максимально допустимое значение отношения тока к диаметру сопла, что позволяет регулировать плотность тока в дуге, величину теплового потока в полости реза и, таким образом, определять ширину реза и скорость резки;
• от состава плазмообразующей смеси зависит ее теплопроводность, определяющая эффективность передачи разрезаемому листу тепловой энергии, выделенной в дуге;
• в ряде случаев весьма значительной оказывается добавка тепловой энергии, выделившейся в результате химического взаимодействия плазмообразующей среды с разрезаемым металлом (она может быть соизмерима с электрической мощностью дуги);
• плазмообразующая среда при взаимодействии с выплавляемым металлом дает возможность изменять его вязкость, химический состав, величину поверхностного напряжения;
• подбирая состав плазмообразующей среды, можно создавать наилучшие условия для удаления расплавленного металла из полости реза, а также предотвратить образование подплывов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко удаляемыми;
• от состава среды зависит характер физико-химических процессов на стенках реза и глубина газонасыщенного слоя, поэтому для определенных металлов и сплавов некоторые плазмообразующие смеси недопустимы (например, содержащие водород и азот в случае резки титана); диапазон допустимых смесей также сужается с увеличением толщины разрезаемых листов и теплопроводности материала.

От состава плазмообразующей среды зависят и характеристики оборудования:

• материал катода и конструкция катодного узла (способ крепления катода в плазмотроне и интенсивность его охлаждения);
• конструкция системы охлаждения сопел;
• мощность источника питания, а также форма его внешних статических характеристик и динамические свойства;
• схема управления оборудованием, поскольку состав и расход плазмообразующего газа полностью определяют циклограмму формирования рабочей дуги.

При выборе плазмообразующей среды также важно учитывать себестоимость процесса и дефицитность используемых материалов. Таблица

Наиболее распространенные плазмообразующие газы

Таблица. Наиболее распространенные плазмообразующие газы

Газ	Обрабатываемый металл
Алюминий, медь и сплавы на их основе	Коррозионно-стойкаясталь	Углеродистая инизколегированнаясталь
Сжатый воздух	Для заготовительной машинной резки	Для экономичной ручной и машинной резки
Кислород	Не рекомендуется	—	Для машинной резки повышенного качества
Aзотно-кислороднаясмесь	Не рекомендуется	Для машинной резки с повышенной скоростью
Азот	Для экономичной ручной и машинной резки	Для ручной и полуавтоматической резки	—
Aргоно-водороднаясмесь	Для резки кромок повышенного качества	Не рекомендуется

Резка с применением воздуха в качестве плазмообразующей среды называется воздушно-плазменной резкой.

Основные способы раскроя металла

На производстве для оптимизации раскроя металла подбирают наиболее выгодную технологию разделения металлопроката на заготовки. К примеру, преимущество использования газовой резки или дисковых ножниц заключается в том, что заготовки для производства изделий могут размещаться в любом месте листового металла. Если же для раскроя материала применяются гильотинные ножницы, то появляется ряд ограничений по выбору места расположения контура заготовки. Она должна располагаться таким образом, чтобы обеспечивалась возможность выполнения прямолинейного реза по длине и ширине листа и прямого раскроя под углом.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

Для промышленного производства больших партий изделий логичнее применять комбинированный способ раскроя. В этом случае заготовки различной формы комбинируют таким образом, чтобы их можно было сложить в прямоугольники с минимально возможными размерами. С помощью таких прямоугольников производится оптимизация заполнения листа металла.

Методика рационального заполнения листа по ширине обеспечивает снижение объемов отходов некратности. Неиспользованная часть листа в этом случае будет иметь меньший размер, чем при расположении форм по длине листа. Необходимо подобрать комбинацию заготовок таким образом, чтобы сумма их размеров способствовала наиболее полному заполнению меньшей стороны листа. Такую же методику применяют и для выполнения разметки по длине листа.

Способ разметки путем формирования размерных последовательностей предполагает размещение заготовок для раскроя от более габаритных к мелким. Задачу оптимизации раскроя металла решают особые технологические группы. Они получают от производственных единиц заявку на месяц, в которой указываются требуемые виды заготовок. Заявка содержит номер заказа, чертежи готовых изделий, марку металла и нормативы его расхода. На основании полученных чертежей сотрудники технологических групп группируют изделия по маркам металла и необходимой толщине заготовок.

