Плазменная резка

В процессе резки происходит разделение исходного материала (например, стального листа)
на части или получение из него деталей определенной формы. Способы обработки материалов
подразделяются на две основные группы:

с механическим воздействием – разрезание ножницами, распиливание, сверление,
фрезерование, штамповка и др.;

с воздействием струи или термическим воздействием.
Способы резки, относящиеся ко второй группе, можно разделить на следующие виды:
1.
Газовая резка
o
кислородная;
o
кислородно-флюсовая;
o
резка кислородным копьем
2.
Газоэлектрическая резка
o
воздушно-дуговая;
o
кислородно-дуговая
3.
Резка методом электрической эрозии
4.
Плазменная резка
o
плазменно-дуговая;
o
резка плазменной струей
5.
Лазерная или газолазерная резка
6.
Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом
7.
Гидро- и гидроабразивная резка
8.
Криогенная резка
Первые шесть видов также называют термическими способами резки.
В способах газовой резки источником нагрева металла является газовое (кислородное)
пламя, а источники электрической энергии не используются. При кислородной резке металл
удаляется из зоны реза в результате его сгорания в струе чистого кислорода и выдувания этой
струей образовавшихся оксидов.
При кислородно-флюсовой резке в область реза подается специальный порошок-флюс,
облегчающий процесс резки за счет термического, химического и абразивного воздействия. При
кислородно-копьевой резке необходимая температура создается в результате сгорания
металлического копья (трубы), через которое продувается струя кислорода.
В способах газоэлектрической резки нагрев и плавление металла выполняются
источником электрической энергии, а удаление расплава из зоны реза – газовой струей.
Технология обработки методом электрической эрозии основана на разрушении
поверхностных слоев металла в результате внешнего воздействия электрических зарядов.
При плазменно-дуговой резке электропроводный материал плавится за счет теплоты
плазменной дуги и струи, и выносится последней из области реза. При резке плазменной струей
дуга имеет косвенное действие, и материал может быть неэлектропроводным. Его плавление и
удаление расплава из зоны реза осуществляется высокоскоростной плазменной струей.
Газолазерная резка заключается в нагреве и разрушении материала лазерным лучом с
удалением расплава струей вспомогательного газа. Для ряда материалов в качестве
вспомогательного газа применяется кислород, поддерживающий горение материала. В результате
реакции окисления выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного луча.
Лазерный луч может использоваться только для нагрева участка поверхности металла до
температуры примерно 1000°С, при которой начинается процесс окисления металла, а затем на
участок поверхности подается сверхзвуковая струя чистого кислорода. Такой способ получил
название кислородной резки с поддержкой лазерным лучом (LASOX).
При гидрорезке (водоструйной резке) разрушение материала происходит под действием
тонкой высокоскоростной струи воды. Ее скорость может превышать скорость звука в разы. При
гидроабразивной резке в струю воды добавляются частицы абразива (высокотвердого материала,
применяющегося для обработки изделий), что увеличивает ее разрушительную силу.
Одной из весьма перспективных технологий обработки материалов в будущем считается
криогенная резка. Струя жидкого азота («криогенный нож») с температурой от -150°С до -179°С,
испускаемая под давлением от сотен до тысяч атмосфер, способна разрезать даже прочные
материалы.
Каждая технология резки имеет свои преимущества, недостатки и оптимальную область
применения.
Таблица. Сравнительная характеристика кислородной, плазменной, лазерной и
гидроабразивной резки
Вид резки
Параметр
гидроабракислородная
плазменная
лазерная
зивная
металлы и их
сплавы, кроме
нержавеющей
стали, алюминия,
Типичная
меди, латуни;
область
бетон и
применения
железобетон,
цветные металлы
(кислороднофлюсовая резка)
металлы и другие
электропроводные
материалы
(плазменно-дуговая
резка); различные
неэлектропроводные
материалы (резка
плазменной струей)
почти любые
материалы
почти любые
материалы
Характерная
толщина
металла (мм)
до 1500–2000 и
больше
до 100–150
обычно до 50–100
до 40
обычно до 6–20
до 300
Типичная
ширина реза
(мм)
до 10
2–7
0,1–1
от 0,5–1
Качество
низкое
среднее
высокое
очень
высокое
очень высокая
предварительный
скорость при
быстрый прожиг;
очень
подогрев;
малых
очень высокая
медленная
Производимедленная
толщинах обычно
скорость при малых
скорость с
тельность
скорость с
с заметным
и средних толщинах
постепенным
резки металла постепенным
снижением при
обычно с резким
снижением
(без пакетной снижением на
увеличении
снижением при
на средних и
резки)
средних и
толщины,
увеличении
больших
больших
продолжительный
толщины
толщинах
толщинах
прожиг больших
толщин
Зона
термического
влияния
большая
большая
средняя
минимальная
Стоимость
оборудования
низкая
средняя
высокая
высокая
Стоимость
обслуживания
низкая
высокая
высокая
высокая
Плазменная резка
Плазменная резка заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты,
генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей.
Общепринятые обозначения
PAC – Plasma Arc Cutting – резка плазменной дугой
Технология плазменной резки
Плазма представляет собой ионизированный газ с высокой температурой, способный
проводить электрический ток. Плазменная дуга получается из обычной в специальном устройстве
– плазмотроне – в результате ее сжатия и вдувания в нее плазмообразующего газа. Различают две
схемы:

