Лазерная резка

Лазерная резка стали — автоматизированный раскрой металла бесконтактным способом. Инструментом служит энергетический заряд высокой плотности (108 Ватт на 1 см²). Когда луч разогревает металл, происходит реакция термолиза: нарушаются связи между химическими элементами, образуются новые соединения. Составляющие части плавятся, испаряются или сгорают.

Резка лазером — альтернатива механической обработке металла. В методе не задействован инструмент для доводки (зачистки) и выравнивания. Нет коробления поверхности. У детали ровные и чистые края (без заусенцев).

Преимущество технологии — ювелирная точность, универсальность, высокая производительность труда. У лазерной резки проката нет ограничений, связанных со сложностью контура, теплопроводностью и составом материала. Максимальная толщина металла — до 20 мм. Стандартная погрешность размеров — от 0,1 мм, в зависимости от толщины и марки стали. Точность для ответственных деталей — до 0,005 мм.

Способ не требует предварительной подготовки: с листов или труб удаляют заводскую смазку. Достоинство метода — минимальная зона термического влияния. Поток энергии концентрируется в узком пространстве с минимальным затрагиванием пограничных областей.

Особенности лазерной резки

Операцию применяют для раскроя деталей на части, изготовления углублений в толще (гравировки), проделывания сквозных отверстий. Метод подходит для любых материалов, которые термически разлагаются или плавятся.

Технология основана на использовании монохроматических и когерентных свойств лазера. Особенность пульсации светового потока — одинаковая частота и длина волны. Когерентность — способность к согласованию (сложению) нескольких колебательных процессов. С помощью оптических линз стабильный поток энергии концентрируют в одном месте.

Если сравнивать два способа, наибольшей популярностью пользуется лазерная резка стали плавлением. Когда луч света направляют в зону реза, металл начинает плавиться. Возникает явление теплового побега: энергия распространяется вглубь и нарастает. Лазер разрывает связи между элементами, структура металла в месте реза разрушается.

Аналогичные действия происходят при использовании технологии испарения. При контакте с лазером сталь закипает, часть переходит в газообразное состояние, оставшаяся масса стекает вниз. Если сравнивать оборудование для плавления и испарения, вторая группа расходует больше электроэнергии. Метод нельзя применять для толстой стали.

Технология с испарением содержит жесткие требования к материалу и техпроцессу. Область применения — для раскроя тонких заготовок. Разновидность способа — сублимационный испарительный раскрой металла. Длина волны света — менее 1 мкм. Время действия лазера исчисляется долей секунды (10⁻¹² или 10⁻⁹).

Использование прецизионного метода испарения:

• микротехнологии в разных сферах деятельности;
• бизнес по производству ювелирных изделий и электроники;
• медицинская промышленность.

Кроме стандартных технологий, применяют комбинированные способы. При разрезании стали плавлением используют приемы, которые улучшают протекание процесса. К оборудованию подсоединяют специальные устройства. Установки направляют в рабочую зону кислород, азот, воздух или инертные составы.

Результат применения лазерной резки с газом:

• снижение затрат на производственный цикл;
• раскраивание толстых заготовок;
• увеличение скорости разрезания;
• использование менее мощных установок.

Наиболее эффективно работают газолазерное оборудование с кислородом. Применение газа активизирует процесс горения. Тепловая мощность в обрабатываемой зоне возрастает.

Поток кислорода выносит из рабочей зоны продукты горения и новые образования: слой окислов снижает отражательную способность металла (алюминий, нержавейки). Копоть не оседает на поверхности реза и не уменьшает скорость лазерной резки.

Причины возникновения брака — несоблюдение технологии, неправильная настройка процесса, применение некачественного сырья. На заготовке образуется грат и неровные края. Внешнее проявление нарушения процесса — факел пламени в месте реза. На стали виден нагар и следы пережога.

Предварительная подготовка включает разработку эскиза детали и чертежа раскроя листа в формате «.dxf», «.cdw», «.dwg», «SLDDRW». Чтобы подсчитать цену лазерной резки, используют файлы расширения DXF (Autodesk). Программы для управления установкой: LaserWork, LaserCut, AutoLaser. Софт для подготовки чертежей — редакторы векторной графики: CorelDraw, Компас, AutoCAD, Adobe Illustrator, SolidWorks.

