Лазерная резка металла:
физика процесса и типы лазеров

Что такое лазерная резка и как работает луч

В основе лежит простой физический принцип: узкий пучок света высокой плотности энергии фокусируется линзой или зеркалом в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. В этой точке плотность энергии достаточна, чтобы металл почти мгновенно нагрелся выше температуры плавления, а на части режимов и выше температуры испарения. Голова станка движется по программе, пятно идёт вдоль контура, а следом за ним по этому же каналу подаётся газ под давлением, который выдувает расплавленный и испарённый металл из зоны реза.

От обычной резки резцом или полотном пилы лазер отличается тем, что инструмент вообще не касается металла. Нет механической нагрузки на деталь, нет износа режущей кромки инструмента в привычном смысле, изнашиваются только сопло и защитное стекло оптики. Это же и объясняет главное преимущество: сложность контура почти не влияет на стоимость реза, значение имеет длина линии, а не количество поворотов и мелких элементов.

На чертеже способ резки не всегда обязателен к указанию, но если важна геометрия отверстий и повторяемость партии, стоит прямо написать «лазерная резка» в технических требованиях, чтобы на участке сразу выбрали нужное оборудование, а не универсальный способ по умолчанию.

Типы промышленных лазеров: CO2, волоконный и диодный

• CO2-лазер. Луч рождается в трубке с газовой смесью на основе углекислого газа, до головы режима доводится системой зеркал. Долгое время был стандартом отрасли, хорошо ведёт себя на органике и на тонкой нержавейке, но требует юстировки зеркал и расходует газовую смесь.
• Волоконный (иттербиевый) лазер. Источник это диодная накачка через легированное волокно, луч идёт по гибкому кабелю прямо к голове станка. Длина волны короче, чем у CO2, поэтому металл поглощает энергию охотнее: отражающие металлы режутся увереннее, а сама установка компактнее и экономичнее по электричеству и обслуживанию.
• Диодный лазер. Компактный источник для узких задач, промышленный раскрой листового металла обычно ведут на CO2 или волокне, диод встречается в нишевых установках и на маркировке.

Ассистирующий газ: кислород, азот, воздух

Газ, который идёт следом за лучом по соплу, не просто выдувает расплав. Его тип и давление меняют скорость реза и качество кромки сильнее, чем может показаться на первый взгляд.

Выбор газа не произвольный: на нержавейке кислород даёт тёмную окисленную кромку, которая портит внешний вид и коррозионную стойкость шва при последующей сварке, поэтому там почти всегда работает азот. На толстой углеродистой стали, наоборот, кислород выгоднее по скорости, а разница в цвете кромки не критична для конструкционной детали.

Какие металлы и толщины берёт лазер

Диапазон толщин у каждого металла свой: отражение поверхности и теплопроводность меняют, сколько энергии луча реально уходит в рез, а сколько теряется.

Заметьте закономерность: чем сильнее металл отражает свет, тем меньше уверенная толщина и тем дороже рез. Про полный перечень изделий из цветных металлов, включая последующую механообработку, есть страница детали из нержавейки, алюминия и титана.

Параметры резки: мощность, скорость, фокус

Точный режим всегда подбирается под конкретную толщину и марку металла, ниже практический ориентир, а не готовая таблица для копирования в программу станка.

Общее правило цеха: чем толще металл, тем ниже скорость и выше требуемая мощность, но связь не линейная, потому что растёт и время на выдув расплава из глубокого реза. Именно поэтому производитель станка даёт стартовые таблицы режимов, а окончательная настройка всегда идёт по пробному резу на образце того же металла и той же партии листа.

Точность, ширина реза и зона нагрева

Ширина реза (диаметр пятна плюс зона расплава) у лазера узкая, обычно десятые доли миллиметра, поэтому деталь почти не теряет металл на сам рез, в отличие от плазмы или газа. Зона термического влияния тоже минимальна: металл рядом с резом почти не меняет структуру, что важно, если следом идёт сверление или нарезание резьбы рядом с кромкой.

