Лазерная резка стали

Развитие в последние годы в нашей стране новых форм металлотрейдинга (в частности, тенденция к созданию сервисных центров) вызвало высокий интерес и к современным методам обработки проката.

Одним из самых востребованных из них, безусловно, является точный раскрой листа методом лазерной резки, причем спрос на эту услугу возрастает на 20–25% ежегодно. Это вызвано не в последнюю очередь ростом числа современных предприятий, таких как автомобилестроение, машиностроение, судостроение и смежных с ними производств, а также других высокотехнологичных отраслей экономики. О некоторых аспектах востребованной технологии будет рассказано ниже.

Лазерная резка: принципы метода

Лазер (LASER, аббревиатура английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света в результате вынужденного излучения») – один из немногих примеров, когда фундаментальная научная разработка практически сразу становится востребованной на потребительском рынке. С момента создания в 1960 году устройства, способного преобразовывать различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и пр.) в энергию когерентного электромагнитного излучения, до первой коммерческой модели компании «Спектра физикс» (США) прошло всего полтора года.

Менее чем полвека развития сумели сделать технологию вполне обыденной, породив огромное число разновидностей и моделей. Разброс впечатляет: от миниатюрного «нанолазера» в несколько микрон до крупнейшей установки «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США (размером в 137 м), предназначенной для работ по изучению процессов термоядерного синтеза.

Однако наиболее востребованными лазерные технологии оказались в области обработки материалов, особенно металла. По ряду причин основными типами устройств для их обработки стали твердотельные лазеры на стеклах (на иттрий-алюминиевом рубине и неодимовом стекле) и газовые, высокого давления (на системе газов N2, N2­CO2 и N2­CO и, в ряде случаев, кислорода воздуха). В общем, процесс обработки сводится к термическому воздействию светового пучка на поверхность. При этом луч диаметром приблизительно 0,1–0,2 мм в фокальной точке с помощью линз фокусируется на заготовке. Происходит практически мгновенный локальный нагрев, в результате чего металл начинает плавиться или испаряться. Расплав или пар удаляются потоком режущего газа.

На скорость газолазерной резки, форму реза, качество кромок и чистоту боковых поверхностей реза влияют как параметры лазерного излучения, так и газодинамические характеристики струи, ее геометрические параметры, определяемые формой сопла, и физико-химические свойства газа. При этом современное оборудование позволяет добиться высокой точности и качества обработки как плоскостных (2D­лазерная резка), так и объемных деталей. В последнем случае (3D­лазерная резка) применяются многоосевые установки. Например, японская система Mazak Optonics 3D (6 осей) может осуществлять резку труб, в том числе прямоугольной и треугольной формы, а так­же балки С­, H­, I­ и L-сечений. В этом случае оси и одновременно контролируемые насадки обеспечивают точное соблюдение угла реза для сложных контуров.

Среди перспективных видов лазерной резки можно выделить газопламенную лазерную резку и резку с использованием высокого давления. В первом случае эффективность обработки обусловлена воздействием кислорода, в результате которого начинает идти экзотермическая (с активным выделением тепла) химическая реакция. Это позволяет увеличить скорость обработки в 6–8 раз по сравнению с традиционной газоплазменной резкой. В результате воздействия на месте реза образуется жидкотекучий шлак, который может быть удален без образования наплыва с нижней стороны стального листа. Как правило, такой эффект ярко выражен при резке низколегированной листовой стали достаточно большой толщины. В случае резки нержавеющей стали, алюминия и других цветных металлов ощутимых преимуществ метод не имеет.

Второй вариант – это вид резки «выплавлением». В данном случае в качестве режущего газа применяется азот, подающийся под давлением 15 бар. Благодаря этому образующийся расплав удаляется из реза с большой скоростью, что снижает вероятность появления заусенцев и повреждения краев реза налипшим шлаком. Кроме того, использование химически пассивного азота позволяет избежать окисления металла. Этот метод является наиболее удобным при обработке легированных сталей.

Требования к материалам для лазерной обработки

Очевидно, что лазерная резка оправдана преимущественно в процессах, требующих высокой точности, ведь точность обработки при стабильном качестве реза достигает 0,1 мм при повторяемости 0,05 мм. Наиболее популярна технология в автомобилестроении, где требования к исполнению деталей очень велики. Однако специфика оборудования (например, малый зазор между рабочей головкой станка и обрабатываемой поверхностью) предъявляет особые критерии к качеству поверхности (плоскостности) металла. Это вызвано как соображениями технологии (скорость раскроя выше при высокой плоскостности, см. рис.), так и безопасности (вероятность выхода из строя рабочей головки лазера).

Как правило, такая резка производится по специальным, «лазерным» сортам проката. Их отличает высокое качество поверхности листа. Этого параметра добиваются специальной обработкой, например, прокаткой полос методом Dead Flat. Это так называемая корректирующая прокатка – технологический процесс, который необходим для снятия остаточных напряжений металла и улучшений его плоскостных характеристик. Шероховатость поверхности становится более низкой; плоскостность увеличивается. На сегодняшний момент единственная в Европе подобная линия установлена на заводе Ruukki (ведущий европейский поставщик решений из металла для строительства и машиностроения).

