Лазерный раскрой листового металла: технология максимальной точности и качества

Производство металлоконструкций не обходится без раскроя плоского и профильного проката. От этой операции во многом зависит качество и стоимость готовой продукции. Сегодня в мастерских и на предприятиях успешно применяются несколько различных технологий резки, мы расскажем об одной из них. Итак, тема нашей статьи – лазерный раскрой листового металла.

Что понимается под раскроем металла

Раскрой листового металла относится к заготовительным операциям. Они выполняются с целью сформировать детали, пригодные для сварки и монтажа. По сути, это производство фрагментов металлоконструкций. На предприятиях нередко работают целые заготовительные подразделения, где производится резка, обработка краев реза, гибка и т. д. В результате получаются заготовки, требующие дополнительной обработки, или уже готовые детали. Все зависит от того, какие технологии и оборудование применяются на этом этапе.

Перед началом раскроя нужно рационально разместить «выкройки» на листе. Заготовка может быть любой формы, но проще всего, конечно, работать с прямоугольными. В ходе резки листового металлопроката образуются отходы – возвратные и невозвратные. Количество этих остатков непосредственно связано с используемой технологией.

Раскрой листового металла – непростая и очень ответственная операция. От нее зависит качество и себестоимость деталей и всей конструкции в целом. На современных предприятиях отдают предпочтение эффективным высокотехнологичным методам резки.

Принципы лазерной технологии раскроя листового металла

Наиболее точный раскрой листового металлопроката обеспечивает плазменная и лазерная резка – две технологии, связанные с термическим (термохимическим) воздействием на материал.

Эти методы основаны на быстром и сильном нагревании металлического листа в намеченной точке при помощи лазерного луча или струи плазмы. Происходит локальное расплавление и испарение металла. При перемещении резака по контуру будущей детали перемещается и зона нагрева. В итоге получается аккуратно вырезанная заготовка. Лазер также способен сделать отверстия заданной формы и размера.

Каков принцип работы лазерных установок? Энергия источника (вспышка особой лампы, электрический разряд или химическая реакция) превращается в световую энергию и многократно усиливается. Нарастанию способствует оптический резонатор – система из двух или нескольких специальных зеркал. Процесс происходит в так называемой активной среде, она может представлять собой газ, жидкость или твердое тело. Образуется узкий пучок концентрированной энергии высокой мощности, который и прожигает материал в заданной точке. Для резки металла применяются твердотельные (в том числе оптоволоконные), и газовые лазерные станки.

Лазерный раскрой листового металла происходит с минимальной погрешностью благодаря очень точной фокусировке луча – вся его энергия может быть сконцентрирована в точке диаметром 1 микрон. Программное управление обеспечивает идеальное соответствие вырезанных деталей чертежу. Причем возможно вырезать заготовки любой, самой сложной формы. Отличительной особенностью данной технологии является высокая скорость процесса при отличном качестве продукции.

Лазер способен резать любые металлы и сплавы. Поскольку мощный нагрев в точке реза происходит быстро, вся поверхность не успевает нагреться, поэтому лист не деформируется. Непосредственного контакта инструмента с обрабатываемым материалом нет, поэтому можно разрезать даже тонкие или хрупкие материалы. Правда, лазерный раскрой листового металла толщиной более 20 мм обычно не производится, так как для этого нужна установка очень большой мощности, а это экономически неоправданно.

Мощность лазерного излучения можно регулировать – выполнять не только резку, но и гравировку листа.

При раскрое происходит мгновенное расплавление и испарение металла. Струя вспомогательного газа выдувает остатки расплава и продукты окисления материала. Для раскроя относительно толстых листов в рабочую зону дополнительно подают кислород под давлением, чтобы поверхность материала в точке реза нагревалась еще сильнее.

Недостатки данной технологии:

• не подходит для резки металла толщиной более 20 мм;
• при работе с металлом, обладающим выраженными отражающими свойствами (полированная нержавейка и др.), мощность и производительность станка снижается.

Лазерный раскрой листового металлопроката особенно востребован в случае изготовления больших партий идентичных деталей с абсолютно точным соблюдением их формы и размеров. Это актуально, например, при производстве судов, самолетов, автомобилей, станков, радиоэлектроники и точных приборов, для создания декоративных решеток и др.

Какое оборудование сегодня используют для лазерного раскроя листового металла

С появлением лазерных режущих станков производство металлоконструкций стало значительно дешевле и быстрее. Лазерный раскрой обеспечивает высочайшую точность и скорость работы. Эта технология оптимальна для обработки металлических листов малой и средней толщины. Она применяется на предприятиях металлургической отрасли и практически на любом машиностроительном производстве.

В России встречаются лазерные станки производства компаний Mitsubishi, Durmazlar, Trumpf, TST LASER, Mazak, FINN-POWER, Knuth, Halk, Mattex.

