Точность лазерной резки 2.0 — Лазерные технологии

заказывал в одной Крупной конторе (рекламировать не буду — маркетинг и обслуживание 3 с «-» ( или 2 с +

20шт (были еще идругие позиции) — прислали 23 (18+5) и судя по наклейкам резали в двух разных местах

толи заказ кому отдали ? толи на разных станках ? толи просчитались и доделывали ! (но упакованы по разному + наклейки разные

и 5 шт пришли с куском металла из которого резали. Н=5мм

 

ширина реза примерно 0,5мм

вырезать отв. D=2мм не проблема (и даже » шпинёк» в 1мм остался!

имп. врезка также = 0,5мм (но вырезать отверстие меньше толщины металла = отказываются ?!

(отв. внутри сверлил сам)

т.е. D отв >= Н толшине ?!

 

наружный слой (1..2мм) закаляется до 50 ед (обработка только ТС

Изменено 11.07.2016 10:37 пользователем Cerg24

Лазер или плазма? / Юнимаш

Технологии лазерной и плазменной резки материалов имеют одну область применения и являются конкурирующими технологиями.

В качестве инструмента при лазерной резке очень упрощенно используется сфокусированный лазерный луч. При непрерывном режиме работы лазерный луч нагревает обрабатываемый материал до температуры плавления, полученный расплав удаляется струей газа под высоким давлением. При сублимационной лазерной резке металла материал под воздействием лазерного импульса испаряется в зоне резки.

Плазменная резка заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты, генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей. Плазменная дуга получается из обычной в специальном устройстве – плазмотроне – в результате ее сжатия и вдувания в нее плазмообразующего газа.

Лазерная резка, в отличие от плазменной, обеспечивает получение более точных по перпендикулярности кромок и более узких прорезей применительно к характерному для процесса диапазону толщин. Сфокусированное лазерное излучение позволяет нагревать достаточно узкую зону обрабатываемого материала, что уменьшает деформации при резке. При этом получаются качественные и узкие резы со сравнительной небольшой зоной термического воздействия. Дополнительным преимуществом лазерной резки является точность получаемых деталей, особенно при образовании вырезов, небольших фигур сложной конфигурации и четко очерченных углов. Одним из главных достоинств данного вида обработки является её высокая производительность. Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, так как обеспечивает высокое качество и точность при сравнительно большой скорости резки. При лазерной обработке на тонколистовом материале не остается окалины, что позволяет сразу передавать детали на следующую технологическую операцию. Кромки реза у листов толщиной до 4 мм и меньше остаются гладкими и прямолинейными, а у листов большей толщины кромки имеют некоторые отклонения со скосом примерно 0,5°. Диаметры отверстий, вырезанных лазером, имеют в нижней части несколько больший диаметр, чем в верхней, но остаются круглыми и хорошего качества. Для металла толщиной 20–40 мм лазерная резка применяется значительно реже плазменной, а для металла толщиной свыше 40 мм – практически не используется.

Плазменная резка, по сравнению с лазерной, эффективна при обработке значительно более широкого по толщине диапазона листов при относительно хорошем качестве реза. Данный вид обработки экономически целесообразен для резки алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм; меди толщиной до 80 мм; легированных и углеродистых сталей толщиной до 150 мм; чугуна толщиной до 90 мм. На материалах толщиной 0,8 мм и меньше использование плазменной резки находит ограниченное применение. Для плазменной резки характерна некоторая конусность поверхности реза 3° — 10° . При вырезании отверстий, особенно на больших толщинах, наличие конусности уменьшает диаметр нижней кромки отверстия, на детали толщиной 20 мм разница диаметра входного и выходного отверстия может составить 1 мм. Следует учитывать, что плазменная резка металла имеет ограничения по минимальному размеру отверстия. Отверстия хорошего качества получаются при диаметре не меньше толщины разрезаемого плазмой листа. При данном способе реза присутствует кратковременный термический обжиг кромки разрезаемого металла. Все это приводит к ухудшению качества деталей. Чаще всего на этих деталях присутствует небольшая окалина, которая легко удаляется.

Сравнивая два описанных выше способа, можно прийти к выводу, что результаты лазерной и плазменной резки примерно одинаковы при обработке металлов малой толщины. Если говорить об обработке металлов, толщина которых превышает 6 мм, то здесь лидирующие позиции занимает плазменная технология, которая превосходит лазерную и по скорости выполнения операций, и по уровню энергетических затрат. Но следует учитывать, что качество деталей, полученных при лазерной резке на малых толщинах, значительно выше, чем при использовании плазмы, и целесообразным является использование этой технологии при получении изделий сложной формы, для которых особое значение играет высокая точность и максимальное соответствие проекту. Следует отметить, что лазерное излучение, в отличие от плазмы, является широкоуниверсальным инструментом (кроме резки оно применяется также для маркировки, упрочнения, разметки и т.п.). Также сроки службы расходных материалов при лазерной резке несравнимо более длительные, чем при плазменной.

Немаловажной характеристикой является стоимость установок. Станки плазменной резки дешевле лазерных, но при сравнении стоимости эксплуатации установок следует учитывать ряд одинаковых или аналогичных параметров, существующих при работе этих установок и влияющих на эксплуатационные расходы. Это относится, в первую очередь, к стоимости расходных материалов, а также электроэнергии и вспомогательных газов.

К числу основных газов, используемых при лазерной резке, относятся воздух и кислород (при резке углеродистой стали) или азот (при резке коррозионно-стойкой стали и алюминия). Энергетические расходы включают расходы на электроэнергию, потребляемую самой установкой, электроэнергию для лазера и охлаждающего устройства, а к числу расходуемых компонентов относятся внутренняя и внешняя оптика, линзы, сопла, фильтры. Периодичность замены расходных компонентов, используемых в установке лазерной реки, составляет от нескольких недель до нескольких лет, в зависимости от многих параметров.