После этого, с учетом размеров листов металла, который присутствует на складе предприятия, составляются карты раскроя. Вначале рассчитывается приблизительное количество необходимых листов металла. Затем технологи вычерчивают в наиболее удобном масштабе их габариты. В таком же размере необходимо выполнить раскрой шаблонов для изготовления заготовок на бумаге. Вырезанные трафареты комбинируют на чертежах листов металла таким образом, чтобы минимизировать объемы расходов.

После завершения работ над технологичными картами раскроя оформляется комплектовочная ведомость. На основании данных такого документа нужно подобрать металл и передать его вместе с документацией в цех. Для исполнителя процесса производства заготовок рабочим документом выступает карта раскроя. Если для того, чтобы изготовить нужное количество заготовок понадобится лишь часть целого листа металла, то оставшийся материал, который называют «деловым отходом», возвращается на склад с внесением соответствующей записи в учетные документы.

Описанный выше способ раскроя металла называют оперативным, так как он основан на получении информации о наличии материала на складе. На производстве может использоваться и способ перспективного раскроя. Он применим для серийного производства повторяющихся изделий. Технологичные карты в этом случае составляются ориентировочно за 6 месяцев до даты выпуска партии продукции и по ним оформляют заказ на мерный лист.

Карты раскроя не составляются, если заготовки производятся не из листового, а из профильного проката. Прутки, швеллеры, уголки и другой прокат выдается на производственные участки в мерах длины с учетом размеров заготовок и норм припуска на раскрой. После завершения резки остатки маркируются и передаются на склад. Чтобы оптимизировать расход профильного проката, заготовки из металла следует производить централизованно. Подбор материалов осуществляется в зависимости от марки, профиля и размеров таким образом, чтобы заготовка была кратной габаритам металлопроката.

Влияние поляризации излучения

Наиболее высоки показатели скорости и качества резки при совпадении плоскости поляризации луча с плоскостью резки. В этом случае на передней поверхности реза наиболее высоко поглощение излучения. Ели плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть излучения поглощается боковыми поверхностями реза. Скорость и качество резки могут значительно различаться в зависимости от изменения направления перемещения оптического резака при вырезке фигурных деталей. Влияние эффекта поляризации ослабляется при повышении температуры металла, а также при его окислении химически активным вспомогательным газом в процессе резки. Для обеспечения наибольшей эффективности резки целесообразно плоскость поляризации луча с помощью специального устройства автоматически поворачивать при изменении направления резки, чтобы она совпадала с плоскостью резки. Хорошие результаты достигаются в результате превращения линейно поляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией с применением фазовращающего зеркала, которое устанавливают перед входом в оптический резак. Этот способ применяется ведущими фирмами в современных машинах лазерной резки.

Преимущества и недостатки обработки металла лазером

Лазерная обработка является самым эффективным и высококачественным способом резки различных металлов. Весь технологический процесс раскроя автоматизирован и выполняется по заданным критериям. Лазер хорошо режет любые металлы с различными показателями теплопроводности.

Высокая энергетическая мощность лазерного луча обеспечивает расплавление металла в области резки. Но при этом полностью исключается даже минимальная деформация заготовки, так как зона термического воздействия очень ограничена. Эта особенность позволяет использовать лазерную технологию для обработки мягких металлов.

Преимущества обработки метала лазером:

• Полностью исключается механическое воздействие на заготовку или деталь. Лазерная технология позволяет резать мягкие, хрупкие материалы без риска деформации.
• Возможность обрабатывать твердые сплавы.
• Высокая точность раскроя и реза. Кромка в зоне резки очень ровная, отсутствуют наплывы, заусеницы и другие дефекты.
• Не требуется последующая дополнительная обработка готовых изделий.
• Есть возможность вырезать заготовки и детали даже самой сложной геометрической формы.
• Простота и легкость управления оборудованием. Рисунок детали выполняется в чертежной программе и переносится в компьютер лазерного оборудования для выполнения резки.
• Высокая производительность. Обработка металла лазером происходит в 10 раз быстрее, чем резка с помощью газовой горелки.
• Высокая скорость раскроя тонколистового проката.
• Максимальная экономия расходных материалов за счет компактного размещения деталей на листе.
• Экономическая эффективность. Снижение затрат при изготовлении небольших партий деталей, так как отсутствует необходимость изготовления форм для прессования или литья.

