Лазерно и плазмено рязане

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2011

Съвременни технологии с широка приложна област

   Технологиите за плазмено и лазерно рязане намират широко приложение в съвременната индустрия. Те се възприемат като високоефективни методи за рязане както на метални, така и на неметални материали. Отличават се с висока точност, бързина и икономичност. В сравнение с много от другите процеси, използвани за рязане на метали, включващи механично и термично обработване, заваряване, газово рязане и т. н., лазерното и плазменото рязане се считат за по-добро решение в редица случаи. И двата процеса имат своите предимства и недостатъци и се различават значително в използваната технология.

Лазерно рязане
Лазерното рязане все още се възприема като сравнително нова, но многообещаваща технология за обработване на метали. Използването му позволява производството на метални изделия, които се отличават с висока точност на обработката, в сравнително кратки срокове.
Съвременните машини за лазерно рязане се характеризират с висока производителност и позволяват значителна степен на автоматизация на процеса на обработка на материала. Могат да работят с различни метали и са подходящи за различни индустриални области. В сравнение с механичното рязане, лазерното рязане не замърсява материала, тъй като липсва физически контакт, поради което не се налага и допълнителна обработка на продукта. Също така, то осигурява много висока точност на рязане, което е особено важно за редица индустриални приложения. Режещият елемент при лазерното рязане се явява насочен лазерен лъч с голяма енергия, под въздействието на който се получава по-бързо топене, изгаряне или изпарени на материала.
В индустриалния сектор, лазерното рязане е широко използвано за рязане на листови материали и тежки метали, както и индустриални компоненти с различни размери и твърдост. Сред предимствата на лазерната технология е, че получените отпадни продукти се отстраняват чрез струя газ, в резултат на което се получава гладка повърхност.
В зависимост от начина на обработка на материала лазерите биват твърдотелни, газови, течни и полупроводникови. В индустрията се използват предимно твърдотелни и газови лазери
От твърдотелните лазери, които биват импулсни и непрекъснати, за момента най-широко използвани са твърдотелните лазери, при които лазерният лъч се генерира в кристална пръчка от итриево-алуминиев гранат, активиран с ниодим. Дължината на вълната на лъча обикновено е от 1 до 3 микрона. Лъчът се характеризира с много къс импулс и повторение на специфична честота. Този лазер се явява едни от най-мощните импулсни лазери.
Сред най-широко използваните газови лазери са СО2 лазерите, при които лазерният лъч се генерира във вакуум, съдържащ CO2 газ. Дължината на вълната на лъча е около 10 микрона. Основно предимство на газа като активна среда се явява високата оптическа еднородност. Ето защо, за научни и технически приложения, за които се изисква много добра насоченост и монохроматичност на излъчването, газът е предпочитан.
Принципно, като газова среда могат да се използват различни газове, в които се използват квантовите преходи на неутрални атоми, молекули и йони с честоти, вариращи от ултравиолетовите до инфрачервените части на спектъра. Сред широко използваните газови смеси е и сместа от хелий и неон.
При газовите лазери най-отчетливо се проявяват характерните свойства на лазерното излъчване - високата насоченост и монохроматичност. Тяхно предимство се явява възможността им да работят в непрекъснат режим.
Обикновено технологичните възможности на оборудването за лазерно рязане позволява рязане на метала с малко количество отпадни продукти. Машините за лазерно рязане се отличават с повишена точност на позициониране което обуславя високата икономическа ефективност на рязането. Характеризират се с висока скорост на работа, която зависи от мощността на лазерния лъч.
С помощта на оборудването за лазерно рязане може да се обработват и неметални детайли, както и детайли, лесно податливи на деформации. Използването на оборудване за лазерно рязане дава възможност да се изрязват детайли с всякакъв контур, с различно ниво на сложност. Те се считат за особено подходящи, в случай на производство на малка партида изделия, тъй като крайната им себестойност е по-ниска в сравнение с някои други методи за производство.
Според специалисти, използването на машини за лазерно рязане позволява значително да се увеличи производителността на процесите, свързани с обработка на металите, в това число и в условията на серийно производство. Машините за лазерно рязане дават възможност за оперативна пренастройка на параметрите за обработка на детайлите. Именно гъвкавостта е една от причините машините за лазерно рязане да са търсени в много области, където се използват листови материали като например в нефтохимическата промишленост, при изготвянето на изделия с медицинско предназначение, в производството на електроника, в рекламната индустрия и т. н.
Машините за лазерно рязане, обаче, имат едно ограничение по отношение на използването. Тъй като КПД на лазера, използван в оборудването за лазерно рязане, е относително невисок, то могат да се обработват само детайли, дебелината на които не превишава 25 мм.

