Лазерний чи плазмовий верстат для різання металу? Що краще?

Технології обробки металу розвиваються вже протягом декількох століть і пропонують широкий спектр варіантів вирішення питання. На сьогодні найпопулярнішими варіантами є лазерне  та плазмове різання. Давайте  розглянемо, який же ж метод кращий. 

Якщо чесно, то це питання не є коректним, оскільки кожен тип верстата покликаний виконувати своє  завдання. 

Це приблизно те саме, як запитати: “Що краще: ложка чи виделка?” В принципі, і ложкою і виделкою можна їсти. Але ложка краще підходить для перших страв, а виделка - для других. При цьому хтось може сказати, що ложка - універсальніший інструмент, оскільки нею можна їсти і рідкі і тверді страви. Проте це ж не означає, що всі мають відмовитись від виделок. А якщо ви  рідко споживаєте  перші страви, то ложка може взагалі не знадобитись.

Так само і з верстатами. 

В залежності від виробничих потреб  слід підібрати верстат, який оптимально підходить для їх виконання. 

Крім того, у деяких випадках на одному виробництві можуть знадобитися обидві машини для обробки різних аспектів одного виробничого процесу. 

Якщо говорити узагальнено, то можна зазначити наступне.

Плазмовий верстат найкраще підходить  для розкрою товстих металів (зазвичай 20-25 мм і більше),  для виготовлення деталей із простою конфігурацією, яка не вимагає гострих кутів, складних  або дрібних отворів, не має суворих вимог до точності та якості різання. 

За цих умов плазмове різання буде економічно ефективним і відносно швидким.

Лазерний верстат доцільно використовувати для розкрою тонких металів, в основному для матеріалу товщиною 1-10 мм, рідше -  10-20 мм та  в окремих випадках  для  25 мм.  Лазерне різання є незамінним в ситуаціях, коли якість різу, точність і повторюваність мають першочергове значення, особливо в серійному виробництві. Воно ідеально підходить для створення складних контурів і забезпечує високу швидкість різання.

Давайте розглянемо більш детально особливості та можливості різання лазерними та плазмовими комплексами.

Відмінності лазерного та плазмового різання металу

1. Лазерний промінь 2. Ріжуче сопло 3. Напрям різу 4. Метал 5. Шлак 6. Газ

Як працює лазерне різання

Лазерне різання передбачає використання високопотужного лазерного джерела. Сфокусований концентрований лазерний промінь потрапляє на поверхню, нагріваючи метал до температури плавлення саме в зоні різання, запобігаючи деформації заготовки через надлишковий температурний вплив. Після чого газ, що подається під тиском в зону різання, видаляє розплавлений лазером метал формуючи таким чином канал різу з ідеальною кромкою.

1. Електрод 2. Повітря 3. Сопло 4. Метал

Як працює плазмове різання

Технологія плазмового різання полягає у розплавлення металу плазмовою дугою при температурі, що може сягати 30 тисяч градусів. Для утворення плазмової дуги використовується струмінь газу, що під дією високої температури іонізується в плазмотроні і спрямовується на метал, та запалююча його іскра, що виникає між електродом та самим металом або наконечником плазмотрона. Цей плазмовий потік розплавляє метал, створюючи канал різу. Він особливо ефективний для різання товстих металів.

Можливості плазмового та лазерного різання

Вимоги до якості різання визначаються специфікою конкретного виробництва. 

Наприклад, для приварного фланцю робочою поверхнею є площина фланця. Відповідно, шорсткість, конусність і закалка кромки не суттєво впливають на кінцеву якість виробу.

Проте  при виготовленні, наприклад,  зірочки ланцюгового приводу, чистота поверхні, відсутність термічних деформацій та точність профілю зубців мають критичне значення.

Цю різницю і необхідно враховувати при виборі обладнання для конкретного виробництва. 

Давайте розглянемо  детальніше основні параметри  різання. 

Ширина різу 

Лазер: Лазерне різання забезпечує вузький різ, зазвичай у діапазоні від 0,1 до 0,3 мм. Це обумовлено безперервною та практично постійною природою лазерного променя.

Плазма: При плазмовому розкрої ширина різу є набагато більшою. Це пояснюється впливом високої температури, що спричиняє додаткове плавлення матеріалу, та діаметром плазмового струменю.