плазменно-дуговая резка и

резка плазменной струей.
Рисунок. Схемы плазменной резки
При плазменно-дуговой резке дуга горит между неплавящимся электродом и разрезаемым
металлом (дуга прямого действия). Столб дуги совмещен с высокоскоростной плазменной струей,
которая образуется из поступающего газа за счет его нагрева и ионизации под действием
дуги. Для разрезания используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги, плазмы столба
и вытекающего из него факела.
При резке плазменной струей дуга горит между электродом и формирующим
наконечником плазмотрона, а обрабатываемый объект не включен в электрическую цепь (дуга
косвенного действия). Часть плазмы столба дуги выносится из плазмотрона в виде
высокоскоростной плазменной струи, энергия которой и используется для разрезания.
Плазменно-дуговая резка более эффективна и широко применяется для обработки
металлов. Резка плазменной струей используется реже и преимущественно для обработки
неметаллических материалов, поскольку они не обязательно должны быть электропроводными.
Более подробная схема плазмотрона для плазменно-дуговой резки приведена на рисунке
ниже.
В корпусе плазмотрона находится цилиндрическая дуговая камера небольшого диаметра с
выходным каналом, формирующим сжатую плазменную дугу. Электрод обычно расположен в
тыльной стороне дуговой камеры. Непосредственное возбуждение плазмогенерирующей дуги
между электродом и разрезаемым металлом, как правило, затруднительно. Поэтому вначале
между электродом и наконечником плазмотрона зажигается дежурная дуга. Затем она выдувается
из сопла, и при касании изделия ее факелом возникает рабочая режущая дуга, а дежурная дуга
отключается.
Столб дуги заполняет формирующий канал. В дуговую камеру подается
плазмообразующий газ. Он нагревается дугой, ионизируется и за счет теплового расширения
увеличивается в объеме в 50–100 раз, что заставляет его истекать из сопла плазмотрона со
скоростью до 2–3 км/c и больше. Температура в плазменной дуге может достигать 25000–30000°С.
Электроды для плазменной резки изготавливают из меди, гафния, вольфрама
(активированного иттрием, лантаном или торием) и других материалов.
Фото. Плазменная резка металла
Фото. Сопла (в разрезе) для плазменной резки – медное (слева) и медное с вольфрамовой
вставкой компании Thermacut (справа)
Скорость потока плазмы, удаляющего расплавленный металл, возрастает с увеличением
расхода плазмообразующего газа и силы тока и уменьшается с увеличением диаметра сопла
плазмотрона. Она может достигать около 800 м/с при силе тока 250А.
Плазмообразующие газы
Технологические возможности процесса плазменной резки металла (скорость, качество и
др.), а также характеристики основных узлов плазмотронов определяются прежде всего
плазмообразующей средой. Влияние состава плазмообразующей среды на процесс резки:

за счет изменения состава среды возможно регулирование в широких пределах
количества тепловой энергии, выделяющейся в дуге, поскольку при определенной геометрии
сопла и данном токе состав среды задает напряженность поля столба дуги внутри и вне сопла;

состав плазмообразующей среды оказывает наибольшее влияние на максимально
допустимое значение отношения тока к диаметру сопла, что позволяет регулировать плотность
тока в дуге, величину теплового потока в полости реза и, таким образом, определять ширину реза
и скорость резки;

от состава плазмообразующей смеси зависит ее теплопроводность, определяющая
эффективность передачи разрезаемому листу тепловой энергии, выделенной в дуге;

в ряде случаев весьма значительной оказывается добавка тепловой энергии,
выделившейся в результате химического взаимодействия плазмообразующей среды с разрезаемым
металлом (она может быть соизмерима с электрической мощностью дуги);

плазмообразующая среда при взаимодействии с выплавляемым металлом дает
возможность изменять его вязкость, химический состав, величину поверхностного напряжения;

подбирая состав плазмообразующей среды, можно создавать наилучшие условия для
удаления расплавленного металла из полости реза, а также предотвратить образование подплывов
на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко удаляемыми;

от состава среды зависит характер физико-химических процессов на стенках реза и
глубина газонасыщенного слоя, поэтому для определенных металлов и сплавов некоторые
плазмообразующие смеси недопустимы (например, содержащие водород и азот в случае резки
титана); диапазон допустимых смесей также сужается с увеличением толщины разрезаемых
листов и теплопроводности материала.
От состава плазмообразующей среды зависят и характеристики оборудования:

материал катода и конструкция катодного узла (способ крепления катода в
плазмотроне и интенсивность его охлаждения);

конструкция системы охлаждения сопел;

мощность источника питания, а также форма его внешних статических
характеристик и динамические свойства;

