Ф. Г. Бобков
А. Г. Патраков

В последнее время существенно возросла потребность в высококачественном раскрое металла, мы не могли оставить этот вопрос без внимания, поэтому предлагаем вам ознакомится с обзором рынка машин позволяющих производить лазерную резку.

Производством комплексов лазерной резки занимаются как импортные производители: Trumpf, Bystronics, Hypertherm так и отечественные: Навигатор, Unimach. Но все же основная конкуренция в этой нише идет не между производителями, а между типами лазерных излучателей. Перечислим основные из них.

1. Импульсные твердотельные Nd:YAG лазеры с ламповой накачкой.

Добротные «Жигули»… Именно «Жигули», поскольку сама технология относится к 60-м годам прошлого века. В России предлагаются модели в основном мощностью до 500Вт, реализованные на одном или двух квантронах с ламповой накачкой Nd:YAG активного элемента. Этот тип лазеров был достаточно распространен до появления доступных решений на волоконных лазерах. На сегодняшний день из-за высокой импульсной
мощности еще находит свое технологическое применение исключительно как недорогое универсальное решение для резки тонких (до 3–4 мм) черных, цветных материалов и нержавеющих сталей с минимальной зоной термического воздействия, гравировки, сварки.
Резка органических материалов практически невозможна. Вследствие невысокой стоимости и достаточной универсальности находит применение в опытных и микросерийных производствах. Надежность страдает вследствие конструктивных особенностей и устаревания технологии. Требует внимательного и регулярного обслуживания. Улучшение надежности бессмысленно, поскольку приведет к увеличению стоимости, которая станет сравнима с решениями на волоконных лазерах. Улучшение надежности до уровня волоконных лазеров принципиально невозможно. По сравнению с волоконным данный лазер отличается несравнимо большим количеством расходных оптических элементов. На момент написания статьи появилась информация о прекращении производства самых распространенных в России активных элементов типоразмера 6,3×130. В ближайшие 10 лет существует вероятность прекращения применения (либо чрезвычайно узкого применения) данных типов лазеров в технологических целях с их заменой на импульсные волоконные лазеры. Первые волоконные лазеры с высокой импульсной мощностью уже серийно выпускаются, но, вследствие пока что относительно высокой стоимости, широкого распространения не получили. В целом, сейчас наблюдается общая тенденция заменыподобных типов лазеров на непрерывные волоконные.

2. СO2 лазеры.

CO2 лазеры являются самым распространённым в мире типом лазеров для промышленного применения. Они отличаются достаточно высоким качеством лазерного излучения и высокой выходной мощностью. Достаточно надежны в эксплуатации. На рынке присутствуют CO2 лазеры как отечественного, так и импортного производства в широком диапазоне выходной мощности. Присутствуют и бывшие в употреблении раскройные
комплексы с данными типами лазеров.

Плюсы:

• Зарекомендованная многолетним опытом эксплуатации технология.
• Широкое производственное применение.
• Возможность резки органических материалов.

Минусы:

• Низкий КПД, что значительно увеличивает расходы на электроэнергию. Этот факт является крайне существенным при необходимости работы с большой мощностью лазерного излучения.
• Наличие относительно большого количества расходных материалов. Помимо технологического газа, используемого при резке, необходимо также подключение лазера к внешним системам подачи CO2/N2/He с высокой степенью очистки.
• Сложная система технических средств для создания протока газа в резонаторе. Соответственно – снижение теоретической надежности и сложный ремонт, который должен выполняться квалифицированным персоналом (!).
• Отсутствие на российском рынке постоянства качества прокачиваемых газов приводит к регулярному загрязнению резонатора и ограниченному сроку службы его элементов. При высокой плотности мощности излучения на отражающих элементах резонатора данная проблема является существенной. После замены вышедших из строя элементов резонатора необходима его переюстировка. После этого, соответственно, необходима переюстировка всего оптического тракта передачи излучения (см. комментарии выше).
• Достаточно большая занимаемая площадь установки раскроя в виду отдельной установки лазера и чиллера системы охлаждения и их больших габаритов.
• Достаточно ярко описанные недостатки проявляются на устаревших моделях CO2 лазеров. На сегодняшний день появляются решения, которые реализуются в новых типах CO2 лазеров, которые позволяют минимизировать описанные выше недостатки. Принципиально же исключить подобные сложности и неудобства пока невозможно.