При осуществлении плазменной резки в основном используют воздух и кислород. К энергетическим расходам здесь относят расходы на электроэнергию для создания плазмы и для питания самой установки плазменной резки. В числе расходуемых компонентов – сопло, электрод, рассекающее кольцо, крышки, керамическая направляющая и экран. Как вариант можно использовать слаботочные электроды и сопла, что ведет к повышению качества резки, но при этом снижается ее производительность.

Другие параметры, например, количество вырезаемых отверстий на одну деталь, оказывают влияние на часовую стоимость эксплуатации плазменной установки в большей степени, чем на тот же показатель для лазерной, поскольку расходуемые компоненты, например, сопла и электроды рассчитаны на определенное количество стартов или прошивок. Чем больше отверстий требуется прошивать в детали для ее резки, тем выше стоимость часа работы плазменной установки.

Сравнивая качество получаемых деталей и исходя из стоимости затрат на расходные материалы, можно прийти к выводу, что лазерная резка эффективнее плазменной для более тонких листовых материалов, а плазменная — для более толстых. Следует учитывать, что эксплуатационные расходы для обоих типов резки имеют широкий разброс и во многом определяются геометрическими параметрами заготовки, числом отверстий в ней, видом и толщиной разрезаемого материала.

Лазерная резка
Ширина реза	Ширина реза постоянна (0,2 — 0,375 мм)
Точность резки	Как правило ±0,05 мм (0,2 — 0,375 мм)
Конусность	Менее 1°
Минимальные отверстия	При непрерывном режиме диаметр примерно равен толщине материала. Для импульсного режима минимальный диаметр отверстия может составлять одну треть толщины материала.
Внутренние углы	Высокое качество углов
Окалина	Обычно отсутствует
Прижоги	Незаметны
Тепловое воздействие	Очень мало
Производительность резки металла	Очень высокая скорость. При малых толщинах обычно с заметным снижением при увеличении толщины, продолжительный прожиг больших толщин.

Плазменная резка
Ширина реза	Ширина реза не постоянна из-за нестабильности плазменной дуги (0,8 — 1,5 мм)
Точность резки	Зависит от степени износа расходных материалов ±0,1 — ±0,5 мм
Конусность	3° — 10°
Минимальные отверстия	Минимальный диаметр отверстий составляет 1,5 от толщины материала, но не менее 4 мм. Выраженная склонность к эллиптичности, (возрастает с увеличением толщины материала).
Внутренние углы	Происходит некоторое скругление угла, из нижней части среза удаляется больше материала, чем из верхней
Окалина	Обычно имеется (небольшая)
Прижоги	Присутствуют на острых наружных кромках деталей
Тепловое воздействие	Больше, чем при лазерной резке
Производительность резки металла	Быстрый прожиг. Очень высокая скорость при малых и средних толщинах обычно с резким снижением при увеличении толщины.

Почему снижается точность работы лазерного оборудования

Станки лазерной резки являются передовым оборудованием для раскроя широкого спектра листовых материалов (кожа, дерево, металл, бумага и т.д.).

Универсальным инструментом таких станков является лазерный луч, который позволяет резать и гравировать поверхности со скоростью, значительно превышающей традиционные методы обработки. При своей высокой мощности лазерный пучок оказывает достаточное термическое воздействие на сам материал, что исключает деформацию краев изделия и обеспечивает чистую, гладкую кромку реза, не требующую дополнительной обработки.

Оптическая линза, установленная в лазерной головке станка, фокусирует излучение до точки диаметром в доли миллиметра. Коэффициент рассеивания луча при этом минимальный, а погрешности в отклонении составляют ± 0,03 мм. Такие технологические параметры режущего инструмента обеспечивают высокую точность выполнения операций раскрою и гравировке сложноконтурных элементов на материалах любой плотности.

Причины ухудшения точности станков лазерной резки

Каким бы дорогим и профессиональным не было лазерное оборудование, точность позиционирования лазерного луча со временем начинает снижаться. Причиной тому может быть несколько факторов.

Нарушение юстировки оптической системы

Юстировка или настройка оптики имеет ключевое значение в создании маршрута движения лазерного луча. Малейшее отклонение в повороте одного из зеркал вызывает дальнейшее смещение траектории и приводит к некорректному выводу лазера на поверхность материала. Сдвиг поворотных зеркал может вызвать вибрация в помещении, удар по корпусу оборудования или несоблюдение техники очистки оптики. Решением проблемы становится повторная юстировка с точным выставлением центра для каждого рефлектора.

Истирание покрытия зеркал

Нарушение целостности защитной пленки на зеркалах снижают качество лазерного потока

В процессе эксплуатации даже качественно нанесенное покрытие начинает истончаться. Как следствие, возникает излишнее рассеивание луча, снижение отражающей способности линз, потери мощности излучения. Дефекты в виде царапин могут появиться и при неправильном уходе за поверхностью зеркал, например, при использовании металлических инструментов или грубой ткани для протирания. При значительном повреждении защитной пленки линзу следует заменить, отдавая предпочтение оптике от проверенных производителей. Дешевые зеркала отличаются недолговечностью покрытия и и склонностью к быстрому прогоранию.