Помимо этого, «лазерные» стали обладают такими качествами, как хорошая способность к горячему цинкованию (в составе металла находится минимальное содержание фосфора и кремния) и к гибке. Это во многом является следствием оптимизации химического состава продукта (см. таблицу), который определяет механические характеристики проката и, в конечном итоге, качество обработки на установке лазерной резки. Естественно, что этот материал хорошо переносит любые другие виды обработки – от плазменной сварки до обычной газовой или механической резки.

Неоспоримым преимуществом применения подобных сортов стали является готовность изделия «за один раз», которое обеспечивается высоким качеством реза и немедленной пригодностью для последующей обработки – сварки, механической резки, оцинковки и т. д.

Как правило, «лазерные» марки выбираются для высокотехнологичных проектов. Так, сталь линейки Laser была выбрана для строительства турбин энергоблоков чилийской ГЭС «Ла Игера». Для ее агрегатов крупнейший мировой производитель энергетических установок ОАО «Силовые машины» закупил 160 тонн фирменной стали Ruukki – Laser 420 MC.

Химический состав специальных "лазерных" сталей

Основные области применения лазерных технологий при обработке металлов

Очевидным преимуществом лазерной обработки металла является целый ряд свойств, таких как высокая скорость, идеальная поверхность реза, экономия материала благодаря малой ширине разреза, возможность изготовления сложных и уникальных изделий, высокая стандартизация значительного числа одинаковых деталей, минимальные деформации материала и т. п. Более того, сегодня существуют технологии, где уже трудно найти альтернативу лазеру.

Так, лазерная резка стальных листов толщиной до 6 мм по сложному контуру является повсеместной для современной промышленности. Особенно эффективным метод оказался на опытных производствах, поскольку широкие возможности по переналадке лазерных установок позволяют осуществлять различные варианты несерийных деталей. В этих условиях лазерная резка оптимальнее других методов (например, водяной струи и эрозионной проволоки). Практически безальтернативной является и обработка сложных трехмерных образцов (3D­резка). При этом перспективные возможности таких технологий выглядят почти фантастикой – недавно была создана установка и разработана практическая технология «выращивания» трехмерных объектов непосредственно из рабочего материала (металл, керамика, биосовместимые композиции) путем послойного спекания порошков.

До последнего времени резка лазером ограничивалась достаточно тонкими листами. Однако недавно в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН на основе результатов фундаментальных исследований взаимодействия мощных лазерных пучков с веществом при глубоком проникновении были разработаны и получили практическое применение технологические процессы и оборудование лазерной сварки и резки материалов большой толщины. Разработаны основы высокоскоростной (до 20 м/мин.) лазерной сварки нержавеющих труб из аустенитного класса сталей, обеспечивающие свойства соединения по коррозионной стойкости на уровне основного металла. Здесь же создан стенд по лазерной сварке газонефтепроводных труб с комбинацией двух лазеров мощностью 5,0 кВт и 3 кВт. Установлено, что свойства полученных на них лазерных сварных соединений по своим характеристикам не уступают основному металлу.

Говоря о процессах сварки лазером, стоит сказать, что они также широко распространены. Технология позволяет формировать стыки изделий из углеродистых и легированных сталей толщиной до 10 мм. Особенно ярко преимущества лазерной сварки видны при сварке тонких (до 1 мм) изделий, таких как батареи аккумуляторов, сердечники трансформаторов, рабочие колеса насосов. Например, такие автоматизированные технологии применяются на заводах концерна Grundfos в Дании и Германии. Там лазерная сварка используется для изготовления рабочих колес многоступенчатых насосов, поскольку эта операция требует высокой точности и качества шва.

Широко распространена и пробивка отверстий, которая позволяет получать отверстия диаметром 0,1–1,2 мм при толщине материала до 3 мм. Она незаменима при производстве форсунок, сит, фильер и пр. При соотношении высоты отверстий к их диаметру 16:1 лазерная пробивка превосходит по экономичности почти все другие методы.

Также лазерные технологии используются при нанесении размерных шкал (маркировке) на мерительный инструмент и в декоративной гравировке.

Необходимо заметить, что в наши дни интенсивно развиваются перспективные методы лазерной обработки. Например, направленное деформирование с целью получения сложных объемных конструкций. Ведутся активные разработки технологических процессов, основанных на инициации сложных химических реакций (с получением нитридов, карбидов и других соединений) на поверхности материалов. Они ведут к получению новых прочностных свойств.

Сегодня основным потребителем лазерных систем стала наукоемкая промышленность, для которой точность обработки деталей из листового проката (например, автомобильная и судостроительная промышленность) и листового конструкционного материала (авиационная промышленность) жизненно важны. Но, как известно, эти индустрии становятся своеобразным «паровозом» высоких технологий для других отраслей. Повышающиеся с каждым годом требования клиентов ведут к тому, что тенденция внедрения лазеров станет повсеместной. Заменяя дорогой и непродуктивный ручной труд, инновации обеспечивают высокую производительность, точность, качество и являются наиболее перспективным способом развития производства.