Типичные дефекты лазерной резки

Большинство дефектов лазерной резки лечится не заменой оборудования, а подбором режима под конкретный лист: партия металла от другого поставщика может немного отличаться по составу и толщине, и старая программа даёт уже не тот результат. Поэтому первую деталь новой партии всегда проверяют перед запуском полного тиража.

CO2 или волокно: что выбрать под задачу

Прямого победителя нет, вопрос в задаче. Волокно выигрывает по скорости на тонком и среднем листе, по эффективности электричества и по работе с отражающими металлами: алюминием, латунью, медью. CO2 удерживает позиции там, где важна максимально гладкая кромка на очень тонкой нержавейке и где уже есть парк такого оборудования с отлаженным обслуживанием.

• Тонкий и средний лист, серии, разные металлы в одном потоке заказов: волокно почти всегда выгоднее.
• Очень тонкая нержавейка с требованием к идеальной кромке: CO2 иногда даёт чуть лучший результат.
• Медь, латунь, полированный алюминий: волокно переносит отражение легче и стабильнее.

Раскрой листа и вложение деталей

Сложность контура для лазера почти бесплатна, а вот площадь и раскладка деталей на листе стоят денег напрямую: металл в цене заготовки часто весит больше, чем сама операция резки. Программа раскроя вкладывает детали друг в друга, разворачивает их и оставляет минимальные перемычки, обычно 2-4 мм между соседними контурами. Чем плотнее лист заполнен деталями, тем меньше цена одной штуки в партии.

Подробный разбор карты раскроя, перемычек и делового остатка листа собран на общей странице резка металла, там же сравнение всех способов между собой, а не только лазера.

Безопасность на лазерном участке

Сам луч работает в замкнутом контуре станка, оператор с ним напрямую не контактирует, но участок требует своих правил. Испарения металла и защитных покрытий, особенно оцинковки и окрашенного листа, отводятся местной вытяжкой, потому что при нагреве выделяются вещества, которые нельзя вдыхать без вентиляции. Класс лазерной опасности установки определяет требования к ограждению рабочей зоны и к обучению персонала, эти параметры прописаны в паспорте конкретного станка.

Лазер, плазма и гидроабразив: когда что выбрать

Лазер лучший по точности и скорости на листе до 20 мм, но проигрывает по деньгам там, где толщина уходит за эту границу или где металл нельзя греть вовсе. Подробный разбор плазменной резки, её физики и режимов вынесен в отдельную статью про плазменную резку металла: там же таблицы толщин и сравнение с лазером на средних сечениях. Для чисто прямых резов на листе до 6 мм, без контура, часто выгоднее механическая рубка на гильотине, это разобрано в статье про рубку металла.

• Толщина до 20 мм, нужен точный контур: лазер вне конкуренции по сочетанию цены и качества.
• Толщина от 20 до 60 мм, крупный простой контур: плазма быстрее и дешевле.
• Закалённая сталь, деталь без права на нагрев: только гидроабразив.
• Прямая линия на листе до 6 мм, без контура: механическая рубка на гильотине выгоднее любого термического способа.

Что делаем на производстве, цены и сроки

На своём участке ведём лазерную резку стали, нержавейки, алюминия и латуни по чертежу, DXF-файлу или образцу, единично и партиями, дальше в этом же цехе доступны гибка, сварка, покрытия и механообработка кромок. Точные цены, форматы файлов и порядок оформления заявки собраны на отдельной странице услуги лазерная резка металла на заказ, здесь ориентир по деньгам без привязки к конкретному чертежу.

Перед расчётом уточняем: марку металла и толщину, готовый DXF или нужно строить контур по фото или образцу, количество деталей и требуется ли обработка после резки, гибка, сварка или покрытие. Смежные заготовительные операции, сварку деталей из листа и покрытия готовых изделий, смотрите на страницах сварка нержавейки и алюминия и покрытия металла.

Вопросы и ответы