Загрязнение

В процессе эксплуатации на зеркалах появляется налет, который следует своевременно удалять для сохранения качества резки

Мелкая пыль, нагар, отпечатки пальцев на фокусирующей линзе и прочие

артефакты на поверхности оптики неизбежно ведут к искажению точной работы лазерного станка. Поэтому вся система требует регулярной обработки с использованием беличьих кистей для удаления пыли и специальных жидкостей для промывки зеркал / линзы. При проведении мероприятий по удалению загрязнений необходимо следить за тем, чтобы геометрия расположения зеркал не нарушилась.

Нарушение жесткости конструкции

• ослабление натяжения приводных ремней – достаточно частая причина появления неточностей реза. В этом случае необходимо скорректировать натяжение до рекомендуемого производителем и сделать его одинаковым для каждого элемента.

• плохая фиксация линзы в конусе лазерного излучателя может вызвать ее вибрацию при работе оборудования.

Изменение угла рабочей плоскости

Влиять на точность лазерной резки может не только система передачи луча, но и поверхность, на которой размещен материал. Если невзирая на все мероприятия по уходу и настройке оптики к качеству работы станка остаются претензии, следует проверить настройку самой плоскости стола для раскроя, используя уровень. При необходимости подрегулировать подвижные опоры для получения точной горизонтали.

Может ли плазменная резка конкурировать с лазерной

При оснащении производства оборудованием для раскроя листового металла одним из первых возникает вопрос, какой тип резки использовать: лазерный или плазменный?

Проведем сравнительный анализ этих типов резки, с целью получения возможности принятия правильного решения по оснащению производства соответствующей установкой.

Рассмотрим следующие основные характеристики:

А также сформулируем рекомендации по выбору оборудования для раскроя металлического проката

 

 

Производительность

Рассматривая производительность, следует отметить, что при резке деталей из тонколистового метала (до 2..3 мм) с большим количеством отверстий, пазов и др. наиболее эффективен мощный высокоскоростной лазер. Однако на толщинах более 6 мм плазма выигрывает по скорости резки, а при толщине листа 20 мм и выше – вне конкуренции.

Основное правило – при одинаковой потребляемой мощности установок плазменная резка производительней лазерной в 2..3 раза – при изготовлении простых деталей. При этом большие партии однотипных сложных деталей из тонкого металла все же целесообразней изготавливать на лазере, т.к. вырезанные детали могут быть применимы к следующим технологическим операциям без дополнительной обработки (удаление окалины).

 

Качество реза

Требования к качеству реза определяются спецификой конкретного производства. Например, для приварного фланца рабочей поверхностью служит плоскость фланца. Соответственно, шероховатость, конусность и пережог кромки не оказывают существенного влияния на конечное качество изделия. Напротив, для звездочки цепного привода чистота поверхности, отсутствие термических деформаций и точность профиля зубьев являются первостепенными задачами, и часто лазерная резка обеспечивает решение этих задач.

В таблице приведены основные отличия в качестве реза между лазерной и плазменной резкой:

Показатель качества	Лазерная резка	Плазменная резка
Конусность кромки	0..2°	0..10°*
Шероховатость поверхности Ra, мкм	1.25..2.5	6.3..12.5*
Окалина (грат)	минимально	отсутствует*
Оплавление врезок, углов	минимально	Присутствует*

При плазменной резке величину конусности кромки и количество окалины можно уменьшить или убрать совсем путем подбора оптимальных параметров, таких, как скорость и направление реза, высота плазмотрона над поверхностью металла, сила тока источника плазмы.

Сильное влияние на качество реза оказывает состояние расходных элементов (сопло, электрод, защитный экран, и др.). Шероховатость поверхности также зависит от скорости резки и рабочего тока источника. Чем ниже скорость и выше ток, тем меньше шероховатость, но тем больше окалина и перегрев кромки. Оплавление на углах и врезках может быть уменьшено путем правильного расположения врезок и методом прохождения углов «петлями».

Необходимо отметить что точность позиционирования резака и динамические характеристики координатной системы установок имеют важнейшее значение для качественного результата.

При грамотном подходе к эксплуатации хорошей установки плазменной резки можно добиться отличного качества реза: на переднем плане деталь, вырезанная лазерной установкой, на заднем – установкой плазменной резки.

 

Ограничения

Ограничение	Лазерная резка	Плазменная резка
Минимальный диаметр отверстия	(0.3..0.4)S	(0.9..1.4)S*
Разрезаемый материал	Металлы, пластики, дерево	металлы
Максимальная эффективная толщина резки, мм	До 40	До 150
Прорезка внутренних углов	+	С радиусом

* — но не менее 2..3 мм, т.к. диаметр пучка плазмы 1..2.5 мм;

S – толщина материала.

 

 

Сравнение процессов

На примере двух деталей с одинаковым контуром, вырезанных лазером и плазмой, рассмотрим в сравнении отдельные участки реза. (Низкоуглеродистая сталь толщиной 5 мм).

Сравниваемые детали изготовлены с применением установки лазерной резки известного европейского производителя и станка плазменной резки GIGAMECH 6PC с системой воздушно-плазменной резки Hypertherm Powermax65. Качество резки с применением установок других производителей могут отличаться от рассматриваемых.

Резка прямых и криволинейных контуров с радиусами более толщины металла происходит практически с одинаковым качеством. Видна небольшая разница в шероховатости поверхности реза.

Внутренние углы контура детали, вырезанной на плазме, скруглены, в связи с тем, что диаметр плазменного пучка более чем на порядок превышает диаметр лазерного луча (1..2.5 мм против 0.2..0.3 мм).

При плазменной резке ограничено расстояние между контурами резки на детали. При близко расположенных контурах происходит перегрев и пережигание тонких стенок. При конструировании это расстояние закладывают 2.5..4 мм, при возможных 0.5 мм — у лазера.

