Плазменная и лазерная резка металла: отличия технологического процесса

Чем лазерная резка отличается от плазменной?

Давайте для начала рассмотрим принцип работы плазменного и лазерного оборудования.

Если простыми словами, то плавление металла при плазменной резке происходит за счет дуги. То есть, под воздействием воздуха.

В случае с лазерной резкой плазменной резкой плавление металла происходит за счёт сфокусированного лазерного луча.

Особенности плазменной резки

Резка металла – ответственная задача. Очень часто данный процесс сопряжен со многими факторами, которые необходимо принимать во внимание. Это и объемы выполняемых работ, и тип металла, и его толщина.

Особенно важным показателем является количество работы. Если ее необходимо осуществлять редко, тогда плазменная резка металла – не самый выгодный вариант. Стоимость подобного аппарата не окупится при незначительном использовании и, возможно, в таком случае лучше отдать предпочтение другим методам, например, болгарке.

Иначе говоря, для того чтобы разрезать трубу на даче или для несерьезных бытовых целей предпочтительнее выглядит хорошая УШМ.

Еще одной распространенной технологией является газокислородная резка. К ее преимуществам следует отнести высокую скорость обработки. Однако к отличиям газосварки и болгарки относится черновой вариант полученного реза. Металл после воздействия данным методом необходимо дополнительно обрабатывать.

Схема плазменной сварки и резки.
Если в домашних условиях на это можно потратить время, то на производстве подобная процедура потребует существенных финансовых затрат.

В плазменной резке применяется высокоскоростной поток ионизированного газа – плазмы. Она служит проводником тока между аппаратом и деталью. В результате изделие нагревается и плавится. Также в процессе работы поток газа сдувает расплавленный материал, тем самым разделяя его на части.

Из основ принципа работы метода становится понятно, что он применим для токопроводящих материалов. К таким относятся, например, алюминий, нержавейка, углеродистые стали.

В случае плазменной обработки могут использоваться различные газы. Несмотря на это, самый распространенный вариант – сжатый воздух. Данный газ доступен, а кроме того его использование не требует дополнительного применения кислорода.

Важным отличием плазменной резки является простота в ее освоении. Особенно хорошо она подходит для тонкопрофильных металлов. Если же толщина реза превышает 2.5 миллиметра, тогда возникает необходимость в использовании мощных источников питания, что невыгодно.

Возможности плазменной и лазерной резки

В первом случае ширина реза не постоянна. Она изменяется в зависимости от толщины металла, от 0,8 до 2,5 мм. А при работе на лазерном станке она всегда практически одинакова и равняется от 0,2 до 0,3 мм.

Насколько плазменная резка будет точной, зависит от износа расходных материалов. Этот параметр составляет до 0,1 мм. При лазерном способе точность очень высокая и находится в диапазоне от 0,05 до 0,08 мм.

Важным параметром является конусность, она бывает от 1 до 5 градусов в зависимости от толщины вырезаемых отверстий. При лазере конусность минимальная. Она составляет менее 1 градуса.

Соответственно, отверстия на лазере получаются более геометрически правильными и подходят под точные соединения.

Для того, чтобы вырезать геометрически правильные отверстия на плазме нам необходимо, чтобы диаметр отверстия был в два раза толще листа.

А при лазерной резке возможность вырезания отверстий, как минимум, в два раза тоньше самого листа.

Также необходимо отметить и высокую скорость реза, которая даёт возможность прожигать толстые металлы.

А на лазере скорость значительно выше, чем на плазме. Но при увеличении толщины она сильно падает. Кроме того, время пробивки толстого металла увеличивается.

Стоит отметить про образование окалины при плазменной резке. Её избежать, к сожалению, невозможно, и деталь нужно будет ещё обработать.

А вот при лазерной резке её практически нет. То есть, детали, которые вырезаются на лазере, не нуждаются в дополнительной обработке.

Плазма имеет грязный рез, то есть при резке плазмы образуется много грата, и рез нуждается в пост-обработке. То есть, в любом случае нужно либо шлифовать, либо гальтовать, либо очищать материал другими способами.

