Как правильно выбрать метод резки для крупных металлических заготовок: лазер, вода или плазма?

При резке стальных заготовок толщиной свыше 20 мм распространены термические, абразивные и гидродинамические способы. Выбор обусловлен не только характеристиками материала, но и требованиями к краю, точности геометрии и скорости обработки.

Заготовки из низколегированных сталей лучше поддаются термическому разделению, в то время как алюминиевые или нержавеющие марки с высоким содержанием хрома требуют более нейтральной среды.

При применении лазерной установки излучение фокусируется в точке диаметром менее 0,2 мм. При мощности волоконного источника 6 кВт удаётся обрабатывать сталь до 25 мм. При увеличении мощности до 12 кВт глубина проникновения луча в углеродистый прокат может достигать 35 мм, но форма кромки ухудшается.

Точность позиционирования головки должна составлять не более ±0,05 мм. Газообразный кислород повышает качество среза в конструкционных сплавах, но не применяется для цветных металлов. Давление подаваемой среды достигает 12 бар. Основным ограничением при выборе этого способа служит отражательная способность материала.

Алюминиевые, латунные и зеркальные листы поглощают луч частично, что снижает эффективность. В таких случаях применяются волоконные источники с длиной волны 1070 нм, обладающие меньшим отражением.

Плазменная установка справляется с заготовками до 50 мм, но точность уступает. При токе 200 А рез получается ровным, но зону термического влияния трудно контролировать. При увеличении напряжения дуги до 250 В края склонны к наплывам, особенно в случае сплавов с высоким содержанием углерода. Использование сжатого воздуха вместо кислорода удешевляет процесс, но ухудшает геометрию среза.

Максимальное отклонение линии может достигать 0,8 мм. При производстве опорных конструкций такая неточность недопустима. Плотность энергии в дуге достигает 1,5·10⁶ Вт/см², что обуславливает быстрый нагрев. Однако охлаждение стола требует подачи воды в объеме до 30 л/мин. Подходит для цветных металлов, титановых деталей, толстостенных труб.

Гидроабразивный метод базируется на ускорении струи воды до 900 м/с. При добавлении гранатового песка с фракцией 80 мкм возможно разрезание деталей толщиной до 100 мм. Применяется давление свыше 4000 бар.

Допустимое отклонение по контуру не превышает 0,1 мм, что выгодно при работе с алюминиевыми плитами. Преимущество — отсутствие теплового воздействия. Нет зоны перегрева, нет структурных искажений. Применяется при резке композитных листов, броневых пластин, нержавеющих сортов, в том числе с включениями неметаллов. Потребление песка — до 0,5 кг на метр реза, что увеличивает себестоимость. Изнашивается сопло из карбида вольфрама, что требует регулярной замены.

Давление в гидросистеме поддерживается насосом с производительностью до 60 л/мин при потребляемой мощности 37 кВт.

При выборе метода следует учитывать термостойкость заготовки, её отражательную способность, необходимость сохранения структуры. В случае с деталями, подлежащими сварке, предпочтительнее методы без окалины и термического влияния. Для раскроя листов, из которых формируются корпуса или рамы, точность и перпендикулярность кромки определяют надёжность соединения. Лазер обеспечивает максимальную чистоту линии, но при толщине свыше 25 мм требуется предварительный прогрев.

При резке стали 09Г2С лазером в среде кислорода при толщине 20 мм получают срез с шероховатостью Rz до 40 мкм. Плазменная обработка при аналогичной толщине даёт Rz около 80 мкм. Для стальных листов с повышенной твердостью более 45 HRC применим только гидроабразивный способ.

В случае с конструкциями, где последующая механообработка невозможна, критичен параметр отклонения от вертикали — у лазера он до 0,2°, у воды — не более 0,1°, у плазмы — до 1°.

Экономически лазер целесообразен при серийной работе на листах до 20 мм. В случае со сложными траекториями, особенно при переменном контуре, вода даёт более предсказуемый результат. Плазма уместна при грубом раскрое заготовок, не требующих высокой точности и подготовки под сварку.

Для работы с прокатом толщиной от 40 до 60 мм плазма с током 300 А остаётся единственным быстрым решением. Охлаждение при этом требует применения диэлектрических жидкостей, иначе тепло передаётся в заготовку, что может вызвать коробление.

Для литья из бронзы, меди, алюминиевых сплавов с крупнозернистой структурой и пористыми включениями предпочтительна гидроабразивная резка. При толщине более 50 мм рез сохраняет форму, не вызывая трещинообразования. Давление выше 3800 бар не даёт преимуществ, но увеличивает нагрузку на уплотнения. При ресурсе уплотнителей менее 200 часов замена обязательна. Повышение температуры жидкости в системе выше 55 °C требует охлаждения. Для волоконного лазера такая проблема отсутствует — охлаждение организовано через замкнутый контур с этиленгликолем.

В случае заготовок из дуплексной стали с высоким пределом текучести, превышающим 700 МПа, не рекомендован метод плазменной резки — деформация края может достигать 1 мм. При водяной струе с добавлением песка получаются гладкие кромки без структурных изменений. При давлении 4200 бар и расходе воды 4 л/мин возможна резка до 90 мм без охлаждения детали. Сопло диаметром 0,3 мм обеспечивает минимальное отклонение луча от заданной траектории.

Резка лазером сопровождается образованием шлаков при недостаточной мощности, что приводит к необходимости последующего удаления на кромке. Подача кислорода должна быть синхронизирована с подачей излучения.

При недостаточном давлении в системе (ниже 8 бар) срез может быть не завершён по всей толщине. Стол должен быть оборудован вытяжной системой, чтобы снизить количество побочных продуктов в зоне реза. Это особенно важно при раскрое легированных сталей, содержащих ванадий и молибден.

Геометрическая точность при гидроабразивной резке не зависит от материала, но при большой толщине уменьшается скорость — до 20 мм/мин. Лазер позволяет увеличить производительность до 600 мм/мин при мощности выше 10 кВт, но только на низкоуглеродистой стали. Плазма настраивается по силе тока и скорости подачи, но остаётся чувствительной к загрязнению поверхности. При наличии окалины дуга может уходить в сторону, создавая кривизну. Поверхность должна быть предварительно очищена, если отклонение линии не допускается.

Метод подбирается под конкретный материал, форму детали, производственный режим. При серийной работе с листами одинакового формата лазерная система даёт предсказуемые параметры. При единичных раскроях с переменной толщиной преимущество у гидроабразива. Плазма выгодна при работе на открытых площадках, где нет доступа к охлаждённым агрегатам или высокой точности не требуется.