При лазерной резке отверстия либо без конусности, либо могут иметь небольшую конусность, обусловленную неоптимальной настройкой фокусирующей системы.

При плазменной резке отверстия и криволинейные контура имеют искажения геометрии. В частности, на отверстиях это конусность, направленная на уменьшение диаметра к нижней кромке отверстия. Обусловлено это явление тем, что плазменный пучок при изменении направления резки отклоняется в сторону, противоположную направлению движения.

Также, чем ближе диаметр отверстия к толщине металла, тем более явно может проявляться искажение геометрии отверстия и криволинейных контуров при резке. Эти искажения можно минимизировать правильной настройкой параметров резки.

 

Стоимость установки

Часто на принятие окончательного решения об оснащении производства лазером или плазмой влияет цена установки и стоимость эксплуатации.

Для правильного понимания вопроса о стоимости лазерной и плазменной установок примем, что предполагается резка металла одной толщины с одной скоростью. При этом на толщинах до 4..6 мм лазерная установка дороже плазменной примерно в 4..6 раз; при толщине 6..20 мм разница в цене отличается уже в 10 и более раз.

При резке металла толщиной более 20 мм применение лазерной резки становится доступным только крупным производствам с уникальными специфическими задачами.

К координатной системе для лазерной установки предъявляются повышенные требования по динамическим и точностным характеристикам, соответственно, необходимо применение комплектующих более высокой точности. Вследствие этого стоимость лазерной координатной системы выше в 3..4 раза.

 

Стоимость эксплуатации

Стоимость эксплуатации установок складывается из стоимости

• энергетических затрат и затрат на рабочие газы;
• стоимости расходных комплектующих;
• стоимости сервисного обслуживания и ремонта.

Энергетические затраты

Основными потребителями электроэнергии в лазерной и плазменной установках являются лазер (источник тока для плазмы), координатная система со стойкой управления, вытяжная система, чиллер (для охлаждения рабочего тела лазера или мощного плазмотрона).

Энергопотребление лазерных и плазменных установок может быть близко по значению или различно, что зависит от ряда факторов. Например, при резке металла одной толщины (до 5..8 мм) с одной скоростью лазером и плазмой энергопотребление установок (включая оборудование, необходимое для работы установок – компрессор, чиллер, и др.) практически одинаково.

По иному обстоит дело при высокопроизводительной лазерной резке на высокой скорости. При той же толщине металла уже понадобится лазерная установка мощностью в 3..4 раза превышающей мощность плазменного станка. При резке металла толщиной более 8 мм потребная мощность лазера возрастает в несколько раз по сравнению с плазменными установками.

Энергопотребление установок при резке тонколистового металла находится либо на одном уровне, либо с небольшим перевесом в сторону плазмы. Резка толстого металла требует уже более высоких энергозатрат от лазера. В первом приближении лазерные и плазменные установки можно отнести к одному классу энергопотребления.

Обе системы резки включают в себя источник сжатого воздуха (кислорода, азота). Лазерная резка требует более высокой степени очистки рабочего газа, чем при плазменной резке, что, в свою очередь, требует присутствия высококачественных фильтрующих элементов, сепараторов, и др. в системе подготовки газа.

Расходные элементы и комплектующие

Основными расходными комплектующими для плазменной резки являются сопло и электрод, подвергающиеся непосредственному износу в процессе работы. При интенсивной резке, в зависимости от толщины металла, комплекта сопло-электрод может хватать на 600-800 прожигов или на 5-8 часовую рабочую смену. Защитные экраны, завихрители и др. элементы плазмотрона выходят из строя, как правило, в результате неправильных алгоритмов прожига и резки или аварийных ситуаций. Замена данных комплектующих производится с помощью обычной процедуры «открутил-закрутил» в течении нескольких минут.

Понятие «расходные» комплектующие для лазера весьма условно, т.к. детали лазерного источника и режущей головки (линзы, отражающие зеркала, сопла) выходят из строя реже, чем у плазмотрона, но их поломка и замена вытекают в дорогостоящий сложный ремонт. Например, «банальная» очистка линзы должна производиться под микроскопом в стерильных условиях и специальными инструментами. Стоимость линзы в 10..30 раз выше стоимости комплекта «сопло-электрод» для плазмы, а, например, лампа накачки для мощного СО₂ лазера может стоить как качественный комплектный источник плазмы.

Сервисное обслуживание и ремонт

При правильной эксплуатации источник плазмы и плазмотрон не требует каких либо сложных операций по регулировке и сервисному обслуживанию. Данные операции сводятся к продувке внутренних полостей источника тока и плазмотрона. Элементы плазмотрона легко заменяются силами эксплуатанта. При замене же каких-либо оптических деталей лазерной головки требуется сложная регулировка квалифицированным персоналом.

От чистоты поверхности металла напрямую зависит срок службы лазерной головки, напротив, при плазменной резке на поверхности допускается как ржавчина, так и масляный налет.

Стоимость эксплуатации одного и того же оборудования на различных производствах может отличаться в несколько раз. На это влияет толщина основного обрабатываемого металла, время непрерывной работы, качество и своевременность технического обслуживания, правильная подготовка рабочих газов.

 

Выводы

Обобщая вышесказанное, можно выделить несколько основных моментов, которые можно рекомендовать при выборе между лазерной или плазменной резкой.