схема управления оборудованием, поскольку состав и расход плазмообразующего
газа полностью определяют циклограмму формирования рабочей дуги.
При выборе плазмообразующей среды также важно учитывать себестоимость процесса и
дефицитность используемых материалов.
Резка с применением воздуха в качестве плазмообразующей среды называется воздушноплазменной резкой.
Техника плазменной резки металла
Плазменная резка экономически целесообразна для обработки:

алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм;

меди толщиной до 80 мм;

легированных и углеродистых сталей толщиной до 50 мм;

чугуна толщиной до 90 мм.
Для получения чистого разреза (практически без окалины и деформаций разрезаемого
металла) важно правильно подобрать скорость резки и силу тока. Для этого можно выполнить
несколько пробных разрезов на более высоком токе, уменьшая его при необходимости в
зависимости от скорости движения. При более высоком токе или малой скорости резки
происходит перегрев разрезаемого металла, что может привести к образованию окалины.
Плазменная резка алюминия и его сплавов толщиной 5–20 мм обычно выполняется в
азоте, толщиной от 20 до 100 мм – в азотно-водородных смесях (65–68% азота и 32–35%
водорода), толщиной свыше 100 мм – в аргоно-водородных смесях (35–50% водорода) и с
применением плазматронов с дополнительной стабилизацией дуги сжатым воздухом. При ручной
резке в аргоно-водородной смеси для обеспечения стабильного горения дуги содержание водорода
должно быть не более 20%.
Воздушно-плазменная резка алюминия, как правило, используется в качестве
разделительной при заготовке деталей для их последующей механической обработки. Хорошее
качество реза обычно достигается лишь для толщин до 30 мм при силе тока 200 А.
Плазменная резка меди может осуществляться в азоте (при толщине 5–15 мм), сжатом
воздухе (при малых и средних толщинах), аргоно-водородной смеси. Поскольку медь обладает
высокой теплопроводностью и теплоемкостью, для ее обработки требуется более мощная дуга,
чем для разрезания сталей. При воздушно-плазменной резке меди на кромках образуются легко
удаляемые излишки металла (грат). Резка латуни происходит с большей скоростью (на 20–25%), с
использованием таких же плазмообразующих газов, что и для меди.
Плазменная резка высоколегированных сталей эффективна только для толщин до 100
мм (для больших толщин используется кислородно-флюсовая резка). При толщине до 50–60 мм
могут применяться воздушно-плазменная резка и ручная резка в азоте, при толщинах свыше 50–60
мм – азотно-кислородные смеси.
Резка нержавеющих сталей толщиной до 20 мм может быть выполнена в азоте, толщиной
20–50 мм – в азотно-водородной смеси (50 % азота и 50 % водорода). Также возможно
использование сжатого воздуха.
Плазменная резка низкоуглеродистых сталей наиболее эффективна в сжатом воздухе
(особенно для толщин до 40 мм). При толщинах свыше 20 мм разрезание может осуществляться в
азоте и азотно-водородных смесях.
Для резки углеродистых сталей используют сжатый воздух (как правило, при толщинах
до 40–50 мм), кислород и азотно-кислородные смеси.
Таблица. Ориентировочные режимы воздушно-плазменной резки металла
Параметры режима
Средняя
Разрезаемый
Диаметр Сила
Расход Скорость
материал Толщина сопла тока Напряже- воздуха резки ширина
(мм)
ние (В)
реза
(мм)
(А)
(л/мин) (м/мин)
(мм)
5–15
2
120–
200
170–180
70
2–1
3
30–50
3
280–
300
170–190
40–50
1,2–0,6
7
3
3
1,5
3,5
0,7
4
0,5
4,5
Алюминий
10
Медь
20
30
40
3
300
160–180
40–60
50
60
Сталь
12Х18Н10Т
3,5
400
3
250–
300
5–15
10–30
140–160
160–180
40–60
0,3
5,5
0,4
6,5
5,5–2,6
3
2,2–1
4
31–50
170–190
1–0,3
5
Преимущества плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки

значительно выше скорость резки металла малой и средней толщины;

универсальность применения – плазменная резка используется для обработки
сталей, алюминия и его сплавов, меди и сплавов, чугуна и др. материалов;

точные и высококачественные резы, при этом в большинстве случаев исключается
или заметно сокращается последующая механическая обработка;

экономичность воздушно-плазменной резки – нет потребности в дорогостоящих
газах (ацетилене, кислороде, пропан-бутане);

возможность вырезать детали сложной формы;

очень короткое время прожига (при кислородной резке требуется продолжительный
предварительный прогрев);

более безопасная, поскольку отсутствуют взрывоопасные баллоны с газом;

низкий уровень загрязнения окружающей среды.
Рисунок. Скорость воздушно-плазменной резки
углеродистой стали в зависимости от ее толщины и
мощности дуги.
Недостатки плазменной резки по сравнению с
газовыми способами резки:

максимальная толщина реза обычно
составляет 80–100 мм (кислородной резкой можно
обрабатывать чугун и некоторые стали толщиной до 500
мм);

более дорогое и сложное оборудование;

повышенные требования к техническому
обслуживанию;