В случае с лазерным станком при правильных настройках не требует никакой пост-обработки. Изделие сразу готово, как к сварке, так и к покраске, а в дальнейшем к продаже. Рез получается чистым.

У лазера очень тонкий рез, а у плазмы он может достигать 5 мм засчёт того, что температурное воздействие велико, что даёт дополнительное плавление.

Лазерный станок по металлу потребляет намного меньше электричества, чем плазма. Особенно это заметно на больших объемах.

Лазерная и плазменная резка металла: отличия и сходства

• Свойства лазерного реза.

В устройство лазерной установки входят три основные части:

• рабочая (активная) среда – источник излучения лазера;
• оптический резонатор – зеркало, усиливающее излучение установки;
• источник энергии – система накачки, создающая условия для возникновения электромагнитного излучения.

Разогрев металла осуществляется на малой площади поверхности. Процесс реза осуществляется либо при температурах плавления, либо при испарении металла. К применению второго варианта прибегают исключительно для резки тонких материалов, так как он является энергетически затратным.

Для облегчения работы в зону реза подается один из следующих газов: гелий, аргон, азот, воздух или кислород. Они выполняют функции поддержки процесса горения металла, сдувания его с зоны плавления, остужения прилегающих поверхностей, повышения глубины и скорости и резки.

По способу использования рабочей среды лазерные установки относятся к одному из таких трех видов, как:

• Твердотельный. Рабочее тело представляет собой цилиндрический стержень, в состав которого входят неодимовое стекло, гранат алюмо-иттриевый или рубин, легированные иттербием или неодимом. В качестве источника энергии используют газоразрядную лампу-вспышку или полупроводниковый лазер.
• Газовый. В качестве рабочего тела используется углекислый газ, иногда смешанный с азотом и гелием. По конструкционной разновидности такие лазерные устройства подразделяются на щелевые установки и те, что имеют продольную или поперечную прокачку. Для возбуждения газовой среды подаются электрические разряды.
• Газодинамический. Рабочим телом служит углекислый газ, разогретый до 1 000–3 000 °К (+726…+2 726 °С), возбуждение которого осуществляется при помощи вспомогательного лазера малой мощности.

VT-metall предлагает услуги:

• Особенности плазменной резки.

При плазменных резах используются следующие плазмообразующие газы: смесь водорода с аргоном, сжатый воздух, кислород или азот. Внутри плазмотрона, к которому обязательно подается охлаждение, газ разогревается до температуры +5 000…+30 000 °С и принимает состояние плазмы: смеси свободных электронов, ионов и нейтральных атомов. В итоге у газа появляется способность проводить электрический ток. За счет нагрева его объем расширяется в 50–100 раз, и он со значительной скоростью вытекает из плазмотрона. Плазма, воздействуя на металл, начинает его плавление.

В процессе плазменного реза между соплом резака и электродом появляется электрическая дуга, которая образуется при поднесении на близкое расстояние резака к металлу. Это осуществимо благодаря использованию источника питания постоянного тока.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Существуют аппараты косвенного или прямого действия. В первом случае (плазменно-струйная резка) дуга образуется внутри резака. Такой способ обработки применяется для резания материалов, не проводящих электрический ток. Во втором (при плазменно-дуговой резке) – она возникает между разрезаемым материалом и катодом плазматрона.

Какие нужны расходники?

Для аппарата плазменной резки

На плазме необходимо менять сопла, электроды, защитные экраны, кожухи. А на лазере только линзы и сопло.

Для лазерного станка

Но при работе на лазерном станке раз в две недели необходимо менять линзу и сопло. Линза стоит 700 рублей, сопло — 900 рублей.

Максимальная ежемесячная оплата расходников для лазерного станка будет составлять 3 200 рублей.

Итак, давайте подведём итоги.

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.

Плюсы и минусы плазмы и лазера

Плазма

Преимущества:

1. Большой диапазон разрезаемых толщин от 0,5 до 50 мм на пробивку;
2. Высокая скорость реза при больших толщинах;
3. Низкая начальная цена оборудования
4. Отработанная технология резки под углом, как сейчас привыкли называть, резка со скосом.