3. Волоконные лазеры

Если 7–10 лет назад волоконные лазеры еще были в новинку, то сейчас накоплен уже достаточный опыт эксплуатации. Достаточный для осознания того, что совершен действительно огромный технологический прорыв в лазерной технике. Можно считать, что это волоконный лазер – это престижный и надежный «внедорожник» для бездорожья производственных задач, если продолжать аналогию с автомобилями.

Плюсы:

• Волоконный лазер – необслуживаемый. Закрытый и опечатанный. Нет прокачивающихся газов, нет расходных материалов, нет загрязнений. Нет высокооплачиваемого обслуживающего персонала. Включил и работай. Это самое первое и самое важное его качество, которое однозначно ставит его на верхнюю ступень при решении производственных задач. Это преимущество особенно актуально для малого и среднего бизнеса, не имеющего возможности раздувать накладные расходы на обслуживающий персонал.
• Волоконные лазеры являются самыми надежными среди всех имеющихся типов. Здесь нет ни высоких напряжений поджига, ни высоких частот возбуждения, ни высоких импульсных токов. Теоретическая вероятность поломки сведена к минимуму. Ресурс работы лазера настолько большой, что не может быть полностью выработан в рамках десятилетия.
• Широкое технологическое применение. Лучшие, по сравнению с CO2 лазерами показатели обработки цветных металлов и нержавеющих сталей.
• Лучший среди лазеров КПД. Это означает прямое снижение производственных издержек на электроэнергию и потребляемую мощность.
• Самая низкая себестоимость реза. «То, что сэкономил – считай, что заработал».
• Малые габариты. Это позволяет значительно сэкономить производственные площади под размещение установки. Это особенно актуально для малого бизнеса, который вынужден арендовать производственные площади.

Минусы:

• Относительно высокая стоимость. Однако сейчас наблюдается тенденция снижения стоимости до уровня CO2 лазеров.
• Некоторые виды ремонта возможно выполнить только на предприятии-изготовителе.
• Невозможность, либо ограниченность в резке органических материалов.

Основным конкурентом волоконных лазеров считается CO2 лазер. У нас была возможность провести живое сравнение двух установок лазерного раскроя с CO2 и волоконным лазером, установленных на одном предприятии, с одинаковой выходной мощностью 1000Вт. Станок PRF серии с волоконным лазером практически по всем параметрам превзошел станок с CO2 лазером. Это касалось и серьезного увеличения производительности и качества при резке оцинкованной и нержавеющей сталей. Были открыты новые возможности для предприятия по резке алюминия, латуни и меди, которые раньше не были доступны при работе на CO2 лазере. Была отмечена более высокая производительность станка с волоконным лазером при обработке холоднокатаной стали до 3 мм.

Функция технической гравировки для CO2 лазера, которая была заявлена производителем станка, по факту не использовалась вследствие серьезной нестабильности мощности излучения CO2 лазера. На PRF станке с волоконным лазером простое и эффективное использование данной функции было положительно отмечено эксплуатирующей организацией. Однако при одинаковом качестве реза шероховатость кромки среза холоднокатаной стали у волоконного лазера заметно выше, чем у CO2. Особенно это заметно при толщинах от трех миллиметров и выше. Так называемый «зеркальный рез» на волоконных лазерах возможно получить при соотношении толщина/мощность примерно 2–2,5мм /1000Вт, в то время, как на CO2 лазерах это достижимо и при меньшей мощности.
В целом же волоконный лазер зарекомендовал себя как наиболее универсальный инструмент для обработки металла.

