Режем без ножа

Современная металлообработка – это постоянно развивающаяся отрасль, в которой применяются последние достижения научно-технического прогресса. Одним из самых новых и актуальных технических решений последнего времени является резка металлов. В настоящее время этот вид металлообработки приобретает все большее значение. Это происходит в первую очередь за счет увеличения объемов производства, а также в связи со значительным развитием кибернетики и автоматики.

В настоящее время для раскроя листовых материалов используются три основные технологии резки – лазерная, плазменная и водоструйная. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, притом, что области их применения во многом пересекаются.
Для правильного применения той или иной  технологии в соответствии с особенностями вашего производства нужно понимать их отличительные характеристики.

Привычная всем автогенная резка обеспечивает высокую мобильность процесса, требует незначительной подготовки, низких инвестиционных затрат и небольших расходов на замену изнашиваемых деталей. Эта технология все еще сохраняет за собой одну сферу применения – раскрой толстых листов конструкционной стали. В других случаях  отрицательные стороны  автогенной резки, в частности сильный нагрев разрезаемого материала, перевешивают положительные или вообще делают эту технологию неприемлемой. Альтернативные технологии резки с гораздо более широким кругом решаемых задач начали развиваться в середине прошлого века, а в последние двадцать лет существенно потеснили газокислородную резку.

Лазерная резка

Лазерная резка – это технология, применяющая лазерный луч для резки материалов. Промышленные лазеры используются для резки, как листовых материалов, так и деталей сложной формы, в том числе строительных конструкций и труб. Многоосевые лазеры с компьютерным управлением применяются для обработки отливок и обточек. Промышленные лазеры способны с высокой точностью разрезать сложные профили. Неровности поверхности реза крайне малы по сравнению с механическими способами резки и в дальнейшем требую минимальной обработки. Если свойства разрезаемого материала могут изменяться под воздействием тепла (пластмасса и др.), края реза отвердевают под воздействием лазера, что в некоторых случаях может быть полезно. Но если поверхность реза должна пройти дополнительную обработку, такое изменение свойств материала может оказаться проблемой. Как правило, диаметр луча на поверхности разрезаемого материала составляет 0,2 мм, а мощность – от одного до двух кВт. Диаметр входного отверстия лазерного реза обычно немного больше, чем выходного. Минимальный радиус угла реза составляет около 0,75 мм.

Для промышленной резки чаще всего используются инфракрасные лазеры большой мощности: лазеры на углекислом газе, а также алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием (Nd: YAG). Полупроводниковые лазеры, получившие высокое распространение благодаря использованию в телекоммуникациях и компьютерной технике (принтеры, проигрыватели компакт-дисков), также представляют интерес для промышленности в силу более высокой эффективности.

При разрезании луч подводится к краю листа и по мере продвижения разрезает его толщу. Для того чтобы  начать рез с точки на плоскости материала (не с краю), луч сначала должен прожечь его насквозь, что требует большего расхода энергии и времени. Так, чтобы «продырявить» стальной лист сантиметровой толщины, требуется от пяти до пятнадцати секунд. Тонколистовые стали можно резать со скоростью 1, 5 м/мин.

Направленный лазерный луч высокой мощности плавит, сжигает или испаряет разрезаемый материал в зависимости от его состава, оставляя рез, поверхность которого отличается высоким качеством обработки. Испарение металла требует больших затрат энергии, по этому на практике резку производят плавлением. Чтобы расплавленный металл не заполнял образующийся канал рез за счет действия капиллярных сил и поверхностного натяжения, в зону резки подают струю газа, в качестве которого чаще применяют воздух и даже кислород. Такой процесс называют газолазерной резкой. Струя газа, проникая в полость, образующегося реза, выдувает из него жидкий металл. Кроме того, при резке сталей, с использованием воздуха или кислорода, металл окисляется, выделяется дополнительная теплота, процесс резко ускоряется.

Для гибкого управления количеством энергии, приходящейся на единицу длины реза (погонной энергии), применяют импульсно-периодические лазеры, в которых можно менять длительность импульсов излучения и паузы между ними. Это позволяет управлять формой реза при точной вырезке деталей сплошного контура, не допуская местных перегревов. Другими параметров режима газолазерной резки являются частота излучения, мощность излучения, скважность (отношение периода следования импульсов к длительности паузы между ними) и расход газа.

Лучше всего обработке лазером поддаются углеродистая и нержавеющая сталь. Такие металлы, как алюминий и медь, хуже разрезаются лазером в силу большей способности отражать свет, а также поглощать и проводить тепло, что требует применения лазеров большей мощности.