Недостатки:

1. Нецелесообразность обработки металлов тоньше 1 мм;
2. Конусность кромок до 5 градусов (некачественный край);
3. Присутствие окалины на отверстиях при поворотах, поэтому нужна дополнительная обработка изделий;
4. Ограничение на диаметр отверстия до 4 мм;
5. Высокая стоимость расходных материалов;
6. Низкая точность по сравнению с лазерным станком;
7. Требует постобработки;
8. Низкая скорость резки по сравнению с лазером на тонких материалах;
9. Невозможность выполнять многие разновидности резки, доступные лазерному станку.

Лазер

Преимущества:

1. Перпендикулярность кромки;
2. Малая ширина реза;
3. Отсутствие окалины — получаете 100% готовое изделие;
4. Диаметр отверстия меньше толщины листа. Можно вырезать мелкие детали вплоть до 1 мм;
5. Низкое термическое воздействие на кромку;
6. Дешевые расходники;
7. Обработка тонкого металла от 0,2 мм;
8. Наивысшая возможная скорость резки;
9. Материалы не требуют постобработки и готовы к сварке, покраске или упаковке, а затем к продаже.

Недостатки:

1. Можно резать металл только до 20 мм;
2. Высокая начальная цена оборудования.

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.

А вот пример конструкции производства «Металл‑Кейс»:

Большой каркас из стали с белым полимерным покрытием (7 фото)

Для чего нужна плазма, а для чего — лазер?

Лазер подходит там, где нужна точность, чистота реза и кромки и скорость. А плазма режет медленно, относительно лазера, и с грязным резом, поэтому сложные технические детали вырезать невозможно. А на лазерном станке по металлу возможно вырезать, например, небольшие шильды и таблички, тонкие решётки и сложные элементы дизайна, а также роторные колёса.

Плазма нужна для изготовления простых изделий. В форме прямоугольника, овала или квадрата, потому что их можно потом обработать. Но вырезать звёздочку с отверстиями внутри будет сложно. К тому же, на шлифовку уйдёт много времени. А оборудование для пост-обработки будет стоить в разы дороже, чем металлорезчик.

Плазма применяется там, где есть большие толщины и при простой резке, например, рельсов, элементов металлокаркаса или сварных конструкций и т.п..

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».

Быстрый расчёт стоимости

Особенности лазерной обработки

Технология лазерной резки относится к передовым методам обработки металла. На данный момент она находит широкое применение в различных областях производства.

Суть метода заключается в том, что с помощью специализированного оборудования формируется лазерный луч, направляемый на обрабатываемое изделие. Площадь контакта в таком случае составляет порядка нескольких микрон.

В процессе резки металл локально нагревается до плавильных температур. В то же время остальная часть материала остается холодной за счет маленькой области контакта. В результате достигается высокая безопасность работы для персонала и самой детали.

Погрешность выполнения работы минимальна. В местах реза от лазерной сварки материал сразу испаряется. Расстояние между прибором и изделием составляет всего лишь пару сантиметров.

Эффективность данной технологии настолько высока, что после резки нет необходимости в дополнительной обработке. Изделие можно сразу же подвергать последующим технологическим процессам или отправлять в использование.

В результате существенно экономится время и затраты. На крупных производствах подобный метод очень выгоден.

Плазменная резка металла.

Лазерная обработка позволяет резать металлические детали небольшой толщины. Это могут быть алюминий, латунь, медь, нержавейка, титан и т.д. Кроме того метод в отличие от плазменного позволяет осуществлять фрезеровку изделий, а также просверливать отверстия.

Несмотря на то, что лазерная резка металла относится к самым современным технологиям, она имеет свои положительные и отрицательные стороны.

К достоинствам можно отнести:

• возможность обработки любых материалов, в том числе хрупких и прочных;
• отсутствие дефектов и высокая точность реза;
• возможность кроить изделия любой формы благодаря высокой точности;
• экономичность в использовании расходных материалов;
• отсутствие необходимости в дополнительной обработке изделия после резки.

К недостаткам можно отнести:

• высокую стоимость оборудования;
• ограничение по толщине металла в двадцать миллиметров;
• невозможность обработки материалов с высокой отражательной способностью.