Лазерная и плазменная обработка: что лучше? Сравнение технологий и преимуществ

Лазерная и плазменная резка металла широко применяются в различных отраслях машиностроения и металлообработки. Обе технологии используются для разрезания металлических заготовок различной толщины, могут применяться для черных и цветных сплавов. У каждой из них есть свои положительные и отрицательные стороны, кроме того, они различаются по стоимости и возможности применения. Рассмотрим подробнее особенности технологий, их плюсы и минусы.

Принципы работы лазерной и плазменной резки

Лазерная и плазменная резка металла позволяют разделить металлическую листовую заготовку на детали требуемого размера и формы. Обе технологии решают одну задачу, однако работают с использованием разных принципов:

• Лазерная резка предполагает обработку материала направленным лучом с высокой интенсивностью излучения. Он прогревает поверхность в точке контакта до температуры плавления, после чего расплав выдувается потоком вспомогательного газа. Луч имеет очень небольшую толщину, поэтому потери при такой обработке минимальны, а край реза получается ровным и аккуратным.
• Плазменная резка работает за счет электрической дуги, которая возникает между соплом плазмотрона и электродом. Через дугу пропускается плазмообразующий газ под давлением, под действием электрического тока высокой частоты он ионизируется и превращается в плазму. Она разогревается до высоких температур, в результате поток раскаленной плазмы плавит материал, а вспомогательный газ убирает расплав из места контакта. Это позволяет с высокой точностью разрезать заготовки.

В обоих случаях металл разогревается, плавится и выдувается из места контакта с источником нагрева. Рассмотрим обе технологии детально, чтобы понять, чем они отличаются и какая из них будет более эффективной для резки.

Как работает лазерная резка металла?

Лазерные и плазменные технологии резки отличаются источником нагрева заготовки. При лазерной резке для этого используется концентрированный световой луч высокой мощности. Он генерируется за счет электрического импульса и оптической системы: с ее помощью световое излучение многократно усиливается и концентрируется в одной очень небольшой точке.

Например, в широко распространенных CO2 лазерах используется электрический разряд, проходящий через смесь газов: обычно это азот, гелий и углекислый газ. Образовавшийся луч попадает на линзы, которые фокусируют его и превращают в очень узкий световой пучок. Большая плотность энергии в точке контакта с лучом дает возможность разогревать металл до температуры 2500°С.

Сильный нагрев не просто плавит, а испаряет металл, что позволяет выдувать его направленной струей вспомогательного газа. Как правило, для этой цели используется азот или аргон: такие газы предотвращают окисление, так как позволяют защитить место контакта от воздействия атмосферного кислорода. Луч обрабатывает заготовку с высокой точностью, последовательность движения режущей головки контролируется станком с числовым программным управлением (ЧПУ). Это дает возможность разрезать лист на фрагменты сложной формы и уменьшить напрасные потери металла.

Принцип работы плазменной резки

Лазер и плазма прогревают металл до температуры испарения, после чего расплав выдувается из места контакта. Плазменная технология работает по следующему принципу:

• Подготовка поверхности. Металлическая заготовка перед раскроем должна быть очищена от грязи и ржавчины. На ней размечается линия реза, на станке настраивается скорость и другие технические параметры процесса.
• Генерация плазмы. Между электродом и соплом плазмотрона загорается первичная дуга, через которую направляется поток газа. Его частицы ионизируются, превращаясь в плазму. Ее температура может достигать 30 000 °C, что дает возможность моментально разогревать металл до температуры испарения.
• Процесс резки. Первичная дуга замыкается на детали, в результате образуется основная режущая дуга. Оператор плавно проводит горелку по назначенной линии, струя разогретой плазмы вырывается из сопла и подается на материал для его моментального разогрева, плавления и испарения. Расплав выдувается направленной струей вспомогательного газа под давлением, в результате заготовка точно разрезается по линии.
• Финишная очистка. После завершения процесса резки оператор освобождает заготовки от окалины и остатков расплавленного металла.

Такая технология дает возможность работать и с черными, и с цветными металлами, а также различными сплавами. С ее помощью можно резать не только сталь или чугун: она подходит для меди и бронзы, которые трудно обрабатывать с помощью луча. Важнейшим свойством материала для плазменной обработки является его токопроводность.