• На малых толщинах металла (до 5..6 мм) лазер малой мощности и плазма начальных уровней обладают примерно одинаковой производительностью и качеством резки (не принимая во внимание ограничения по минимальному диаметру отверстий и прорезке внутренних углов на плазме). Увеличение мощности лазера и, соответственно, увеличение скорости резки (производительности) влечет за собой большое увеличение стоимости лазерной установки.
• При толщине металла более 6 мм производительность плазменного раскроя резко возрастает при меньших энергозатратах. При этом несколько ухудшается качество отверстий диаметрами, близкими к толщине металла.
• Лазерная установка будет незаменима при резке очень маленьких и точных деталей, при резке неметаллических материалов (фанеры, пластиков).
• При больших партиях деталей из тонколистовой стали с большим количеством малых отверстий, а особенно, когда эти отверстия (малые пазы) в конечном итоге ничем не закрываются и находятся на лицевой поверхности изделия, целесообразно применять лазерную резку (см. фото)
• Если отверстия в деталях являются проходными (под крепежные изделия), а кромки в результате сгибов, сварки, и др. в собранном изделии не видны (например, электрический шкаф, металлическая дверь), то использование плазменной резки в случаях с малым количеством отверстий экономически более эффективно. При этом надо учитывать повышенный износ расходных элементов, при выполнении большого числа отверстий на плазменной установке. Но в рамках объема работы, который можно выполнить одним комплектом расходных материалов, их стоимость сравнительно невысока
• Конечные детали под сварку (фланцевые опоры столбов, детали металлоконструкций, и др.) из металла толщиной 4 мм и более (см. фото), где нет повышенных требований к кромке реза, с максимальной скоростью можно изготавливать на плазменных станках с минимальными затратами
• Лазерная резка, обладая много меньшим диаметром пучка, оказывает меньшее термическое влияние на кромку реза, а в небольших деталях – и на всю деталь в целом. При плазменной резке на мелких деталях, в которых ширина перемычек менее 3..4 толщин металла, возможны изгибающие деформации.
• Установка плазменной резки с достаточно мощным источником тока является более универсальным инструментом в рамках металлообрабатывающего производства широкого профиля, т. к. с одинаковым успехом можно резать как оцинкованные листы толщиной 0.5 мм при изготовлении вентиляции, так и косынки ферм толщиной 30 мм.

Для правильного выбора в пользу той или иной установки необходим глубокий анализ задач и возможностей конкретного производства. Необходимо изучить возможность внедрения установки в существующие технологические процессы или перестраивать эти процессы, обеспечивая наиболее оптимальное и эффективное использование лазерной или плазменной резки.

Конусность реза при лазерном раскрое — Лазерные технологии

Malinovsky D, ваша формула плод больного формального математического разума, не стоит ей пользоваться.

 

 

про конусность: диапазон нормальной ширины реза сверху/снизу «по умолчанию» 0.4/0.5 -0.5/0.7

на это и стоит ориентироваться. Форма реза зависит от большого числа не нужных пользователю параметров, помимо всего прочего, может меняться от направления реза и положения детали на координатном столе, не говоря уже о таких мелочах, как лист говностали ст3. Резка отверстий это отдельная песня.

Можно получить и меньший перепада, но это ловкость рук и хорошая машина.

Пройдите по лазерным участкам и объясните свои пожелания, здесь это гадание по фотографии.

Если буду предлагать резать из их металла — соглашайтесь обычно они знают какой металл лучше режется, и покупают его. Ваши желания достижимы, но при заказе «по умолчанию» вы их не получите.

 

идея фрезеровки черной детали после лазерной резки несколько порочна.

на поверхности любой даже не калящейся черной железяки образуется тонкий слой очень твердого белого бесструктурного мартенсита. Сверху около 10-20мкм снизу до 50 и больше. Если фрезеровать спутно то фреза сядет очень быстро так как РК будет все время пробивать сверхтвердый хрупкий слой мартенсита лежащий на мягком основании. Ситуация несколько веселее при противопутном способе, тогда РК заходит на твердый слой снизу и скалывает его.

В сталях со значимым содержанием углерода будет еще закаленный слой химически не измененного материала.

 

Для советчиков. При резке черной стали с кислородом (вы ведь не собираетесь 10 мм с азотом или воздухом резать, ПРАВДА?) ФОКУС находится НА поверхности или на 1 мм ВЫШЕ, и это так для любой толщины больше 8мм. Объяснять «почему» мне искренне лениво.

Прежде чем еще раз что-то писать, тем более советовать, про резку, рекомендую хоть что-то прочитать на тему, ну и цифирки в калькулятор по подставлять было бы тоже не плохо.

Выбор параметров лазера для качественной резки / Юнимаш

Оригинал статьи вы можете найти на сайте ntoire-polus.ru

Скорость резки металла определяет производительность лазерных технологических установок, при этом существенным параметром является величина шероховатости боковой стенки реза R_z. Лазерная резка позволяет получать готовые детали без последующей финишной обработки, и альбом технологий промышленных лазерных станков на основе СО2-лазеров содержит условия качественной резки для широкого набора материалов. Для технологических волоконных лазеров подобный альбом пока только формируется, и технологи производств сталкиваются с проблемами выбора параметров волоконных лазеров, наиболее подходящих для задач конкретного производства.

В литературе подробно рассматривались различные факторы, которые могут оказать влияние на качество газолазерного реза и на глубину проплавления металла при лазерной сварке. К ним относят (см. обзор [1]): микронеустойчивости (термокапиллярную, Рэлей-Тейлоровскую, капиллярно-испарительную, капиллярно-ветровую), образование «ступеньки» на фронте проплава и реза, неустойчивость пленочного погранслойного течения расплава и др. Отметим, что многие авторы считают нужным упомянуть о большой сложности процессов внутри лазерного реза и о возникающих из-за этого затруднениях при попытках однозначно интерпретировать экспериментальные результаты.