Преимущества лазерной резки

Технология подходит для всех материалов, в том числе металлов, которые нельзя подвергать механической обработке: легко деформируемых, особо твердых (ломких). После операции нет коробления и изгибания краев. На деталь не действуют динамические нагрузки (силы давления и скручивания). Для обработки металла световым лучом не нужны резаки и другие инструменты. Не надо затачивать кромки и покупать новые приспособления.

Превосходство лазерной резки металлопроката перед термическим раскроем в плазме и кислороде:

• отличная угловатость;
• практически нет окалины;
• высокая скорость — при толщине стенки до 6 мм (при раскрое толстых заготовок процесс замедляется из-за предварительного разогрева);
• чистые кромки (качество сопоставимо с механической обработкой).

Лазерную технологию выбирают для изготовления продукции массового спроса и опытных образцов. Компания ООО «МеталлСклад Северо-Запад» оказывает услуги лазерной резки металла от одного изделия.

Плюсы метода — возможность изготовления деталей простой и сложной формы. Лазер подходит для пространственных и плоских заготовок. Способ позволяет получать конструкции с углублениями и острыми углами, переходами без радиусов, тонкими перемычками: 1-2 мм.

Популярность технологий лазерной резки объясняется причинами: 

• повышенным коэффициентом использования металла за счет оптимального раскроя (практически нет отходов);
• автоматизацией процесса и ускоренной переналадкой: после окончания одного процесса устанавливают новые параметры, агрегат готов к работе с другими конструкциями;
• возможностью получить отверстия малого диаметра;
• чистотой реза: нет наплывов металла, заусенцев, смещенных кромок; большую часть изделий стандартного назначения без механической обработки направляют на сварку встык или сборку;
• высокой производительностью труда: в 10 раз больше, чем при газовом раскрое стали.

Точность лазерной резки

Предельные отклонения от линейных и угловых размеров зависят от четырех критериев. Три параметра — характеристики рабочей среды, оборудования и заготовки. Четвертый критерий — человеческий фактор: правильная разработка чертежа и опыт управления станком.

На погрешность размеров влияют факторы:

• характер работы излучателя: непрерывный или импульсный (периодический);
• тип газа;
• производительность и физическое состояние станка;
• диаметр, мощность, направление и скорость перемещения луча.

Оптоволоконные или твердотельные установки для лазерной резки листов отличаются простотой и надежностью.  Мощность оборудования 1–6 кВт. Назначение изделий — для обработки тонколистовых материалов.

Мощность газовых лазеров — 50-15000 Вт. Рабочая среда — углекислый газ, аргон, азот, гелий. Второе название категории — СО2-лазеры. Это универсальное оборудование для работы любой сложности.

ООО «МеталлСклад Северо-Запад» предлагает заказать лазерную резку металла с ЧПУ. Преимущества выбора — автоматическая программная настройка и управление фокусировкой луча. Работают чувствительные датчики слежения и интегрированные системы машинного зрения.

Результат раскроя листов стали на установках с ЧПУ:

• максимальная производительность: одновременно работают две и более головки мощностью 7000 Ватт;
• трехмерная обработка металла (получение 3D-образцов);
• возможность раскроя длинных заготовок (16 м и более);
• уменьшенная погрешность (при толщине заготовки до 20 мм — точность реза составляет 0,1 мм).

Почему ООО «МеталлСклад Северо-Запад» гарантирует высокое качество лазерной резки металла на заказ?

Предприятие развивает свой парк оборудования. В наличии — современные устройства с шириной реза луча на входе в пределах 0,15–0,2 мм. Специалисты компании знают все тонкости рабочего процесса.

В стандартной ситуации действует правило: чем выше скорость раскроя, тем меньше ширина реза. Опасность наращивания движения лазерной головки — на поверхности появляется шероховатость.

Чтобы обеспечить высокую точность, применяют приемы:

• резки «с заходом»: прожигание выполняют со смещением в нерабочую зону;
• раскроя листа с минимальными подвесами 0,5-1,0 мм (в конце лазер аккуратно отрезает перемычки, контур самостоятельно отделяется и падает в приемный отсек); 
• прецизионную резку с допуском 0,005 мм на специальных установках.