В сравнении с механической резкой, лазерная не требует физического контакта с разрезаемым материалом, что устраняет риск повреждения как орудия резки, так и самого материала и значительно снижает его деформирование. Кроме того, в отличие от механического резака, на лазер не влияет такой фактор, как износ, а значит, точность реза не уменьшается с течением времени. Один из наиболее существенных недостатков лазерной резки – высокий расход энергии и большая стоимость лазерных установок.

Плазменная резка.

Технология плазменной резки появилась в 60-е годы. Первые промышленные установки были весьма громоздкими и стоили столько, что приобрести их могли себе позволить только очень крупные предприятия. В конце прошлого века они стали значительно компактнее, дешевле и совершеннее, что обусловило их широкое распространение во многих отраслях. Сама по себе технология гораздо проще газокислородной резки, требующей заправки и доставки газовых баллонов, тех или иных присадок для резки ценных металлов и сплавов, соблюдение мер пожарной безопасности и т.д. Процесс плазменной резки требует лишь электроэнергии и газа (воздуха), а расходными материалами аппарата являются только электроды и сопла.

Существуют аппараты плазменной резки самых разных мощностей и размеров. Есть огромные установки, мощность которых делает возможным  их управление лишь с помощью компьютера. Есть также компактные ручные резки. Вне зависимости от размеров все они действуют по одному и тому же принципу и имеют примерно одинаковую конструкцию.

Плазменная резка производится путем интенсивного расплавления металла вдоль линии реза теплом сжатой электрической дуги и  удаления жидкого металла высокоскоростным плазменным потоком. Газ (азот, аргон, иногда сжатый воздух), выходящий на большой скорости из патрубка, превращается в плазму под воздействием электрической дуги, сквозь которую он проходит. Сама по себе дуга имеет температуру 6000 – 8000 К. Плазма генерируется в результате «выдувания» электрической дуги газом, благодаря этому ее температура возрастает до 20 000 К – температуры достаточной для ионизации газа. Такой ионизированный газ, обладающий токопроводящими свойствами, является фундаментальной основой работы плазменных систем. Поток плазмы (его скорость достигает 15 000 км/) попадает на металл, который расплавляется под воздействием ее высокой температуры и удаляется из зоны резки разогретым газовым потоком.

По сути, это тот же принцип, который используется и газокислородной резке – местный нагрев с последующим выдувание расплавленного металла из зоны резки. Но по сравнению с газокислородной, плазменной резка обеспечивает гораздо более высокую температуру, что позволяет с легкостью резать как тонкие, так и толстые листы любого металла – стали, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминия, титанов и их сплавов. Ручные резки обычно способны разрезать стальную пятисантиметровую плиту, а более мощные станки с компьютерным управлением в состоянии прожигать и резать тридцатисантиметровую сталь. При этом из-за малой ширины реза потери металла минимальны, его деформация отсутствует, а заусеницы, образующиеся на краях реза, легко удаляются.

При резке существенную роль играет толщина и теплопроводность разрезаемого металла. Чем выше теплопроводность, тем больше теплоотвод, от зоны резки и, следовательно, меньше возможная толщина листа. Так у меди она на треть ниже, чем у сплавов железа. Это необходимо учитывать при выборе оборудования, соответствующего вашим задачам: если в паспорте на аппарат указано максимальное значение толщины разрезаемого металла – углеродистой стали 60 мм, то для меди и ее сплавов этот параметр будет равен примерно 40мм и т.д. Следует также учитывать, что максимально является толщина, при которой скорость разрезания гораздо ниже, чем это требуется для производства, поэтому для обеспечения нормальной скорости работы, вам нужно выбирать аппарат, в котором паспортная максимальная толщина для необходимого металла наполовину больше, чем нужно. С другой стороны повышенная мощность влечет повышенный расход энергии. Если для вас это важнее, чем скорость резки, то паспортные характеристики должны лишь немного превышать требуемые вам.

Что же касается используемых газов, то для резки мягких и низколегированных сталей предпочтительным режущим газом является кислород. Благодаря его применению обеспечивается повышенная вязкость расплавленного железа, которое легко удаляется из прорези и не оставляется заусенец. Кроме того, обработанные кромки содержат мало азота.

Воздух в качестве газа сравнительно дешев, но имеет ряд недостатков: сокращение сроков службы электрод и сопел и повышение содержания азота на обработанных кромках, что может отрицательно сказаться при выполнении последующей обработки. Последнее свойственно также азоту. Преимуществами азота является возможность подачи тока меньшей силы при равных толщинах листа, что экономит не только электроэнергию, но и благодаря меньшим термическим нагрузкам на электрод увеличивает срок его службы.