Наиболее популярно следующее оборудование:

• Лазерные станки ARAMIS.
• Лазерное оборудование компании Durmazlar.
• Установка 2D/3D СО2 Space GEAR MarkII производства фирмы MAZAK.
• Станки с ЧПУ для сварки и лазерного раскроя листового металла Laserdyne производства ПРИМА НОРС.

Стоимость оборудования для лазерной резки составляет в среднем 350 000 рублей.

Луч лазера – концентрированный поток световых частиц высокой энергии. Он почти не рассеивается и создает на поверхности разрезаемого материала крошечное световое пятно, размер которого обычно составляет несколько микрон. В этой точке металл моментально плавится, кипит и испаряется, в то время как остальная поверхность не подвергается нагреванию. Эти особенности позволяют добиться чрезвычайно узкого реза, при этом размеры и форма детали выдержаны с точностью до десятых долей миллиметра.

Нюансы лазерного раскроя металла в промышленных условиях

Для резки и гравировки металла на предприятиях используются твердотельные и газовые лазеры (жидкостные для этой цели не подходят). По сравнению с газовым, твердотельный лазер проще по конструкции, обладает более высоким КПД и экономичнее в эксплуатации. Однако его мощность обычно лежит в пределах от 1 до 6 кВт – значительно меньше, чем у газового лазера. Твердотельная лазерная установка может работать в постоянном или импульсном режиме, последний дает возможность увеличить мощность.

Рабочим телом (активной средой) твердотельного лазера служит стержень, изготовленный из кристалла или стекла с особыми «лазерными» свойствами. Чаще используются кристаллы иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd:YAG), неодимовое стекло или рубины. Кстати, самый первый в истории лазер был рубиновым.

Под влиянием системы накачки (обычно это специальные лампы с подходящим по спектру излучением) стержень испускает фотоны. Световая энергия усиливается и фокусируется благодаря оптическому резонатору – системе зеркал и линз. Их положение можно менять для точной настройки лазера. Управление световым потоком, регулировка его параметров, а также концентрация луча в нужной точке в соответствии с контурами заготовки происходит автоматически, за это отвечает компьютер.

Для раскроя металлических листов используются и волоконные лазеры – тоже твердотельные, но выделенные в отдельную группу. В основе – кварцевое оптическое волокно, легированное неодимом, иттербием или другими редкоземельными металлами. Нередко волокно является одновременно и активной средой, и оптическим резонатором, а это означает упрощение конструкции и ее неприхотливость, ведь зеркала и линзы достаточно капризны. Накачка происходит с помощью диодной лампы (светодиода).

Волоконные лазерные установки компактны и мобильны, отличаются высокой мощностью и длительным периодом эксплуатации. Подходят для прецизионной резки благодаря отличной фокусировке луча. Высокий КПД установки, ее надежность, почти идеальные параметры луча, несложное и недорогое обслуживание сделали лазеры этого типа очень популярными на промышленных предприятиях. Стоит отметить также, что лазерный луч со всей его энергией передается по оптическому волокну как электрический ток по проводу – преимущества очевидны.

В газовых лазерах место стержня занимает трубка, заполненная газом, – в металлорежущих станках используется углекислый газ с добавлением азота и гелия. Трубка помещена в оптический резонатор. Внутри нее газовая смесь испускает фотоны под влиянием электрических разрядов (электрическая накачка). Газовый лазер дешевле твердотельного. Он способен выдавать мощность свыше 20 кВт в непрерывном режиме, так что может кроить очень твердые металлы и сплавы.

Помимо газов, служащих для получения собственно лазерного луча, в процессе раскроя материала участвуют вспомогательные газы. Например, металлы с высокой температурой плавления лучше всего резать в струе кислорода. Для резки алюминия и нержавеющей стали используется азот. Для титана, меди и некоторых других металлов подойдет только аргоновая среда.

5 итоговых советов по работе с лазером при раскрое листового металла

1. Не рекомендуется подвергать лазерной резке некачественный металл. Следы коррозии или ржавчина сведут на нет преимущества этой современной технологии – качество реза будет неудовлетворительным.
2. Не следует обрабатывать листы с заметными неровностями – результат непредсказуем.
3. Размечая лист, нужно помнить о том, что заготовки должны располагаться не менее чем в 10 мм от краев. При этом минимальное расстояние между ними – 5–10 мм.
4. Для повышения качества работы рекомендуется использовать металлические листы со скругленными углами.
5. Раскрой заготовок со сложными контурами стоит дороже, поскольку продолжается дольше. Причина в том, что при прохождении каждой линии контура станок врезается в материал за пределами будущей детали, затем возвращается назад и меняет направление.

Итак, раскрой металла – это технологическая операция превращения металлопроката в заготовки или готовые детали требуемых размеров и формы. Лазерная резка используется для работы с любыми металлами. Она превосходит иные технологии по скорости обработки металлопроката и качеству готовой продукции, к тому же незаменима при производстве деталей сложной формы. При этом процесс резки экономически выгоден и безопасен как для человека, так и для окружающей среды.