Подрядчик гарантирует высокую точность размеров от первой до последней детали.

Причины ухудшения качества лазерной резки и способы устранения

Дефекты возникают из-за нарушения жесткости конструкции, несоблюдения угла рабочей поверхности и неправильной юстировки.

Негативно влияет несвоевременная очистка и истирание покрытий зеркал. Точность настройки и качество реза зависит от чистоты оптических устройств. На гладкой поверхности зеркал и линз скапливается пыль, нагар, следы от прикосновения рук.

Инструкция по эксплуатации установки содержит рекомендации по уходу:

• регулярная протирка беличьими кистями;
• промывка специальным раствором зеркал и линз;
• аккуратный подход, чтобы не нарушать точность настройки.

Зона ответственности оптики — точность перемещения луча по заданному контуру. Если положение зеркал не соответствует настройкам, лазер отклоняется. Причины сдвига — чрезмерная вибрация станины, удары тяжелых конструкций о корпус, ошибки при очистке оптики. Чтобы исправить положение, проводят повторную настройку: каждый рефлектор выставляют строго по центру.

Аккуратное использование линз продлевает срок эксплуатации. Наступает момент, когда покрытие линз истончается. Старение ухудшает отражательную способность линз.

Частая причина преждевременного износа поверхности — протирание инструмента жесткой салфеткой. Время менять оптику, — когда на линзе видны царапины или слой покрытия истончен.

Если приводные ремни натянуты слабо, конструкция теряет жесткость. Проявление дефекта — линзы вибрируют, качество резки ухудшается. Выход их положения — пригласить специалиста по ремонту оборудования.

Чтобы приступить к работе, заготовку помещают на специальную поверхность. Причина несоблюдения размеров — нарушение плоскостности рабочего стола. Чтобы исправить положение, регулируют подвижные опоры.

Лазерная резка листового металла

Чтобы на плоских заготовках добиться высокого качества кромки, используют вспомогательный газ. При вырезывании сложного контура на тонких заготовках снижают скорость и действуют осторожно:

• металл быстро разогревается;
• тепло распространяется за пределы контура и увеличивает ширину реза;
• возрастает шероховатость поверхности на кромке.

Для резки толстых листов выставляют максимальную мощность. Результат неправильной настройки скорости — шероховатый срез. Если толщина металла для лазерной резки больше диаметра отверстий, получают качественные кромки.

При раскрое деталей из листа учитывают назначение и размерные характеристики. Ширина стандартной перемычки — не менее 5-10 мм. Величина отступа от каждого края листа, минимум, 10 мм. Для ответственных деталей указывают другие параметры.

Лазерная резка труб

Особенность раскроя удлиненных заготовок — под любым углом. Луч направляют по прямой линии, дуге или сложному контуру.

Лазером раскраивают конструкции из материала:

• стали: нержавеющей, низколегированной, углеродистой;
• алюминия.

Для разрезания труб используют оптоволоконное и традиционное оборудование (СО2). Современное устройство выполняет лазерную резку труб профильного и круглого сечения в полностью автоматическом режиме. Оборудование работает по одному принципу, отличие — способ генерации и передачи энергии — по оптоволоконному кабелю.

Перед включением рабочего хода заготовку жестко фиксируют. Запускают вращение конструкции вокруг своей оси. Блок управления подает команду приступить к раскрою. Следующий этап — лазерная резка круглой трубы на части.

Режим работы предусматривает дополнительную операцию. Задача предварительной резки — снять окалину или плотный слой загрязнений.

Форма сечения труб для раскроя лазером — окружность, овал, квадрат, прямоугольник, треугольник.

Особенность обработки отводов сложной формы — предварительная центровка. Для профилированных труб подбирают ступенчатый режим подачи газа и изменения скорости. В технологическую карту закладывают разные параметры для мест утолщений и участков трубы с одинаковой стенкой.

Лазерная резка нержавейки

Некоторые сплавы раскраивать сложнее. Трудности связаны со сложностью определения температуры плавления и повышенной отражательной способностью поверхности.