Сравнение основных характеристик технологий

Лазерная и плазменная обработка широко применяются на машиностроительных и других предприятиях: оба метода пользуются спросом благодаря высокой эффективности. С их помощью можно разрезать листы на фрагменты любой формы и величины, небольшая толщина реза позволяет сводить к минимуму напрасные потери.

Сравним обе технологии по ключевым параметрам:

• Толщина заготовки. Максимальная толщина заготовки для обработки лазером не превышает 30 мм, причем для работы с толстыми деталями нужны станки высокой мощности, которым требуется много энергии. Плазменная резка подходит для обработки заготовок толщиной до 150 мм: с помощью этого метода можно резать даже толстый металл.
• Ширина реза. По этому параметру выигрывает лазерная технология: луч для разрезания металла имеет толщину всего в несколько микрон. Это упрощает обработку тонких листов, уменьшает количество отходов и повышает точность результата. Особенность лазерной резки: при контакте с лазерным лучом нагревается только непосредственно зона реза. При плазменной обработке ширина температурного воздействия больше, поэтому есть риск деформировать тонкий материал. При лазерной резке ширина не превышает 0,5 мм, при плазменной – составляет в среднем 1-2 мм.
• Конусность в области реза. При лазерной технологии она не превышает 1°, а при плазменной угол конуса может составлять 3-11°.
• Скорость резки. При использовании современного волоконного лазера мощностью 1 кВт для резки стального листа толщиной 20 мм скорость реза может достигнуть 200 см/мин. Лазерная резка по скорости намного превосходит плазменную – это позволяет в сжатые сроки выполнять большие объемы работ. Однако это справедливо только для тонколистовых изделий.

При выборе оптимальной технологии для резки металла нужно учитывать не только технические моменты. Не менее важным будет результат, то есть качество реза и его точность.

Точность и качество реза

Чтобы понять, чем отличается плазменная резка от лазерной, нужно посмотреть на то, как происходит нагрев металла. При использовании лазера металл разогревается непосредственно в месте контакта с лазерным лучом, а соседние области практически не страдают от нагрева. Из-за этого края реза, особенно при работе с тонкими заготовками, будут максимально ровными и аккуратными. Они не нуждаются в дополнительной чистке и обработке, заготовки сразу после раскроя можно передавать на следующий производственный этап.

Плазменная резка уступает лазерной по качеству реза и состоянию кромки после обработки нагретой плазмой. На нижней части среза потоком раскаленной плазмы удаляется больше металла, чем на верхней – это приводит к увеличению конусности. На тыльной стороне изделия появляется слой окалины, могут возникнуть прижоги. Из-за этого кромка потребует дополнительной очистки и обработки после завершения раскроя.

В обоих случаях обеспечивается высокая точность реза. Однако по этому показателю выигрывает лазерная технология: погрешность составляет не больше 0,05 мм. Для плазменной технологии она варьируется в пределах 0,1-0,5 мм. Погрешность в работе плазмореза будет во многом зависеть от его изношенности.

Стоимостные характеристики и экономическая эффективность

Если разбираться, чем лазер лучше плазмы, нужно сравнить экономическую эффективность и себестоимость методов. Важно учесть несколько показателей:

• Стартовая стоимость оборудования. При покупке портальный плазморез обойдется примерно в 5 раз дешевле станка для лазерной резки, рассчитанного на аналогичные размеры заготовок. Дорогое оборудование – один из важных минусов лазерной резки, из-за которой эта технология чаще используется на крупных предприятиях.
• Эксплуатационные расходы. Лазерная резка требует немалых энергозатрат, особенно при работе с толстыми заготовками. Плазменная резка будет менее затратной, особенно при работе со слаботочными соплами. Они несколько снижают производительность, но не ухудшают качество реза.
• Стоимость расходных материалов. Для лазерной резки потребуется покупать азот в баллонах, закупать сопла, фильтры, периодически менять оптику. Для плазменной резки нужны запасные сопла, электроды, также придется покупать вспомогательный газ.

С точки зрения экономической целесообразности лазерные станки будут выгоднее для работы с тонколистовыми заготовками толщиной до 6 мм. Если предстоит резать более толстый металл, выгоднее купить станок для плазменной резки. Эксплуатационные затраты на плазменный станок увеличиваются, если нужно делать в металле большое количество отверстий.