Недостатки обработки метала лазером:

• Высокая стоимость оборудования.
• Низкая эффективность обработки металлов и сплавов с высокими отражающими свойствами: алюминием, нержавеющей сталью.
• Допустимая максимальная толщина металлического листа – 20 мм.

Газовая резка

Горящей струей газа производится точечное расплавление металла с последующим окислением кислородом, возможна поверхностная и сквозная резка. Контуры реза – прямые, геометрические в виде треугольников, кругов, шестигранников и т.д. Технология широко применяется для изготовления на изделиях пазов, канавок разной глубины.

осуществляет комплексную обработку металлопроката в любых количествах. Свяжитесь с нашими менеджерами для уточнения расценок, мы гарантируем, что результатом сотрудничества с нашим предприятием станут поставки отличной продукции по выгодной цене!

Оборудование для лазерной резки

Существует три типа установок, применяемых для резки лазерным лучом:

• установки твердотельного типа;
• газовые установки;
• газодинамические установки.

В конструкции твердотельных установок присутствуют две основных детали: рабочее тело, роль которого чаще всего играет искусственный рубиновый стержень, лампа накачки.

Лампу накачки эксплуатируют для передачи нужного излучения на рабочее тело — стержень. Данное оборудование, как правило, работает в режиме импульса, хотя встречаются установки, работающие в непрерывном режиме.

В газовых установках для резки или раскроя металлических поверхностей роль рабочего тела выполняет газ. Он через специальную трубку закачивается непосредственно в рабочее поле лазерного луча. В этом технологическом сегменте широко эксплуатируются щелевые установки, с рабочим телом в виде углекислого газа. Их основные преимущества заключаются в простоте использования, компактности, мощности.

Принцип действия газодинамических установок основан на том, что рабочий газ первоначально греют до температуры от 2000 до 3000 °C. Затем пропускают через сопло со скоростью, несколько превышающей скорость звука, охлаждают. Оборудование для реализации такого технологического процесса дорогостоящее и применяется не часто.

Любое оборудование для выполнения работ по резке с помощью лазера, независимо от того, к какому виду оно относится, имеет такие узлы:

• узел для передачи и образования газового потока, излучения (сопло, подающее газовое устройство, система зеркал, оптические элементы);
• специализированный излучатель (газовый либо твердотельный) с определенными энергетическими или оптическими показателями;
• узел для управления, контроля над работой;
• узел для перемещения (координации) как обрабатываемой металлической детали, так и, непосредственно, лазерного луча.

В процессе работы лазер и оптические элементы разогреваются. Их нужно охлаждать. Это делают либо с помощью воды, либо обдувом воздуха. В первом случае, когда роль теплоносителя выполняет вода, установка для резки оснащается теплообменником или холодильной установкой.

Сверхточная резка: обзор технологий

В современном производстве высокоточная резка реализуется в формате технологий термической или термомеханической обработки металла. И к таким технологиям можно причислить лазерную резку и плазменный раскрой.

Эта зона является катализатором процесса термического окисления металла, который поддерживается обдувкой зоны «горения» кислородом.

Перемещая форсунку нагнетательной системы можно не только контролировать процесс термического окисления, но и управлять, перемещая высокотемпературную зону вдоль контура будущей заготовки.

В итоге, с помощью инициируемого лазером или плазмой термического окисления можно добиться проплавления листа металла вдоль всего периметра заготовки. Кроме того, с помощью этих же технологий можно вырезать отверстие в теле заготовки или полуфабриката.

Указанные операции выполняются на специальном оборудовании, которому доступны и раскрой и гибка листового металла. Однако подобные комплексы присутствуют в станочном парке далеко не всех производителей. И большинство заводов и фабрик заказывает подобную резку на стороне. Причем класс точности и производительность процесса резки зависит от типа «генератора» высокотемпературной зоны. Поэтому далее по тексту мы присмотримся к лазерным и плазменным станкам более подробно.