Одним из конкурирующих элементов является координатная система. Разберем проблему ее выбора. Каким бы хорошим и дорогим не был лазер, без координатной системы он является не более чем дорогой игрушкой. В конечном счете, именно координатная система отвечает за движение лазера по задаваемой траектории, за соблюдение точности перемещений; управляющее программное обеспечение – за быстрое и комфортное составление программ резки, что вносит ощутимый вклад в общую производительность раскройного комплекса как единого, цельного механизма.

Если на российском и международном рынке волоконных лазеров фактически доминирует единственный производитель, то различные координатные системы с установленными волоконными лазерами (далее по тексту установки) представлены достаточно широко. Представленные на рынке установки различаются размерами рабочей зоны, скоростями и динамикой перемещений, точностными характеристиками.

Отдельно стоит отметить применение роботов как координатных систем для целей двумерного раскроя металла. Роботизированные лазерные комплексы в настоящее время применяются для специализированных задач трехмерной лазерной резки, лазерной сварки, в том числе дистанционной. Неплохая повторяемость позиционирования (не путать с точностью!), позволяет его использовать для серийных и крупносерийных задач. Применение роботов для целей двумерного раскроя встречается не часто.
В первую очередь это связано с избыточностью многокоординатного манипулятора для таких задач, что называется: «Из пушки – по воробьям». Для целей же трехмерного раскроя альтернатив роботам немного, поэтому они получают свое распространение.
Во вторую очередь, это сложное и специализированное программное обеспечение, которое не позволяет быстро создать управляющую программу. Приблизительное время на создание и привязку простой программы может составлять порядка 40–60 минут. Это является неприемлемым на предприятиях микро- и малого бизнеса с малой серийностью, но большой номенклатурой продукции, поскольку приводит к серьезному увеличению ее себестоимости. Кроме этого, должен быть высокий уровень подготовки оператора, что также не является положительным аргументом, особенно в условиях кадрового «голодания».

На сегодняшний день на российском и международном рынке присутствует достаточно много роботов, представленных различными фирмами. Данные устройства неплохо зарекомендовали себя с точки зрения надежности. Но если говорить именно о теоретической надежности, то наличие гораздо большего числа сопрягаемых элементов является фактором повышенного риска. Наличие большого числа передающих механических элементов является фактором риска появления люфтов, которые, складываясь друг с другом, внесут свою лепту в конечную точность изготовления деталей. Данный факт является некритичным, например, для сварки, но будет серьезно ощутим при резке, например, острых углов или окружностей малого диаметра.

В третью очередь – это плавающая точность при проходе по контуру. Отклонения от 0,11 до 0,56 мм. Отклонение зависит от вылета манипулятора: чем дальше выносится рабочий инструмент (в рассматриваемом случае – оптический резак лазера) от основания, тем сильнее падает точность следования по контуру. В серийных процессах плавающая точность компенсируется хорошей повторяемостью позиционирования (отклонения до 0,19 мм), когда имеющуюся траекторию «подгоняют» под необходимую. В условиях же небольшой серийности это неэффективно в принципе.

Итог: использование роботов для целей двумерного раскроя находит крайне ограниченное технологическое применение.

При выборе же координатной системы рекомендуем руководствоваться в первую очередь принципом разумности. Очевидно, что недальновидно покупать мощный и дорогой CO2 или волоконный лазер и устанавливать его на координатную систему бюджетной категории. Подобная связка не позволит в полной мере реализовать все возможности лазера, соответственно, это скажется и на производительности станка, и на его окупаемости.
В ряде случаев подобное неграмотное сочетание устройств может выявить серьезные технологические ограничения при резке. Из великого множества приведем пример: 1кВт волоконный лазер может разрезать холоднокатаную сталь толщиной до 8–10мм. Погрузка подобных листов вручную затруднительна, поэтому осуществляется механизировано и не всегда аккуратно. При использовании даже цельносварной, но ненадежной станины без специальных средств загрузки в течение определенного времени проведения описанных погрузочно-разгрузочных работ геометрия станины будет гарантированно нарушена, что приведет к снижению точности и длительной остановке станка.