Области применения технологий

Плазма или лазер: что лучше для раскроя листового металла? У этого вопроса нет единого ответа, так как обе технологии имеют свои преимущества и предпочтительные сферы использования. В некоторых случаях лучше использовать для резки лазерный луч, а в некоторых – поток раскаленной плазмы. Оба варианта имеют целый ряд плюсов в зависимости от условий применения. Рассмотрим их подробнее.

Когда выбрать лазерную резку?

Лазер предпочтительнее для работы с тонколистовыми заготовками. Этот способ будет более удобным в следующих ситуациях:

• Деталь имеет сложные контуры. Лазер обрабатывает металл точнее, погрешность составляет сотые доли миллиметра. Например, это важно, если деталь будет использоваться для нужд аэрокосмической промышленности или для создания художественного ювелирного изделия.
• Заготовка очень тонкая. Лазерная технология позволит не деформировать даже очень тонкий металл, края реза не будут оплавленными.
• Нет времени или возможности обрабатывать края реза. Станок делает их максимально ровными и аккуратными, поэтому можно сразу переходить к сборке изделия.

Лазерное оборудование эффективно там, где требуется высокая точность выполнения операций, критично отступление от заданной линии даже на доли миллиметра. Устройство управляется программой, риски ошибки будут минимальными. В итоге вы получите заготовку требуемой формы с идеально ровным краем без окалины и любых дефектов.

Когда выбрать плазменную резку?

Плазменный тип резки также имеет свои преимущества. Он будет намного менее эноргозатратным и более эффективным при работе с толстолистовыми металлическими заготовками. С помощью плазменного метода проще разрезать медь и другие металлы с высокой отражающей способностью. Из-за отражения света лазер на них теряет эффективность, а направленный поток плазмы сработает безотказно благодаря электропроводности металла.

Плазменную резку стоит выбирать еще в нескольких ситуациях:

• Если нужно работать с крупными заготовками: рельсами, балками, швеллерами и т.д. Лазер будет слишком энергозатратным.
• Если важна скорость реза, а точность и качество края не играют особой роли. Например, такая технология востребована при подготовке строительных металлоконструкций для быстрой установки.
• Если нет финансовых возможностей приобрести дорогое лазерное оборудование и расходные материалы для него. Плазменный метод требует меньших стартовых затрат, при небольших сложениях можно будет сразу приступить к металлообработке.

Практические рекомендации по выбору

Оба типа оборудования могут работать на одном производственном объекте: они будут не дублировать, а дополнять друг друга. Например, если на заводе нужно быстро раскроить тонколистовой металл, для этого выгоднее использовать лазерный станок. Если же требуется разрезать массивные металлические изделия с большой толщиной, лучше использовать плазморез – он будет более эффективным и экономичным. Оба вида оборудования могут работать параллельно: это расширяет возможности производства, помогает повысить точность и скорость обработки деталей.

Если нет возможности сразу приобрести оба вида оборудования, нужно выбрать станок, который будет больше соответствовать наиболее частым повседневным задачам. Например, если компания работает с тонколистовым металлом, то для его быстрой резки лучше приобрести лазерный станок. Если же чаще приходится работать с толстыми стальными заготовками, лучше отдать предпочтение плазморезу.

Лазерное оборудование стоит дорого само по себе и нуждается в дорогостоящих расходниках, поэтому при выборе нужно учитывать бюджет предприятия. Установить высокотехнологичный станок высокой мощности обычно по силам лишь крупным предприятиям, заинтересованным в увеличении спектра услуг. Плазморезы значительно доступнее по цене, поэтому стоит рассмотреть возможность сэкономить.

Заключение

Обе технологии резки активно используются для работы с металлическими заготовками. Оба метода работают по принципу точечного расплавления металла с последующим выдуванием расплава. Однако у каждого метода есть свои преимущества и недостатки, которые стоит учесть при выборе. Вместо покупки дорогостоящего оборудования и самостоятельной обработки заготовок вы можете просто заказать услугу лазерной резки у профессионалов: это возможность без лишних затрат получить детали любой формы и размера. Высокоточное оборудование успешно решает даже самые сложные задачи.