На рис.1 показана боковая поверхность реза малоуглеродистой стали толщиной 5 мм, выполненного с помощью волоконного лазера ЛС-3.5 производства НТО «ИРЭ-Полюс». Лазер снабжен транспортным волокном с диаметром сердцевины 100 мкм и характеризуется параметром качества выходного пучка M₂ = 13,5. Рез получен с использованием оптической головки фирмы OPTOSKAND. В данной головке установлена коллимирующая линза с f_c = 120 мм и фокусирующая линза с f_f = 200 мм. Соответствующее фокальное пятно имело диаметр d = 190 мкм, глубина фокуса Z_R = 2 мм. Мощность лазера составляла 3,5 кВт, режущим газом являлся воздух. Резка производилась на скорости 3 м/мин.

Рис. 1 — Боковая поверхность реза малоуглеродистой стали

Стрелкой отмечена глубина, ниже которой характер реза существенно изменялся. Подобные картины резов наблюдаются и при использовании СО₂-лазеров.

Можно предположить, что на соответствующей глубине прекращается эффективное канализирование пучка лазера внутри реза, пучок рассеивается на большие углы и поглощается боковыми стенками. Материал ниже стрелки прогревается и плавится не за счет прямого воздействия лазерного излучения, а в основном за счет раскаленной газовой струи и теплопроводности металла. Рассеяние может происходить на сравнимых с длиной волны лазера неоднородностях, возникающих из-за упомянутых выше микронеустойчивостей, которые имеют весьма большие инкременты развития.

Поскольку лазерные пучки, в том числе и многомодовые, всегда частично когерентны, старт к развитию неоднородностей может дать интерференция между центральной частью пучка и его периферией, отражающейся от стенок реза. Интерференция вызывает пространственную модуляцию интенсивности излучения внутри реза и соответствующую неоднородность воздействия излучения на материал.

Рис. 2 — Продольное сечение осесимметричного лазерного пучка

Рассмотрим данную интерференцию в простой модели. Используем принятое обобщенное описание лазерных пучков.

На рис. 2 приведено продольное сечение осесимметричного лазерного пучка, распространяющегося вдоль оси z и имеющего перетяжку в точке z=0. Границей лазерного пучка (по уровню интенсивности 1/e²) является гиперболоид вращения, угол θ определяет расходимость пучка в дальней зоне. Зависимости радиуса лазерного пучка w и радиуса кривизны его волнового фронта R от z описываются следующими формулами:

(1)

(2)

Здесь λ — длина волны излучения, безразмерный параметр M² ≥ 1 характеризует отклонение лазерного пучка от идеального гауссова (для последнего M²=1) и определяет «фокусируемость» лазерного луча, то есть радиус w₀ в перетяжке (точном фокусе объектива) в соответствии с формулой

(3)

Глубину фокуса или, как его часто называют, длину перетяжки, то есть длину, на которой диаметр пучка меняется в √2 раз, удобно характеризовать так называемой рэлеевской длиной z_R (см. рис. 2):

(4)

Длина перетяжки равна удвоенной величине z_R. На рис.3 схематично представлено распространение лазерного пучка внутри реза. Максимальная толщина металла, для которой возможен «чистый» рез, обозначена как x₀. Перетяжка режущего излучения расположена на поверхности материала.

В результате эксперимента хорошо известно, что ширина реза в таком случае примерно совпадает с диаметром перетяжки. Распространение луча обозначено «отражением» гиперболических асимптот от боковых стенок реза.

kλ — разность хода между периферической и центральной частями луча (достигаемая на выходе реза), при которой возникающие из-за интерференции неоднородности еще не приводят к рассеянию на большие углы и возможен «чистый» рез материала толщиной x₀.

Поскольку kλ = x₀Θ², из формул (3), (4) легко получить следующее выражение:

(5)

Таким образом, в предположении интерференционной природы эффектов, приводящих к ограничению глубины проникновения излучения внутрь реза, предельная глубина «чистого» реза пропорциональна глубине фокуса и обратно пропорциональна параметру M², определяющему исходное качество лазерного пучка.

Входящий в формулу безразмерный коэффициент k попытаемся определить из известных экспериментальных данных.

Из альбома технологий для комплекса «Трумпф» на основе СО₂-лазера (λ = 10,6 мкм) с мощностью 3,2 кВт, имеющего на выходе пучок, близкий к идеальному гауссову пучку (M² = 1,1) с диаметром на фокусирующей линзе 20 мм, при фокусном расстоянии линзы f = 180 мм максимальная толщина малоуглеродистой стали, для которой возможен чистый кислородный рез с одинаковым Rz по всей боковой поверхности, составляет 15 мм. Для этих параметров в фокусе линзы имеем: Ф = 0,056 рад, w₀ = 0,067 мм, z_R = 1,2 мм. Тогда из выражения (5) получаем k ~ 4,4.

Рис. 3 — Распространение лазерного пучка внутри реза

Для упомянутого выше волоконного лазера ЛС-3.5 с оптической головкой, имеющей фокусные расстояния коллиматора и объектива соответственно f_c = 120 мм и f_f = 200 мм, при которых параметры в фокусе составляют: Ф = 0,048 рад, w₀ = 0,096 мм, z_R = 2 мм,— одинаковое по всей высоте значение R_z, соответствующее «чистому» резу, получено для малоуглеродистой стали толщиной до 3 мм. Подставляя эти значения в (5), получаем k ~ 6,5.

Хотя формула (5) носит оценочный характер и не учитывает ряд эффектов, связанных с формированием газовой струи и положением перетяжки относительно поверхности материала, значения коэффициента k, полученные для разных типов лазеров и различающихся в 5 раз толщин обрабатываемого материала, оказались близкими (если взять среднее значение, то отклонение в пределах ±20%).