Средняя температура плавления нержавейки 1450–1520 ⁰C. Значение зависит от процентного содержания никеля и железа. В сплав входят легирующие добавки и примеси. Каждый химический элемент по-своему влияет на температуру плавления. При высоком нагреве образуются дополнительные связи.

В определенном диапазоне температур соединения переходят из жидкой фазы в состояние кристаллизации. Чтобы определить точку начала застывания (солидуса) и расплавления (ликвидуса), используют сложные формулы, приведенные в ГОСТ 20287.

Таблица демонстрирует влияние химических элементов на температуру плавления нержавеющей стали при лазерной резке.

Название элемента	Характер действия	Примечание
Углерод, марганец, кремний, сера, фосфор	↓	-
Молибден, титан, ванадий,	↓	-
Алюминий	↓	-
Вольфрам	↓	По достижению концентрации 4,4% и выше — ↑
Хром	↓	При увеличении массовой доли более 23% — ↑
Никель	↓	-

Обозначение: ↓ — снижение и ↑ — повышение температуры плавления нержавеющего сплава. Примечание: концентрация элементов относится только к рецептуре нержавеющей стали.

Дополнительные трудности раскрою создают легирующие добавки. Элементы способствуют зашлакованию реза. Чтобы повысить качество кромки, используют азот высокой чистоты.

Лазерная резка нержавеющей стали состоит из двух этапов. Чтобы получить технологическое отверстие, луч света прожигает металл. В точку реза направляют поток газа (азота или кислорода). Лазер начинает движение и разрезает заготовку на части.

Преимущество раскроя нержавейки лазером — нет заусенцев и следов деформирования края. После обработки свойства металла остаются прежними.

Лазерная резка подходит для сталей любого типа:

• ферритных, — с массовой долей хрома до 20%:
• аустенитных, — с включением никеля и хрома до 33%;
• мартенситных;
• комбинированных нержавеющих сплавов (ферритно-мартенситных, аустенитно-мартенситных, аустенитно-ферритных).

Минусы лазерной резки

Не существует технологий без ограничений. Недостатки резки лазером — большие вложения на закупку оборудования, которые увеличивают стоимость работы. Регулярные расходы связаны с обновлением головки и зеркал.

К минусам процесса относят:

• высокое потребление электроэнергии (тариф закладывают в цену услуги лазерной резки);
• влияние человеческого фактора: неопытные операторы допускают брак;
• высокотемпературные установки небезопасны для человека;
• усложнение процесса при работе с металлами и сплавами, обладающими высокой светоотражающей способностью: алюминием, нержавеющей сталью.

Сколько стоит лазерная резка?

Когда рассчитывают цену услуги, отталкиваются от времени работы оборудования. Параметр зависит от суммарной длины всех контуров, сложности форм, марки стали, толщины заготовки (тонкие листы обрабатывают быстрее). Максимальный тариф — на услугу раскроя алюминия и нержавейки.

Чтобы точно рассчитать стоимость услуг лазерной резки, предоставляют эскиз готовой детали. Специалист закладывает технологические перемычки, разрабатывает чертеж и программирует процесс.

На цену работы влияют факторы:

• величина партии (пробный образец стоит больше);
• наличие прямых углов на контуре (если есть возможность, делают плавные переходы, чтобы головка не замедляла ход);
• избегают мелких деталей, которые увеличивают время операции;
• уменьшают количество замкнутых контуров (причина — излучатель часто останавливается, чтобы сделать новую врезку).

Цена за метр лазерной резки выше, если на поверхности листа присутствует ржавчина, загрязнения, значительные отклонения от плоскостности.

Лазерная резка прайс:

Толщина листа, мм	Цена за 1 погонный метр, руб.
1 мм	20-35 руб.
2 мм	25-40 руб.
3 мм	30-50 руб.
4 мм	35-55 руб.
5 мм	40-60 руб.
6 мм	50-70 руб.
8 мм	60-80 руб.
10 мм	70-100 руб.
14 мм	90-130 руб.
16 мм	110-150 руб.
20 мм	140-200 руб.
22 мм	170-250 руб.
25 мм	От 200 руб.