угол отклонения от перпендикулярности
реза не должен превышать 10–50º в зависимости от
толщины детали (в противном случае существенно
расширяется рез, что приводит к быстрому износу
расходных материалов);

практически отсутствует возможность
использования двух ручных резаков, подключенных к
одному аппарату;

повышенный шум вследствие истечения газа
из плазматрона с околозвуковыми скоростями;

вредные азотсодержащие выделения (при
использовании азота) – для уменьшения разрезаемое
изделие погружают в воду.
Фото. Образцы, полученные в результате плазменной
резки – с высоким разрешением (сверху) и обычной (снизу).
У верхнего образца верхний угол острый, а верхний угол у
нижнего образца закруглен.
Кислородная резка
Кислородная резка заключается в сгорании разрезаемого металла в кислородной струе и
удалении этой струей образовавшихся оксидов.
Технология кислородной резки
Процесс кислородной резки представлен на рисунке ниже.
Рисунок. Кислородная
резка, схема процесса
Разрезаемый металл
предварительно нагревается
подогревающим пламенем
резака, которое образуется в
результате сгорания горючего
газа в смеси с кислородом. При
достижении температуры
воспламенения металла в
кислороде, на резаке
открывается вентиль чистого
кислорода (99–99,8%) и
начинается процесс резки.
Чистый кислород из центрального канала мундштука, предназначенный для окисления
разрезаемого металла и удаления оксидов, называют режущим в отличие от кислорода
подогревающего пламени, поступающего в смеси с горючим газом из боковых каналов
мундштука.
Струя режущего кислорода вытесняет в разрез расплавленные оксиды, которые, в свою
очередь, нагревают следующий слой металла, способствуя его интенсивному окислению и т. п. В
результате разрезаемый лист подвергается окислению по всей толщине, а расплавленные оксиды
удаляются из зоны резки под действием струи режущего кислорода.
Техника кислородной резки
Поверхность разрезаемого листа следует очистить от окалины, краски, масла, ржавчины и
грязи. Особое внимание уделяется очистке поверхности листа от окалины, поскольку она
препятствует контакту металла с пламенем и струей режущего кислорода. Для этого требуется
незначительный прогрев поверхности стали подогревающим пламенем резака, в результате
которого окалина отскакивает от поверхности. Прогрев следует выполнять узкой полосой по
линии предполагаемого реза, перемещая пламя со скоростью, приблизительно соответствующей
скорости резки.
Перед кислородной резкой металл нагревается с поверхности в начальной точке реза до
температуры его воспламенения в кислороде. После пуска струи режущего кислорода и начала
процесса окисления металла по толщине листа резак перемещают по линии реза.
Как правило, прямолинейная кислородная резка стальных листов толщиной до 50 мм
выполняется вначале с установкой режущего сопла мундштука в вертикальное положение, а затем
с наклоном в сторону, противоположную направлению резки (обычно на 20–30º). Наклон
режущего сопла мундштука в сторону ускоряет процесс окисления металла и увеличивает
скорость кислородной резки, а, следовательно, и ее производительность. При большей толщине
стального листа резак в начале резки наклоняют на 5º в сторону, обратную движению резки.
Лазерная резка
При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с
помощью лазерного луча.
Общепринятые обозначения
LBC – Laser Beam Cutting – резка лазерным лучом
Сущность процесса
В отличие от обычного светового луча для лазерного луча характерны такие свойства как
направленность, монохроматичность и когерентность.
За счет направленности энергия лазерного луча концентрируется на относительно
небольшом участке. Так, по своей направленности лазерный луч в тысячи раз превышает луч
прожектора.
Лазерный луч по сравнению с обычным светом является монохроматичным, т. е. обладает
фиксированной длиной волны и частотой. Это облегчает его фокусировку оптическими линзами.
Лазерный луч имеет высокую степень когерентности – согласованного протекания во
времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс,
усиливающий мощность излучения.
Благодаря перечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень
маленькую поверхность материала и создать на ней плотность энергии, достаточную для
нагревания и разрушения материала (например, порядка 108 Вт/см2 для плавления металла).
Технология лазерной резки металла
Воздействие лазерного излучения на металл при
разрезании характеризуется общими положениями,
связанными с поглощением и отражением излучения,
распространением поглощенной энергии по объему
материала за счет теплопроводности и др., а также рядом
специфических особенностей.
В области воздействия лазерного луча металл
нагревается до первой температуры разрушения – плавления.
С дальнейшим поглощением излучения происходит
расплавление металла, и фазовая граница плавления
перемещается в глубь материала. В то же время
энергетическое воздействие лазерного луча приводит к
дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения,
при которой металл начинает активно испаряться.
Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением.
Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно
тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях
существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и
скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления
продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород,
воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.
Рисунок. Схема лазерной резки
Например, кислород при газолазерной
резке выполняет тройную функцию:

вначале содействует
предварительному окислению металла и
снижает его способность отражать лазерное
излучение;

затем металл воспламеняется и
горит в струе кислорода, в результате
выделяется дополнительная теплота,
усиливающая действие лазерного излучения;