В целом справедливость выражения (5) подтверждена в известных нам экспериментах на действующих установках с волоконными лазерами в Нижнем Новгороде (2 кВт) и Дубне (1 кВт), где используются лазеры с транспортным волокном 50 мкм (соответствующее значение М² = 6,5).

Как видно из соотношения (5), при заданной ширине реза, определяемой размером пучка в перетяжке 2w₀, глубина фокуса, а следовательно и глубина «чистого» реза обратно пропорциональна длине волны излучения λ, то есть при прочих равных условиях лазер с меньшей длиной волны должен обеспечивать большую глубину «чистого» реза. Но еще сильнее, чем от длины волны, глубина «чистого» реза зависит от оптического качества пучка M² — при фиксированной ширине реза зависимость обратная квадратичная. С этим связано полученное нами в экспериментах с волоконным лазером существенно меньшее значение «чистого» реза по сравнению с аналогичными данными для одномодового СО₂-лазера той же мощности. Для увеличения толщин обрабатываемых материалов необходимо повышать качество лазерных пучков. Так, при использовании волоконного лазера с транспортным волокном с диаметром жилы 50 мкм (M² = 6,5) вместо 100 мкм (M² = 13,5) при том же диаметре перетяжки около 0,2 мм максимальная толщина «чистого» реза составит 13 мм. Еще более эффективны в этом отношении одномодовые волоконные лазеры. Правда, в настоящее время коммерчески доступны одномодовые волоконные лазеры с выходной мощностью менее 1 кВт.

Для технологов, применяющих волоконные лазеры, приведем дополнительное полезное соотношение.

Рис. 4 — Схематичное изображение оптической головки волоконного лазера

На рис. 4 схематически изображена оптическая головка волоконного лазера. На выходе из оптического многомодового транспортного волокна лазерный луч расходится с углом раствора 2α, который для иттербиевых лазеров и волокон с диаметрами 50–300 мкм составляет ~ 0,16 рад. Далее луч преобразуется в плоскопараллельный пучок коллимирующим блоком линз с фокусным расстоянием f_c и фокусируется на материал объективом с фокусным f_f. Из формул (3)-(5) легко получить следующее выражение для максимальной глубины чистого реза:

(6)

То есть глубина чистого реза определяется только квадратом отношения фокусов линз в оптической головке и не зависит от диаметра используемого транспортного волокна. Размерный коэффициент перед скобками составляет ~ 1 мм. Отметим, что для одномодового лазера и одномодового транспортного волокна 2α=0,1 рад и данный коэффициент ~ 3 мм.

По результатам наших экспериментов можно сделать предварительный вывод об обратной пропорциональности скорости качественного реза толщине материала при прочих равных условиях (при заданных мощности лазера, диаметре транспортного волокна и характеристиках оптической головки).

С другой стороны, скорость реза прямо пропорциональна плотности мощности излучения на материале, то есть при равных характеристиках оптической головки обратно пропорциональна квадрату диаметра транспортного волокна.

Выполненная работа дает расчетную основу для выбора типа и параметров волоконных лазеров, исходя из конкретных условий их применения в технологических системах.

• «Анализ моделей динамики глубокого проникновения лазерного излучения в материалы» (Часть 1. Нестационарная гидродинамика в процессах взаимодействия лазерного излучения с веществом. Часть 2. О механизмах удаления расплава при газолазерной резке материалов), проф. В.С. Голубев, — Сборник трудов ИПЛИТ РАН, 2004.

А.П. Стрельцов, В.Н. Петровский
Лазерный центр МИФИ
19.03.2007

Чем отличается лазерная резка от плазменной? Что лучше для каких задач?

Два самых современных способа раскроить листовой металл для производства — лазер и плазма. И тот, и другой заставляют вспомнить о фантастических фильмах. Лазерные мечи, плазменные пушки… К счастью, обе эти разрушительные силы используются сейчас в исключительно мирных производственных целях.

• Лазер — сверхмощный луч света.
• Плазма — ионизованный газ. Четвертое агрегатное состояние материи — наравне с твердым, жидким и газообразным. Фактически — газ, который раскален настолько, что приобретает совершенно иные свойства.

И то, и другое используется для раскроя металла потому, что способно точечно разогревать его до крайне высоких температур. Расплавленный металл при этом выдувается из образующегося отверстия — в лазерных станках специальной струей сжатого газа, а в плазменном — самой плазменной струей. Луч или плазменная дуга движутся, разрезая металл на развертки и вырезая в них отверстия, заложенные в программу.

Здесь мы разберемся, чем отличается лазерная резка от плазменной для производственника. Какая разница между отверстиями от лазера и плазмы, для какого металла лучше использовать эти виды раскроя.