Крім того, ширина різу при плазмовому різанні є не постійною і залежить від товщини металу. Вона може коливатися в межах від 0,8 до 2,5 мм залежно від конкретних параметрів та матеріалу. 

Точність:

Лазер: Лазерне різання забезпечує дуже високу точність, в діапазоні від 0,01 до 0,08 мм. Ця точність залишається стабільною протягом часу.

Плазма: Точність різання на плазмових верстатах становить від 0,1 мм на 1 м різу, при цьому вона сильно залежить від зносу витратних матеріалів. Тобто на деталі довжиною 6 м точність коливатиметься в межах +-0.5мм.

Конусність:

Лазер: Лазерне різання характеризується мінімальною конусністю, найчастіше менше 1 градуса навіть на металах товщиною до 20 мм

Плазма: Конусність на плазмових верстатах може варіювати від 1 до 10 градусів залежно від товщини отворів, що вирізаються.

Важливо, що при плазмовому різанні отвори та криволінійні контури можуть мати спотворену геометрію. Зазвичай, через зміну напрямку плазмового пучка, виникає  конусність  спрямована на зменшення діаметра до нижньої кромки отвору. Також чим ближче діаметр отвору до товщини металу, тим сильніше проявляється спотворення геометрії.

Для отримання геометрично правильних отворів при плазмовому різанні потрібно, щоб діаметр отвору був удвічі більший за товщину металу. У разі лазерного різання, можливе вирізання отворів як мінімум вдвічі меншого діаметру, за товщину матеріалу. Тому отвори, вирізані за допомогою лазера, мають більш високу геометричну точність і підходять для точних з’єднань.

Якість Кромки (Шорсткість, Грат, Окалина)

Плазмове різання: Технологія плазмового різання зазвичай не забезпечує чистий зріз. На кромці деталі часто можна спостерігати шорсткість, грат та окалину.

Це означає, що деталі, вирізані на плазмовому верстаті, часто вимагають додаткової обробки, як-от зачистка або шліфування.

Шорсткість сильно залежить від стану витратних елементів, таких як сопло, електрод, захисний екран, а також від швидкості різання та робочого струму джерела. Зниження швидкості та збільшення струму може зменшити шорсткість, але збільшить окалину та ризик перегріву кромки.

Лазерне різання: Лазерне різання забезпечує чисту кромку, яка не вимагає подальшої обробки та характеризується майже повною відсутністю окалини і грату. Деталь готова відразу для зварювання, фарбування та подальшого продажу.

Хоча лазерне різання зазвичай забезпечує чисту кромку, шорсткість може виникнути при неправильному підборі потужності лазерного джерела щодо товщини металу, а також при неправильному виборі технологічного газу або параметрів різання. Чим товщий метал, тим більшої потужності лазерного джерела він потребує. Тому лазерні верстати особливо ефективні для обробки тонких і середніх металевих листів.

Гострі кути

Внутрішні кути контуру деталі, вирізаної на плазмі, завжди будуть заокруглені. Це пов’язано з тим, що діаметр плазмового пучка плазморіза значно перевищує діаметр лазерного променя 

А зовнішні кути майже неможливо зробити ідеально гострими через надмірну температуру плазмового потоку який розплавляє метал.

Лазерне різання: Лазерне різання, дає можливість отримати гострі внутрішні та зовнішні кути.

У таблиці нижче представлені основні відмінності якості розкрою між лазерною та плазмовою різкою:

Відстань між контурами деталей.

Плазмове різання: У зв’язку з технологічними особливостями при плазмовому різанні відстань між деталями повинна становити щонайменше 2.5 – 8 мм в залежності від товщини металу. Якщо ж розташувати деталі ближче одна до одної, то  відбуватиметься перегрів і перепалювання тонких стінок.

Лазерне різання:  При лазерному різанні відстань між деталями може становити до 0,5 мм, а в деяких випадках навіть можливо застосовувати технологію спільного різу, де у двох деталей є одна спільна сторона. Це, в свою чергу, дозволяє розташувати більшу кількість деталей на одному листі і значно зменшити кількість обрізків.

Швидкість різання

Лазерне різання: Швидкість обробки тонких металів на лазерному верстаті у кілька разів вища, ніж на плазмовому. При цьому вона падає пропорційно до збільшення товщини металу.

Швидкість різання товстих металів можна збільшити, використовуючи більш потужне лазерне джерело, проте це також сильно впливає і на фінальну вартість верстата.