Преимущества и недостатки

Почти ни одно промышленное производство, которое каким-то образом связано с металлопрокатом, не может обойтись без порезки металла. Вырезание точных отверстий, фигурная декоративная резка, быстрое разрезание на заготовки листового металла — все это можно сделать довольно быстро при помощи плазмотрона. Преимущества этого способа состоят в следующем:

1. Экономичность — плазменный способ на фоне стандартных методов обработки материалов значительно выигрывает. Есть только одно ограничение, которое связано с толщиной материала. Экономически невыгодно и нецелесообразно разрезать при помощи плазмотрона сталь толщиной более 50 мм.
2. Мобильность плазменных ручных агрегатов.
3. Высокая скорость обработки деталей и производительность. В отличие от обычного электродного способа скорость работ увеличивается в 5−12 раз.
4. Раскрой всех разновидностей металлов (медь, алюминий, сталь, нержавейка, титан и т. д. ).
5. Безопасность.
6. Точность — от тепловой нагрузки деформации почти незаметны и впоследствии не потребуют дополнительной обработки. При этом точность плазменной резки составляет 0,24−0,34 мм.

Все эти достоинства плазменной резки объясняют, почему этот способ пользуется такой большой популярностью не только в производственных целях, но и в бытовых нуждах.

Но, говоря о преимуществах, нужно отметить и определенные отрицательные моменты:

1. Четкие требования касательно проведения обработки деталей. Мастеру необходимо строго соблюдать угол наклона резака в районе 10−50 градусов. При невыполнении этого правила ускоряется износ комплектующих деталей, а также нарушается качество реза.
2. Ограничения, которые связаны с толщиной реза. Даже у мощного оборудования наибольшая плотность обрабатываемого материала не может быть более чем 10 см.
3. Помимо этого, рабочее оборудование очень сложное, что делает абсолютно невозможным применение одновременно двух резаков, которые подсоединяются к одному агрегату.

Что лучше — резка металла лазером или плазмой

Плазменная резка отличается от лазерной тем, что проплавление металла производится при помощи плазменной дуги, в то время как плазменная струя удаляет расплав. Резку плазмой применяют для обработки тонколистового металла, однако экономически целесообразно использовать для толстых поверхностей: меди (до 80 мм), чугуна (до 90 мм), алюминия (до 120 мм), сталей (до 150 мм). Хорошее качество отверстий гарантировано в случае, если их диаметр будет не меньше диаметра поверхности, разрезаемого плазмой. Нижние кромки отверстий, как правило, меньше верхних. Поверхность реза конусная и составляет от 3 до 10 градусов.

Эксплуатация лазера имеет наибольшую эффективность при нарезке стали толщиной до 6 мм. Сфокусированное лазерное излучение производит качественные узкие резы, диаметр произведенных отверстий в нижней части имеют несколько больший размер, чем в верхней. Отклонение кромки реза от заданных параметров – около 0,5 градуса.

Выбирая между плазмой и лазером, стоит ориентироваться прежде всего на тип и толщину материала, подлежащего обработке. Кроме этого, стоит учесть, что лазерное оборудование имеет большую цену, однако при необходимости вырезания большого количества отверстий в детали часовая стоимость использования плазменного станка выше.

Выполнение резки других материалов

Сложное выполнение художественной резки, раскройка рядовых материалов при работе с автоматизированной лазерной машиной ЧПУ становятся довольно обычной заводской работой. Кроме алюминиевых листов, подобные установки легко справляются с несколькими видами металла:

• нержавеющими материалами;
• листами из других материалов;
• стальными заготовками;
• латунью.

Работа с нержавейкой приравнивается к сложным энергозависимым проектам, поскольку материал отличается высокой сопротивляемостью к любому типу энергетического и физического воздействия. Мощный лазер и компьютеризированная начинка установки позволяют получить сложные фигуры и уникальные детали, прочность которых будет на высоком уровне.