Лазерная резка — точность и чистота на тонколистовых деталях

• Лазер наводится точнее плазмы. Плазменная дуга нестабильна. Конечно, при правильной настройке она не начнет скакать по всему листу металла. Но плазма постоянно колеблется, делая углы и вырезы менее четкими. Для небольших деталей, особенно сложной формы, это критично. Лазер же режет металл четко там, куда его направили, и не двигается. Это принципиально для деталей, на которых требуется высокое качество и точное соответствие проекту.
• Лазер может делать более узкие прорези, чем плазма. Четкие отверстия при плазменной резке должны иметь диаметр в полтора раза больше толщины металла — и никак не меньше 4 мм. Лазер делает отверстия с диаметром, равным толщине металла — от 1 мм. Это расширяет ваши возможности при проектировании деталей и корпусов, развертки для которых режутся лазером.
• При лазерной резке тепловые деформации минимальны. Теоретически перегреть деталь можно даже лазером — если написать специальную издевательскую программу резки. Например, лазером не вырезают совсем мелкие и частые отверстия для вентиляции — от этого может произойти перегрев металла. Для лазерного раскроя вентиляционные отверстия делают более крупными и менее частым. В остальных случаях деформации от лазера не будут заметны. Плазма этим похвастаться не может — нагреваемая зона там шире и деформации более выражены. По этому показателю лазер снова дает более качественный результат, чем плазма.
• Лазер не оставляет окалины на тонколистовом металле. Значит, после лазерной резке развертки отправляются не на зачистку, а сразу на гибку. Это экономия рабочих часов на производстве деталей — а значит, и экономия денег заказчика в итоге.
• У отверстий, вырезанных лазером, более перпендикулярные кромки. Конусность отверстий — серьезная проблема плазменных станков. У лазерных станков при толщине металла до 4 миллиметров стенки будут оставаться перпендикулярными, а при толщине выше 4 миллиметров — получат легкий скос в районе 0,5 градуса, нижние отверстия будут получаться чуть больше по диаметру, чем верхние. При этом, однако, искажения их формы не будет, и верхние, и нижние отверстия останутся строго круглыми — а отверстия от плазмы при увеличении толщины металла начинают стремиться к эллиптической форме.
• У станков лазерной резки высокая скорость работы — но она высокая и у плазменных станков. Здесь оба метода хороши. И оба теряют скорость при увеличении толщины металла.
• Лазер неэффективен для металла средней и высокой толщины. Это главный его недостаток по сравнению с плазменной технологией. На толщинах от 20 до 40 миллиметров его применяют уже намного реже, а свыше 40 миллиметров — вообще практически не используют.

Плазменная резка — ниже качество, больше свободы по толщине

• Большая свобода по толщине металла для резки — главное преимущество плазмы по сравнению с лазером. Плазменную резку уместно использовать для:
  • стали толщиной до 150 миллиметров;
  • чугуна толщиной до 90 миллиметров;
  • алюминия толщиной до 120 миллиметров;
  • меди толщиной до 80 миллиметров.
• Высокая скорость работы — как уже было сказано, это общий плюс для обоих видов.
• Конусные отверстия. Это обязательно нужно учитывать при выборе плазменной резки. И если такая неаккуратность отверстий недопустима для конкретного заказа — лучше разрезать его лазером. Стенки отверстия при плазменной резке отклоняются от вертикали на 3–10 градусов. У лазера, напомню — 0,5 градуса. В отличие от лазера, плазма делает нижнее отверстие более узким, чем верхнее. Если толщина металла около 20 миллиметров, то разница между верхним и нижним диаметрами реза может превышать 1 миллиметр.
• Меньшая точность, более широкие минимальные прорези относительно толщины металла, увеличенные тепловые деформации — противоположность всего того, в чем лазер хорош.
• Часто формируется окалина. Стоит сказать, что окалина от плазменной резки снимается с металла достаточно легко — однако ее все‑таки придется снимать, а это расход человеко‑часов и соответствующее увеличение себестоимости производства.
• Стоимость плазменной резки быстро увеличивается с увеличением количества отверстий на одну деталь. Это связано с тем, что расходные элементы плазменных установок служат определенное количество циклов «включение‑выключение». Наличие в развертке окон увеличивает износ расходников — и это приходится учитывать в себестоимости резки. Расходники лазерных станков меньше зависят от циклов «включение‑выключение» — соответственно, прорезание в развертке окон меньше влияет на стоимость часа работы.

Сводная таблица — сравнение резки металла лазером и плазмой

	Лазерная резка	Плазменная резка
Ширина реза	Постоянная — от 0,2 до 0,375 миллиметра	Непостоянная из‑за нестабильности дуги — от 0,8 до 1,5 миллиметра
Точность резки	±0,05 миллиметра	От ±0,1 до ±0,5 миллиметра в зависимости от изношенности расходников
Конусность	Менее 1 градуса	От 3 до 10 градусов
Минимальные отверстия	Диаметр примерно равен толщине металла	Диаметр примерно в 1,5 раза превышает толщину металла и не должен быть меньше 4 миллиметров.
Внутренние углы	Точные	Немного скругленные
Окалина	Почти не встречается	Легкая, но присутствует почти всегда
Прижоги	Незаметны	Заметны на наружных кромках
Тепловое воздействие	Незначительное	Увеличенное по сравнению с лазером

Резюме: для каких задач лучше лазер, а для каких — плазма

Оба конкурирующих вида резки — достойные и нужные. Нельзя сказать, что один из них универсально лучше другого. Каждый из них выгодно подходит для своих задач — нужно понимать различия и использовать каждый по назначению, чтобы не терять качество деталей и не переплачивать за них.

• Лазерная резка однозначно лидирует в работе с тонколистовым металлом. Особенно с деталями, для которых требуется точное соответствие проекту, и с деталями сложной формы. Использование лазерной резки для металла толщиной выше 20 миллиметров может быть экономически необоснованным. Для металла толщиной выше 40 миллиметров — необоснованно практически всегда.
• Плазменная резка имеет меньшую точность и меньшее качество реза — и либо не должна использоваться для деталей, требующих точного соответствия проекту, либо должна использоваться с дополнительной обработкой. Однако она экономически эффективна при работе с листовым металлом до 150 миллиметров.

Теперь вы можете выбрать подходящий для вас вид резки. Если для ваших деталей требуется лазерная резка — давайте продолжим разговор предметно и рассчитаем стоимость выполнения вашего заказа на производстве «Металл-Кейс».