кислородная струя сдувает и
уносит из области резки расплавленный
металл и продукты его сгорания, обеспечивая
одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.
В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной
резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения
металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных
воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды.
Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.
При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий
металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким
тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с
кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые
стали, алюминий, медь и др.
Рисунок. Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки
Типы лазеров
Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:

источника энергии (механизма или системы накачки);

активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его
вынужденному излучению;

оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление
вынужденного излучения активного тела.
Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

твердотельные и

газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также
газодинамические.
Резка различных материалов
Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450–500 Вт и выше, для
цветных металлов – от 1кВт и выше.
Резку углеродистых сталей чаще всего выполняют с применением кислорода в качестве
вспомогательного газа. В результате взаимодействия кислорода с нагретым лучом металлом
протекает экзотермическая реакция окисления железа обычно с выделением в 3–5 больше тепла,
чем от самого лазерного излучения. Качество торцевой поверхности реза – высокое. На нижней
кромке реза характерно образование незначительного грата.
Наибольшую проблему представляет возможность перехода процесса резки, выполняемого
на очень малых скоростях (как правило, менее 0,5 м/мин), в неуправляемый автогенный режим,
при котором металл начинает разогреваться до температуры горения за пределами воздействия
луча, что приводит к повышению ширины реза и увеличению его шероховатости.
В ряде случаев, например, при вырезке деталей с острыми углами и отверстиями малого
диаметра, вместо кислорода предпочтительно использование инертного газа при высоком
давлении.
Лазерная резка нержавеющей стали, в особенности больших толщин, затруднена
процессом зашлаковывания реза из-за присутствия в металле легирующих элементов, влияющих
на температуру плавления металла и его оксидов. Так, возможно образование тугоплавких
оксидов, препятствующих подводу лазерного излучения к обрабатываемому материалу.
Усложняет процесс резки и низкая жидкотекучесть раплавленных оксидов, например,
свойственная для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей.
Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при
повышенном давлении (обычно до 20 атм). При резке нержавеющей стали большой толщины
требуется заглубление фокального пятна луча в разрезаемый металл. Как следствие, повышается
диаметр входного отверстия и возрастает подача газа внутрь металла в зону расплава.
Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более
высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:

низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному
излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем
твердотельные лазеры более предпочтительны;

высокой теплопроводностью этих материалов.
Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что
позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин – в микроплазменном
режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов – магния, цинка и др.
Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до
температуры плавления и плавящая его.
При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм.
Структура торцевой поверхности реза – пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке
реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.
При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с
легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество
торцевой поверхности реза ухудшается.
Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 5 кВт
Наименование
Толщина (мм)
Углеродистые и легированные
стали
до 40
Нержавеющая сталь
25
Медь
5
Латунь
12
Сплавы алюминия
12
С помощью углекислотных лазеров возможна обработка различных неметаллов – фанеры,
дерева, ДВП, ДСП, пластика, оргстекла, полиэфирного и акрилового стекла, ламината, линолеума,
резины, ткани, кожи, асбеста, картона и других.
При разрезании поролона следует соблюдать повышенные меры пожаробезопасности,
поскольку он может загореться. По причине загорания невозможна или очень затруднена резка
толстого пенокартона (при толщине более 10 мм).
Невозможен или крайне сложен раскрой лазером таких материалов как текстолит,
стеклотекстолит, гетинакс, сотовый полипропилен, поликарбонат, сотовый поликарбонат.
Затруднено разрезание материалов, склонных к растрескиванию, например, керамики или стекла.
Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 1,5 кВт
Наименование
Толщина (мм)
Скорость резки (м/мин)
Пластмасса
25
2
Фанера
10
3–4,5
Высушенная сосна
20
2
ДСП
20
1,5
ДВП
5
6
Стекло
1–8
5–0,5
Асбест, металлоасбест,
паронит
4
1,5
Технологические параметры
Основными технологическими параметрами процесса лазерной резки являются:
мощность излучения;
скорость резки;
давление вспомогательного газа;
диаметр сфокусированного пятна и др.
При импульсном режиме к данным параметрам добавляются:

частота повторения импульсов;

длительность импульсов;

средняя мощность излучения.
Эти параметры влияют на ширину реза, качество резки, зону термического влияния и
другие характеристики.