Плазмове різання: Швидкість різання деталей товщиною до 15 мм на плазмовому верстаті значно нижча, ніж на лазерному. Однак із збільшенням товщини металу різниця зменшується.

Споживання електроенергії

Рівень споживання електроенергії твердотільного ітербієвого лазерного верстата  у декілька разів менший, ніж у плазмового Особливо це помітно на великих обсягах.

Витратні елементи та комплектуючі

Плазмове різання: Основними витратними елементами для плазмового різання є  електроди, сопла, завихрювачі, кожухи, захисні екрани, різаки. При інтенсивному різанні, залежно від товщини металу, комплекту сопло-електрод може вистачати на 600-800 пропалень або на 5-8 годинну робочу зміну. 

Захисні екрани, завихрювачі та ін.елементи плазмотрона  потребують заміни рідше. Зазвичай вони виходять з ладу  при пошкодженнях в результаті неправильних алгоритмів пропалювання та різання, та при аварійних ситуаціях. 

Лазерне різання: 

У волоконного лазерного верстата основними витратними елементами є сопла та захисне скло. При цьому термін експлуатації сопла в середньому  складає близько 500 годин роботи,  а захисного скла – близько 100 годин.

Оскільки у плазми є більше кількість витратних матеріалів і вони потребують більш частої заміни, можна зазначити,  що витрати на розхідні елементи  плазми в кілька разів вищі  ніж на лазер.

Плюси та мінуси плазмового та лазерного обладнання

Плазма:

Позитивні аспекти:

• Має великий спектр можливих товщин матеріалів для різання, що варіюється від 0,5 аж до 50 мм при прожигу, в залежності від потужності..
• Показує оптимальну швидкість різання під час обробки матеріалів великої товщини.
• Відносно не висока початкова вартість обладнання

Обмеження:

• Неефективна для обробки тонких металів
• Конусність кромок до 10 5 градусів
• Окалина на кромках
• Широкий різ
• Мінімальний діаметр отворів дорівнює двом товщинам металу. (тобто при товщині металу 2 мм він буде 4 мм, при товщині 5 мм – діаметр 10 мм)
• Високі витрати на базові  витратні елементи.  (велика кількість витратних матеріалів та висока частота їх заміни). 
• Має більш низьку точність порівняно з лазерною різкою.
• Потребує постобробки виробів.
• Показує нижчу швидкість різання на тонких матеріалах, порівняно з лазерним обладнанням.
• Не здатна виконувати безліч різновидів різання, доступних на лазерних верстатах.

 Лазер

Позитивні характеристики:

• Гарантована перпендикулярність краю. (відсутня конусність)
• Ширина різу 0,1 до 0,3 мм.
• Практично відсутня окалина завдяки низькій дії тепла на край матеріалу 
• Можливо робити отвори менші за товщину листа. 
• Низькі витрати на базові  витратні елементи
• Здатність обробляти тонкі метали
• Висока швидкість різання.
• Вирізана деталь не потребує  подальшої механічної обробки і може одразу бути використаний для зварювання, фарбування, пакування та подальшого продажу.

Наявні обмеження:

• Оптимальний для роботи лише з малими і середніми товщинами
• Висока початкова вартість обладнання.

Висновки

Виходячи з вище зазначеного, підсумуємо.

Лазер підходить там, де важлива точність, якість, та висока швидкість розкрою.

На лазерному верстаті по металу можна вирізати з великою швидкістю і точністю, наприклад, звичайні шайби, таблички, корпусні деталі, шестерні, складні елементи дизайну, статорні пластини тощо.

Плазма потрібна для виготовлення простих виробів із середніх та товстих металів. Якщо виробничий процес передбачає виготовлення лише таких деталей, ми рекомендуємо вибрати плазмовий верстат. За таких умов плазморіз ефективно виконуватиме свої завдання при невисоких початкових капіталовкладеннях.

Однак плазма  на малих товщинах ріже значно повільніше за лазер. Деталі після плазмової різки як правило потребують додаткової механічної зачистки через наявність грату та окалини. Відповідно деталі складної геометричної форми на ній вирізати майже неможливо.

Тому якщо основна робоча товщина металу становить від 0,1 до 15 мм або якщо ваше виробництво передбачає розкрій деталей з не найпростішим контуром,  а потребує велику кількість отворів чи кутів, вам однозначно варто зробити вибір у бік лазерного комплексу для розкрою металу.