Рязане без деформации
Въпреки че лазерното рязане има незначителни недостатъци, то позволява да се направят много сложни и обемни конструкции. При това, в резултат себестойността на готовата продукция се получава достатъчно ниска. Програмното осигуряване на голяма част от машините за лазерно рязане дава възможност да се проектира триизмерен модел на изготвяната конструкция. Отчитайки, че лазерът на практика не влияе на явната деформация на метала, лазерното рязане може да се използва и за производството на много крехки части или декоративни изделия. Машините за лазерно рязане позволяват да се получи минимална площ на разреза, при това почти напълно отсъстват деформации на краищата. Също така, като цяло при използването на лазерно рязане се получават по-малко отпадни продукти. По отношение на точността на режещия инструмент - при лазерното рязане тя достига 0,08 мм. Това напълно изключва възможност за неточна проекция на планираното изображение или на неговото проектиране.

Бързо откупуване на машините
Лазерното рязане се приема за една от най-добрите технологии при производството на партидна или масова продукция, поради сравнително бързото им откупуване в подобни приложения. Също така, то дава възможност да се изготвят изделия с всякаква сложност, в това число и профили с много сложно сечение. Съвременните машини за лазерно рязане могат да обработват на практика всякакви метали и техните сплави. Едно от основните им предимства е простотата на управлението, тъй като болшинството от произвежданите днес машини за лазерно рязане са автоматизирани.
Наред с редицата предимства, все пак е добре да се има предвид, че използването на лазерно оборудване се счита за целесъобразно в тези случаи, в които е необходимо да се изпълнят действия като: машинна обработка на метал без високи начални загуби и физически контакт с метала, обработка на метала без използването на голямо количество ръчен труд, рязане на метали, което не предполага последваща обработка на детайла, високоскоростно рязане на метал, което да е съпровождано с незначителни топлинни въздействия на повърхността на метала.

Тенденции в развитието на машините за лазерно рязане
Практиката на използването на машини за лазерно рязане в производствените процеси може да се приеме, че все още е сравнително нова, тъй като се прилага от малко над двайсет години. За този кратък период, обаче, машините за лазерно рязане са подобрявани нееднократно, например значително се е повишила скоростта на рязане на метала. Мощността на лазерите, с които се оборудват съвременните машини, също се е повишила и днес достига до шест киловата. Като основни тенденции в бъдещото развитие на тези машини специалистите определят увеличаването на скоростта на рязане и повишаване дебелината на обработвания материал. Сред тенденциите в развитието на машините за лазерно рязане е и тяхното пълно автоматизиране и ограничаване на необходимостта от човешка намеса до минимум. Немалко съвременни машини за лазерно рязане са оборудвани с устройства за изтегляне на големи по размер листа. Наличието на тези устройства значително повишава производителността на машината и в резултат снижава себестойността на готовата продукция.