Рисунок. Влияние мощности излучения на скорость резки металлов
Рисунок. Влияние скорости
резки на ширину реза в металлах
Качество реза определяется
шероховатостью его поверхности. Она
отличается для различных зон по
толщине металла. Наилучшее качество
характерно для верхних слоев
разрезанного металла, наихудшее – для
нижних.
Рисунок. Влияние скорости резки и избыточного
давления кислорода на размеры области качественной
резки углеродистых сталей толщиной 3 мм при
мощности излучения 0,45 кВт
Рисунок. Зависимость шероховатости поверхности реза углеродистой стали от избыточного
давления кислорода при разных скоростях газолазерной резки
Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика
Сфокусированное лазерное излучение позволяет разрезать почти любые материалы
независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать качественные и узкие резы
(шириной 0,1–1 мм) со сравнительной небольшой зоной термического влияния. При лазерной
резке возникают минимальные деформации, как временные в процессе обработки заготовки, так и
остаточные после ее полного остывания. В результате возможна резка с высокой степенью
точности, в том числе нежестких и легкодеформируемых изделий. Благодаря относительно
несложному управлению лазерным пучком можно выполнять автоматическую обработку плоских
и объемных деталей по сложному контуру.
Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, обеспечивая высокие
качество и точность при сравнительно большой скорости разрезания. Однако для металла
толщиной 20–40 мм она применяется значительно реже кислородной или плазменной резки, а для
металла толщиной свыше 40 мм – практически не используется.
Таблица. Сравнение лазерной резки с кислородной, плазменной и гидроабразивной резкой
Характеристика лазерной резки по отношению к
Наименование
кислородной
плазменной
гидроабразивной
Типичная ширина реза
(мм)
меньше в разы и десятки раз
Качество
сильно
превосходит
превосходит
уступает
Зона термического
влияния
меньше
меньше
больше
Ограничение по
очень сильно
максимальной толщине
уступает
металла
значительно
уступает по
цветным
металлам,
уступает по
остальным
металлам
значительно
уступает
Производительность
резки тонкой стали (до 6 превосходит
мм, без пакетной резки)
сопоставимая
сильно
превосходит
Стоимость
оборудования
гораздо выше
выше
сопоставимая
Стоимость
обслуживания
выше
сопоставимая
сопоставимая
Гидроабразивная резка
Гидрорезка (водоструйная резка) – вид резки, при котором материал обрабатывается
тонкой сверхскоростной струей воды. При гидроабразивной резке для увеличения
разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала –
абразива.
Общепринятые обозначения
ГАР – гидроабразивная резка
WJC – Water Jet Cutting – резка водяной (или водно-абразивной) струей
AWJC – Abrasive Water Jet Cutting – абразивная водоструйная резка
Сущность процесса
Если обычную воду сжать под давлением около 4000 атмосфер, а затем пропустить через
отверстие диаметром меньше 1 мм, то она потечет со скоростью, превышающей скорость звука в
3–4 раза. Будучи направленной на обрабатываемое изделие, такая струя воды становится режущим
инструментом. С добавлением частиц абразива ее режущая способность возрастает в сотни раз, и
она способна разрезать почти любой материал.
Технология гидроабразивной резки основана на
принципе эрозионного (истирающего) воздействия абразива
и водяной струи. Их высокоскоростные твердофазные
частицы выступают в качестве переносчиков энергии и,
ударяясь о частицы изделия, отрывают и удаляют последние
из полости реза. Скорость эрозии зависит от кинетической
энергии воздействующих частиц, их массы, твердости,
формы и угла удара, а также от механических свойств
обрабатываемого материала.
Технология резки
Вода, нагнетаемая насосом до сверхвысокого давления порядка 1000–6000 атмосфер,
подается в режущую головку. Вырываясь через узкое сопло (дюзу) обычно диаметром 0,08–0,5 мм
с околозуковой или сверхзвуковой скоростью (до 900–1200 м/c и выше), струя воды поступает в
смесительную камеру, где начинает смешиваться с частицами абразива – гранатовым песком,
зернами электрокорунда, карбида кремния или другого высокотвердого материала. Смешанная
струя выходит из смесительной (смешивающей) трубки с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм и
разрезает материал. В некоторых моделях режущих головок абразив подается в смесительную
трубку. Для гашения остаточной энергии струи используется слой воды толщиной, как правило,
70–100 сантиметров.
Рисунок. Схема гидроабразивной резки
Рисунок. Схема смешивания частицы абразива
При гидрорезке (без абразива) схема упрощена:
вода под давлением вырывается через сопло и
направляется на разрезаемое изделие.
Таблица. Характерная область применения
технологий резки водой
Гидрорезка
Кожа, текстиль, войлок
(обувная, кожаная, текстильная
промышленность)
Гидроабразивная резка
Листы из сталей, металлов
Пластики, резиновые
изделия (автомобильная
промышленность)
Различные металлические детали
(отливки, шестерни и др.)
Электронные платы
Сплавы алюминия, титана и др.,
композитные материалы, толстостенные
пластмассы (авиационная и космическая
промышленность)
Ламинированные
материалы (авиационная и
космическая промышленность)
Бетон, железобетон, гипсовые
блоки, твердая брусчатка и др.
строительные материалы
Теплоизоляционные,
уплотнительные и
шумопонижающие материалы
Камень, гранит, мрамор и др.
Продукты питания –
замороженные продукты, плотные
продукты, шоколад, выпечка и др.
Стекло, бронированное стекло,
керамика
Бумага, картон
Комбинированные материалы,
материалы с покрытием
Дерево
Дерево
Термо- и дуропласт
Армированные пластики
При гидроабразивной резке разрушительная способность струи создается в гораздо
большей степени за счет абразива, а вода выполняет преимущественно транспортную функцию.
Размер абразивных частиц подбирается равным 10–30% диаметра режущей струи для обеспечения
ее эффективного воздействия и стабильного истечения. Обычно размер зерен составляет 0,15–0,25
мм (150–250 мкм), а в ряде случаев – порядка 0,075–0,1 мм (75–100 мкм), если необходимо
получение поверхности реза с низкой шероховатостью. Считается, что оптимальный размер
абразива должен быть меньше величины (dс.т. – dв.с. )/2, где dс.т. – внутренний диаметр
смесительной трубки, dв.с. – внутренний диаметр водяного сопла.
В качестве абразива применяются различные материалы с твердостью по Моосу от 6,5. Их
выбор зависит от вида и твердости обрабатываемого изделия, а также следует учитывать, что
более твердый абразив быстрее изнашивает узлы режущей головки.
Таблица. Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке
Наименование
Характерная область применения
Гранатовый песок
(состоит из корунда Al2O3,
кварцевого песка SiO2, оксида
железа Fe2O3 и других
компонентов)
Зерна электрокорунда
(состоит преимущественно из
корунда Al2O3, а также
примесей) или его
разновидности
Зерна карбида кремния
(SiC) – зеленого или черного
Кварцевый песок (SiO2)
Широко распространен для резки
различных материалов, в особенности
высоколегированных сталей и титановых
сплавов
Искусственные материалы с очень
высокой твердостью по Моосу.
Используются для резки сталей,
алюминия, титана, железобетона, гранита
и др. материалов
Резка стекла
Частицы силикатного
Резка пластика, армированного
шлака
стекло- либо углеродными волокнами
Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Срок службы сапфировых и
рубиновых сопел составляет до 100–200 часов, алмазных сопел – до 1000–2000 часов. При
гидрорезке не применяются рубиновые сопла, а сапфировые обычно служат в 2 раза дольше.
Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Срок службы – как
правило, до 150–200 часов.
Технологические параметры
Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются:
скорость резки;
вид, свойства и толщина разрезаемого изделия;
внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;
тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;
давление.
Скорость резки (скорость перемещения режущей головки вдоль поверхности
обрабатываемого изделия) существенно влияет на качество реза. При высокой скорости
происходит отклонение (занос) водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно
проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала. Как следствие, увеличиваются
конусность реза и его шероховатость.