Плазменные аппараты могут использовать разные стартовые методы в зависимости от года изготовления аппарата. Старые модели обычно зажигают плазменную арку благодаря своему напряжению, что связанно с рисками электрошока, сильным электромагнитным излучением, сложностями ремонта и поддержания необходимого расстояния между анодом (электродом) и катодом (соплом, патрубком). Новые аппараты, особенно рассчитанные на работу вблизи чувствительного оборудования, используют контактный стартовый метод – в начале электрод и сопло находятся в контакте, а по мере вдувания плазменного газа расходятся.

Плазменные аппараты могут быть аналоговыми и инверторными. Первые используют мощности свыше 2 кВт и требуют тяжелого трансформатора. Инверторные аппараты, применяющие переменный ток, в последнее время становятся все более популярными, поскольку в отличие от трансформаторов обеспечивают работу даже при плохом состоянии сети и позволяют добиться существенной экономии электроэнергии. В качестве других ресурсов экономии эксперты указывают применение источников питания с коммутацией по первичной сети, минимальным запасом по мощности, высокими КПД и коэффициентом мощности, автоматизацию и механизацию сварочного процесса, и равномерную нагрузку фаз питающей сети. Большое значение имеет также эффективное использование рабочего времени: по разным оценкам плазменные аппараты работают вхолостую от трети до половины рабочего цикла.

Часто ставится вопрос о сроках службы режущих патрубков и электродов, в том числе применительно к перерывам в рабочих циклах из-за переналадок. Практика показывает, что износ патрубков и электродов не очень зависит от процессов, а определяется в основном числом резов и потребляемой мощностью. При нормальной работе до того, как качество резов изменяется настолько, что необходимо заменять патрубок, выполняют примерно 400-600 резов. Как правило, срок службы электродов вдвое превышает срок службы патрубков.

Водоструйная резка.

Бывают случаи, когда термическая резка не может использоваться, к примеру, на взрывоопасном производстве. Термические процессы часто служат причиной обгорания, оплавления на разрезаемых кромках. Лазерная и плазменная резки создают напряжения, микротрещины и структурные изменения в обрабатываемых материалах. В этих случаях необходимо использовать технологию так называемой холодной резки – гидрорезки или гидроабразивной резки.

В случае применения этой технологии процесс разрезания происходит в результате эрозионного воздействия на металл высокоскоростного потока воды и (при гидроабразивной резке) твердых частиц. Определенным образом сформированная струя жидкости исходит из специального сопла диаметром 0,08 – 0,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 м/с и выше) и обеспечивает рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет всего несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала – за счет этого и совершается резка. Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности – жидкостноабразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины. Режимы водоструйной резки, осуществляемой как использованием абразива, так и без него, могут быть расширены за счет подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, которые придают ей абразивные свойства.

Отделение частиц разрезаемого материала состоит из комбинированного действия механизмов резки, хрупкого разрушения, усталости и плавления. Скорость процесса эрозии зависит от кинетической энергии частиц, механических свойств разрезаемого материала, угла атаки, формы частиц.

Важнейшим преимуществом технологии гидроабразивной резки перед другими видами обработки является отсутствие нагрева разрезаемых заготовок, что исключает термические напряжения и деформации обрабатываемого материала. Это предотвращает упрочнение, деформирование и стекание шлака или амальгамирования, а также загрязнение вредными испарениями и газами, присущие другим видам резания при обработке пластмасс, композиционных материалов т.п. Для листового материала, ламинированного пластиком, резка водой частой является единственным решением, которое не оказывает негативного влияния на внешнюю поверхность покрытия. Титан, нержавеющая сталь, медь и алюминий создают свои собственные проблемы – их толстые листы не всегда можно резать термическими методами. При обработке стекла и композиционных оптических волокон или минералов когерентный световой пучок и вовсе не может быть использован.

Струя воды не создает прямого давления на поверхность материала. Механическое воздействие происходит лишь на микроскопическом уровне. Таким образом, несмотря на кинетическую энергию струи воды, отсутствует какая-либо деформация материала и высокоточная резка выполняется без появления неровностей кромки. Результатом являются резы поразительно высокого качества, не требующие дорогостоящей доработки.

Технология резки водой имеет еще одно неоспоримое преимущество – тонкая как волос струя создает существенно меньшие потери материала по сравнению с традиционными процессами.

Требования к современному производству включают не только высокую производительность и качество изделий, но и возможность обработки сложных форм без ограничений по толщине и материалу. Резы любой сложной формы, острые углы, скошенные кромки, минимальные радиусы, возможность начать процесс резки в любой момент, непосредственное врезание в материал – все это достигается при помощи гидроабразивной резки с несравнимой гибкостью для широчайшего диапазона материалов.