С другой стороны, использовать, например, резак воздушно-плазменной резки на координатной системе высокого уровня также неэффективно, поскольку стоимость координатной системы в общей стоимости комплекса будет настолько значительна, что сделает весь комплекс экономически малоэффективным с точки зрения окупаемости.
Не менее важной проблемой выбора является обеспечение качества резки. Рассмотрим, что влияет на это, и от каких параметров зависит оптимальный результат.

Скорость резки металла определяет производительность лазерных технологических установок, при этом существенным параметром является величина шероховатости боковой стенки реза Rz. Лазерная резка позволяет получать готовые детали без последующей финишной обработки, и альбом технологий промышленных лазерных станков на основе СО2-лазеров содержит условия качественной резки для широкого набора материалов. В литературе подробно рассматривались различные факторы, которые могут оказать влияние на качество газолазерного реза и на глубину проплавления металла при лазерной сварке. К ним относят микронеустойчивости (термокапиллярную, Рэлей-Тейлоровскую, капиллярно-испарительную, капиллярно-ветровую), образование «ступеньки» на фронте проплава и реза, неустойчивость пленочного погранслойного течения расплава и др. Отметим, что многие авторы считают нужным упомянуть о большой сложности процессов внутри лазерного реза и о возникающих из-за этого затруднениях при попытках однозначно интерпретировать экспериментальные результаты.

На Рис.1 показана боковая поверхность реза малоуглеродистой стали толщиной 5 мм, выполненного с помощью волоконного лазера ЛС-3.5 производства НТО «ИРЭПолюс». Лазер снабжен транспортным волокном с диаметром сердцевины 100 мкм и
характеризуется параметром качества выходного пучка M2 = 13,5. Рез получен с использованием оптической головки фирмы OPTOSKAND. В данной головке установлена коллимирующая линза с fc = 120 мм и фокусирующая линза с ff = 200 мм. Соответ-
ствующее фокальное пятно имело диаметр d = 190 мкм, глубина фокуса ZR = 2 мм. Мощность лазера составляла 3,5 кВт, режущим газом являлся воздух. Резка производилась на скорости 3 м/мин. Стрелкой отмечена глубина, ниже которой характер реза существенно изменялся. Подобные картины резов наблюдаются и при использовании СО2-лазеров.

Рис.1. Боковая поверхность резамалоуглеродистой стали.

На соответствующей глубине прекращается эффективное канализирование пучка лазера внутри реза, пучок рассеивается на большие углы и поглощается боковыми стенками. Материал ниже стрелки прогревается и плавится не за счет прямого воздействия лазерного излучения, а в основном за счет раскаленной газовой струи и теплопроводности металла. Рассеяние может происходить на сравнимых с длиной волны лазера неоднородностях, возникающих из-за упомянутых выше микронеустойчивостей, которые имеют весьма большие инкременты развития.

При заданной ширине реза, определяемой размером пучка в перетяжке, глубина фокуса, а следовательно и глубина «чистого» реза, обратно пропорциональна длине волны излучения λ, то есть при прочих равных условиях лазер с меньшей длиной волны должен обеспечивать большую глубину «чистого» реза. Но еще сильнее, чем от длины волны, глубина «чистого» реза зависит от оптического качества пучка — при фиксированной ширине реза зависимость обратная квадратичная. С этим связано полученное в экспериментах с волоконным лазером существенно меньшее значение «чистого» реза по сравнению с аналогичными данными для одномодового СО2-лазера той же мощности.

Для увеличения толщин обрабатываемых материалов необходимо повышать качество лазерных пучков. Так при использовании волоконного лазера с транспортным волокном с диаметром жилы 50 мкм (M2 = 6,5) вместо 100 мкм (M2 = 13,5) при том же диаметре перетяжки около 0,2 мм максимальная толщина «чистого» реза составит 13 мм. Еще более эффективны в этом отношении одномодовые волоконные лазеры. Правда, в настоящее время коммерчески доступны одномодовые волоконные лазеры с выходной мощностью менее 1 кВт.

Таким образом, мы рассмотрели несколько основных вопросов при выборе лазерного комплекса. Сегодня все больше и больше предприятий приобретает или уже приобрели данное оборудование. Надеемся, что эта статья поможет вам с выбором.