Наше высокотехнологичное оборудование

Компания «Страж-Лазер» располагает всем комплексом современного производственного оборудования для осуществления раскроя листового металла различной толщины. Высокотехнологичные лазерные комплексы, используемые на нашем предприятии, позволяют производить качественную резку листов с минимальными отходами благодаря тонкой линии реза и технической документации, разработанной на высоком профессиональном уровне.

Получаемая в результате раскроя листа торцевая часть не требует дополнительной обработки, зачистки от окалины и заусенцев. Изготовленные детали имеют металлургически безупречную линию резка. Благодаря оперативному процессу перепрограммирования станков, высокой скорости реза возможно производство различных видов изделий в кратчайшие сроки, сохраняя при этом низкую себестоимость продукции.

Конструкторская документация, на основании которой производится раскрой металла, разрабатывается в программе AutoCad, позволяющей максимально точно очертить любые самые сложные контуры, применяемые в ходе лазерной резки, сокращая временные затраты и отходы листового проката, что в конечном итоге приводит к повышению экономической эффективности размещенного заказа.

Наше предприятие имеет значительный опыт и глубокие знания в области раскроя металла. В компании трудятся опытные конструктора, технологи, занимающиеся проектными работами, написанием программ для оборудования и оптимизацией схемы технологического процесса, применяемой при изготовлении различных металлоизделий.

Это интересно: Радиус кривошипа — определение и расчет — определение, как вычислить

Сущность лазерной резки металла

Лазерная резка металла, как понятно из ее названия, выполняется при помощи луча лазера, получаемого при помощи специальной установки. Свойства такого луча позволяют фокусировать его на поверхности небольшой площади, создавая при этом энергию, характеризующуюся высокой плотностью. Это приводит к тому, что любой материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т.д.).

Станок лазерной резки металла, к примеру, позволяет концентрировать на поверхности обрабатываемого изделия энергию, плотность которой составляет 108 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:

• Лазерный луч, в отличие от световых волн, характеризуется постоянством длины и частоты волны (монохроматичность), что и позволяет легко фокусировать его на любой поверхности при помощи обычных оптических линз.
• Исключительно высокая направленность лазерного луча и небольшой угол его расходимости. Благодаря такому свойству на оборудовании для лазерной резки можно получить луч, отличающийся высокой фокусировкой.
• Лазерный луч обладает еще одним очень важным свойством – когерентностью. Это значит, что множество волновых процессов, протекающих в таком луче, полностью согласованы и находятся в резонансе друг с другом, что в разы увеличивает суммарную мощность излучения.

Процессы, происходящие при резке металла с использованием лазера, хорошо заметны на приведенных в статье видео. При воздействии луча на поверхность металла происходит быстрое нагревание и последующее расплавление подвергаемой обработке площади.

Быстрому распространению зоны плавления вглубь обрабатываемого изделия способствуют несколько факторов, в том числе и теплопроводность самого материала. Дальнейшее воздействие лазерного луча на поверхность изделия приводит к тому, что температура в зоне контакта доходит до точки кипения и обрабатываемый материал начинает испаряться.

Процесс лазерной резки в схематичной форме

Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:

• плавлением металла;
• испарением обрабатываемого металла.

Для того чтобы выполнить резку металла методом испарения, требуется большая мощность оборудования и, как следствие, значительные энергозатраты, что не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Ограничивают использование такого метода и строгие требования к толщине обрабатываемых изделий. Именно поэтому данный метод используют только для резки тонкостенных деталей.

Такая технология позволяет снизить энергозатраты, повысить скорость работы, использовать оборудование небольшой мощности для резки металла большой толщины. Конечно, это нельзя считать лазерной резкой в чистом виде, правильнее будет называть его газолазерной технологией.

Лазерная резка стали 10мм

Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при выполнении лазерной резки позволяет одновременно решить такие важные задачи, как:

• активизация процесса окисления металла (это позволяет снизить его отражающую способность);
• повышение тепловой мощности в зоне реза (поскольку металл в среде кислорода горит более активно);
• выдувание из зоны реза мелких частиц металла и продуктов сгорания кислородом, подаваемым под определенным давлением (это облегчает приток газа в зону обработки).

Это интересно: Круглошлифовальные станки по металлу — объясняем в общих чертах