Рисунок. Типичная форма реза в зависимости от условий резки
Рисунок. Занос струи при резке со скоростью выше оптимальной
Разделительная резка может выполняться на скорости, составляющей 80–100% от
максимальной. Качественной резке обычно соответствует скоростной диапазон в 33–65%, тонкой
резке – в 25–33%, прецизионной резке – в 10–12,5% от максимальной скорости.
Фото. Вид поверхности реза в зависимости от скорости водно-абразивной резки
В некоторых моделях режущих головок используется технология автоматической
компенсации конусности, например, Dynamic Waterjet компании Flow. Компенсация конусности
достигается в результате программно управляемого динамического наклона режущей головки на
определенный градус. Это позволяет повысить скорость резки при сохранении качества реза и,
соответственно, сократить производственные расходы.
С уменьшением внутреннего диаметра смесительной трубки (при прочих равных условиях)
возрастают производительность и точность резки, уменьшается ширина реза (она примерно на
10% больше внутреннего диаметра трубки). При этом снижается и срок службы трубки. В
процессе эксплуатации смесительной трубки ее внутренний диаметр увеличивается примерно на
0,01–0,02 мм за каждые восемь часов работы.
Таблица. Примерные размеры абразива при различных режимах резки
Размер частиц
Внутр. диаметр
Внутр. диаметр
гранатового
смесительной
водяного сопла
песка
(Garnet)
трубки
Применение
mesh
микрон дюймов мм
дюймов мм
(США)
Стандартная
промышленная
конфигурация
80
178
(300–
150)
60
249
(400–
200)
Высокоскоростная
резка
50
297
(600–
200)
120
125
(200–
100)
Точная резка
80
178
(300–
150)
0,013–
0,014"
0,330–
0,356
0,04"
1,02
0,014–
0,018"
0,356–
0,457
0,05"
1,27
0,012–
0,013"
0,305–
0,330
0,036"
0,91
125
0,010– 0,254–
Высокоточная резка
120
(200–
0,03"
0,76
0,011"
0,279
100)
Расход абразива зависит от диаметров смесительной трубки и водяного сопла, условий
резки и т. д. Ориентировочные оптимальные значения приведены в таблице ниже.
Максимальное рабочее давление обычно составляет 3000–3200, 3800, 4150 или 6000 бар.
Чем выше давление, тем выше скорость и эффективность резки. В то же время требуется более
частая замена прокладок в насосе.
Таблица. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от
толщины материала при давлении насоса P = 4100 бар (примерно 4046 атм)
Скорость резки (м/ч)* при толщине
Вид материала
5 мм
10 мм
20 мм
50 мм
100 мм
Нержавеющая сталь
52,62
28,56
13,02
3,84
1,44
Титан
68,46
37,20
16,98
4,98
1,86
Алюминий
142,20
77,40
35,40
10,20
3,72
Гранит
251,40
137,10
62,76
18,00
6,60
Мрамор
295,20
160,80
73,50
21,24
7,80
Углепластик
247,20
134,70
61,74
17,70
6,60
Стекло
272,76
148,62
67,92
19,62
7,26
*: давление – 4100 бар; марка абразива – Kerfjet #80; расход абразива – 250–450 г/мин;
внутренний диаметр сопла – 0,25 мм, 0,35 мм; внутренний диаметр смесительной трубки –
0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet
Фото. Детали, полученные
гидроабразивной резкой: из нержавеющей
стали толщиной 15 мм; из сплава алюминия
толщиной 6 мм; из алюминия толщиной 30
мм; из пластика, армированного волокном,
толщиной 20 мм; из инструментальной стали
толщиной 60 мм
Преимущества, недостатки и
сравнительная характеристика
С помощью водно-абразивной или
водной струи можно разрезать практически
любые материалы. При этом не возникают
ни механические деформации заготовки (так
как сила воздействия струи составляет лишь
1–100 Н), ни ее термические деформации,
поскольку температура в зоне реза
составляет около 60–90°С. Таким образом,
по сравнению с технологиями термической
обработки (кислородной, плазменной,
лазерной и др.) гидроабразивная резка
обладает следующими отличительными
преимуществами:

более высокое качество реза из-за минимального термического влияния на заготовку
(без плавления, оплавления или пригорания кромок);

возможность резки термочувствительных материалов (ряда пожаро- и
взрывоопасных, ламинированных, композитных и др.);

экологическая чистота процесса, полное отсутствие вредных газовых выделений;

взрыво- и пожаробезопасность процесса.
Водно-абразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше.
Гидроабразивная резка может выполняться по сложному контуру с высокой точностью (до 0,025–
0,1 мм), в том числе для обработки объемных изделий. С ее помощью можно делать скосы. Она
эффективна по отношению к алюминиевым сплавам, меди и латуни, из-за высокой
теплопроводности которых при термических способах резки требуются более мощные источники
нагрева. Кроме того, эти металлы труднее разрезать лазером из-за их низкой способности
поглощать лазерное излучение.
К недостаткам водно-абразивной резки относятся:

существенно меньшая скорость разрезания стали малой толщины по сравнению с
плазменной и лазерной резкой;

высокая стоимость оборудования и высокие эксплуатационные затраты (характерно
и для лазерной резки), обусловленные расходом абразива, электроэнергии, воды, заменами
смесительных трубок, водяных сопел и уплотнителей, выдерживающих высокое давление, а также
издержками по утилизации отходов;

повышенный шум из-за истечения струи со сверхзвуковой скоростью (характерно и
для плазменной резки).
Таблица. Сравнение гидроабразивной резки с кислородной, плазменной и лазерной резкой
Характеристика водно-абразивной резки по
отношению к
Наименование
кислородной плазменной
лазерной
Диапазон разрезаемых
материалов
очень сильно
превосходит
сильно
превосходит
еще шире
Типичная ширина реза (мм)
гораздо
меньше
меньше
больше
(при резке водой
– сопоставимая)
Качество
очень сильно
превосходит
сильно
превосходит
превосходит
Зона термического влияния
гораздо
меньше
гораздо
меньше
меньше
Ограничение по
максимальной толщине
металла
уступает
превосходит
значительно
превосходит
Производительность резки
тонкой стали (до 6 мм, без
пакетной резки)
уступает
существенно
уступает
существенно
уступает
Стоимость оборудования
гораздо выше
выше
сопоставимая
Стоимость обслуживания
выше
сопоставимая
сопоставимая
Криогенная резка
Криогенная резка — сверхзвуковая струя жидкого азота, испускаемая под высоким
давлением.
Это современная технология, которая может разрезать сверхтолстые и прочные материалы,
недоступные другим видам резки. Криогенная резка является конкурентом для других
высокотехнологических видов резки, таких как лазерная, плазменная и гидроабразивная резка.
Струя жидкого азота имеет температуру от −150 до −179 °C и давление от 400 до 4000 кг/см².
Технология была разработана в 1990-х годах в Национальной инженерной лаборатории
Айдахо (INEL) (англ.) Ожидается, что криорезка выйдет в серийное производство в 2015—2020
годах.
Преимущества криогенной резки
резка всех видов материалов и металлов;
высокая скорость реза;
практически неограниченная толщина разрезаемого материала или металла;
высокое качество реза толстого металла;
относительная безопасность процесса.
Недостатки криогенной резки
высокая стоимость оборудования;
в случае резки более 5—6 секунд, тонкий металл может буквально рассыпаться из-за
быстрого охлаждения до сверхнизких температур.
Применение
NASA применяет криогенную резку в Космическом центре им. Кеннеди для
прецизионного удаления теплозащитного покрытия с внутренних поверхностей твердотопливных
ускорителей шаттлов.
Военно-морской флот использует её для удаления антикоррозионных покрытий с палуб,
килей, антенн и защитных колпаков радаров.