Генерируемое в процессе резания тепло практически мгновенно уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры в заготовке. Эта характеристика является решающей при обработке особо чувствительных к нагреву материалов. Небольшие сила (1-100) и температура (+60-90 С) в зоне резание исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.

В конечном счете, области применения лазерной, плазменной и водоструйной технологий резания будут разделены их технологическими и экономическими данными. Однако непреложным фактом является то, что сегодня сфера применения водоструйной резки расширяется , и она постепенно занимает свою нишу. Технология гидроабразивной резки имеет хорошие перспективы применения в металлообработке , а в настоящее время все шире используется в таких областях, как авиастроение, судостроение и специальное машиностроение. Гидроабразивная технология – идеальное решение для резки плит из природного камня.

Плазменная или лазерная?

В какой-то мере плазменная резка конкурирует с лазерной и ацетилено-кислородной. Но, по сравнению с ними, при плазменной резке могут достигаться более высокие скорости в зависимости от толщины листов при достаточно высоком качестве резки.

 По своим техническим характеристикам и достижимым скоростям резки плазменная резка особенно эффективна для прямых резов (зачистка кромок) и обработки профилей при фиксации обрабатываемой стороны листа. Плазменная резка позволяет обрабатывать листы значительно более широкого по толщине диапазона при достаточно хорошем качестве. Специальные сопла позволяют резать листы под углом для последующей сварки. В отличие от лазерной резки, плазменная обычно используется для получения листовых деталей с малыми дефектами поверхностей. При незначительных окалине, ржавчине и загрязнителях, что повышает качество резки.

Лазерная резка обеспечивает получение более точный по перпендикулярности  кромки и более узких прорезей применительно к характерному для процесса диапазону листов по толщине, чем плазменная. Благодаря чрезвычайно концентрированному приложению энергии плазменная резка обеспечивает высокие скорости резки, и поэтому она эффективнее для резки мягкой и низко легированной стали. Более концентрированный тепловой поток позволяет нагревать более узкую зону и минимизировать, таким образом, деформации при  резке. Кроме того, определенным преимуществом лазерной резки является точность получаемых профилей, особенно при образовании вырезов, мелких геометрических поверхностей и четко очерченных уголков (без дополнительных проходов) в толстых листах. Лазерная резка вызывает сравнительно небольшое оплавление защитных покрытий загрунтованных и оцинкованных деталей.  Сроки службы сопел при лазерной резке значительно более продолжительны, чем при плазменной. Автоматы для плазменной резки имеют преимущества перед лазерными установками в дешевизне обработки материалов и стоимости самой установки и подготовки операторов для нее – на них вполне могут работать операторы со средним уровнем подготовки.

Лазерная или гидроабразивная?

Экономическую эффективность технологии гидрорезки обычно приводят в сравнении с лазерной резкой, поскольку обе технологии одинаково успешно развиваются и имеют большое количество совпадающих признаков. Исследования резки пакета из металлических пластин толщиной 0,3 мм каждая показали, что при толщине разрушаемого пакета пластин менее 6 мм более эффективным по энергоемкости и скорости оказался метод гидроабразивной резки. При этом было отмечено, что лазерная технология неэффективная применительно к материалам с высокой отражающей способностью и с большой толщиной разрезаемого сечения. Капитальные затраты на приобретение установки гидрорезки (лазер CO₂, 2 кВт, общая мощность 35 кВт). Технология гидроабразивной и лазерной резки не исключают одна другую и могут применять на одном и том же предприятии. Основным недостатком обоих методов считают косину плоскости реза (до 1,5 град).

Распространено заблуждение, что наибольшая экономия при использовании гидрорезки достигает при минимальном использовании электроэнергии, воды и абразива. На самом деле эффективность этого процесса напрямую зависит от скорости резки, которая до определенного  предела возрастает при увеличении расхода этих ресурсов.

Таким образом, чем больше скорость резки, тем меньше ее удельная стоимость. Чтобы достичь максимальной скорости, надо полностью использовать ресурс мощности насоса. То же касается и абразива, расходы на который составляют  больше половины производственных расходов при гидрорезке. Существует пиковая производительность, при достижении которой дальнейшее увеличение расхода абразива действительно теряет смысл и даже приводит к засорению сопла.

Номенклатура материалов, для резки и обработки которых выгоднее применять технологию гидроабразивной резки, очень широка. Гидроабразивная струя успешно режет легированные стали, упрочняющими покрытиями; при резке мягких металлов и композитов иногда требует последующая очистка поверхности реза от застрявших частиц абразива.

Владимир Михайлов. Украина промышленная.