Плазмено рязане
Плазмата или плазменото рязане е процес разработен през 1950 г. Процесът е специално разработен за рязане на метали като неръждаема стомана, алуминий и мед, които трудно могат да бъдат срязани чрез други широко използвани методи за рязане като пламъчно рязане, например. При плазменото рязане се използва електропроводим газ за пренасяне на електрическа енергия от източника през режещата плазмена дъга към разрязвания материал. Използваните електропроводими газове включват аргон, хидроген, нитроген и смеси, както и въздух и кислород. Самият процес включва подаване на газа с много висока скорост през дюза и насочването му към мястото на рязане. Когато газът влезе в контакт с металната повърхност, се образува електрическа дъга. Преди газът да премине през дюзата обаче, той преминава през електрод, през който протича електрически ток, благодарение на което в газа се получават положително и отрицателно заредени йони. Част от газа, изтичащ през дюзата, се превръща в плазма, която е с много висока температура и може да разреже стопения метал. Останалият газ се използва за издухване на разтопения метал от отреза, за по-нататъшното рязане. Плазмата е с много висока температура от порядъка на  25 000 °C и получените искри се отделят с голяма скорост. Също така, при плазменото рязане се генерира високо радиационно излъчване, а интензивно нагряване на дъгата създава значителни количества дим и пушек от изпаряващия се метал в прореза. По тази причина се препоръчва по време на плазмено рязане да се използват предпазни очила и маски за очите и лицето.
Обикновено машините за плазмено рязане разполагат с канали, през които се подават предпазни газове, които се използват да влияят върху налягането и плазмената дъга и да запазят плазмената струя насочена върху металната повърхност. Инертни или полуинертни газове се използват като защитни за площта, където плазмената дъга или струя е в контакт с метала.
Плазменото рязане е с много широк диапазон по отношение на дебелината на металите. То може да се използва за рязане на метали като неръждаема стомана и цветни метали с дебелина от 0,5 до 150 мм. За особено икономически целесъобразно се счита използването му при рязане на въглеродна стомана с дебелина в диапазона от 1,5 до 30 мм.

Използвани технологии
Използват се няколко технологии за плазмено рязане, сред които стандартно плазмено рязане, при което се получава плазмена струя на базата на използването на различни газове. Използва се за рязане на неръждаема стомана, листова ламарина. Друга техника е въздушното плазмено рязане, което се счита за 25% по-бързо от стандартното плазмено рязане. Използва се и плазмено рязане с воден щит, при което инертните газове са заменени с вода, която се използва за защита на областта, в която плазмената струя и металът влизат в контакт. Възможно е и реализирането на плазмено рязане чрез водна струя, която се впръсква радиално към плазмената дъга за получаването на по-тясна дъга и повишаване прецизността на рязането. За намаляване на шума, отблясъците на плазмената дъга и дима, които съпътстват плазменото рязане, се използва подводно рязане, при което металният лист се потопя във вода и рязането се осъществява, докато е потопен.

Видове машини
В практиката се използват различни машини за плазмено рязане, използващи различни техники за това. Влияние върху плазменото рязане оказват състоянието и дебелината на металния лист, физичните свойства на метала, който трябва да бъде срязан, които играят немалка роля при определянето на точността и дебелината на разреза. Машините за плазмено рязане се разграничават в зависимост от техния електрически капацитет. За индустриални приложения обикновено се използват машини за плазмено рязане, които могат да режат метални листове с дебелина 12 - 15 инча и обхват на тока до 1000 А. За по-малки приложения могат да се използват и преносими апарати с обхват на тока 10-20 А. Машините за плазмено рязане могат да бъдат с ръчно или автоматично управление.

Плазмено или лазерно рязане
Лазерното рязане е процес известен със своята прецизност и точност. Той е много ефективен при рязане на метал и метални повърхности и при рязането причинява само незначителни повърхностни пукнатини. Процесът е сравнително бърз и могат да се режат всякакви метали с изключение на отразяващи като алуминий и мед, които могат да отразяват основната част от лазерната енергия. Освен за метали, то е подходящо също така и за рязане на пластмаси, стъкло и дърво. Но от друга страна, лазерното рязане изисква повече енергия, поради което то се явява по-скъпо в сравнение с плазменото и има сериозни ограничения по отношение на дебелината на материала.
Плазменото рязане, от друга страна, може да реже всякакъв метал със значително по-голяма дебелина от тази при лазерното рязане. То е по-евтино и може да се използва и за рязане на алуминий и мед. Недостатък на плазменото рязане е, че то засяга голям район около разреза, докато лазерно рязане засяга много тясна зона. Плазменото рязане може да доведе до образуването на шлака или повторно втвърден метал в долния край на разреза.
Ограничения за лазерното рязане съществуват по отношение на рязането на материали с различни точки на топене, в същото време плазмено рязане може да бъде ефективно използвано за същите. Що се отнася до съображения за сигурност, то лазерното рязане може да се приеме за по-безопасно, тъй като работниците не влизат в контакт с машината. Ето защо използването на предпазни очила не се изисква, но е препоръчително, докато при плазменото рязане, използването на защитни очила е необходимо.
И двата процеса имат определени предимства и недостатъци. При избора е добре освен особеностите на всяка една от технологиите, да се вземат предвид и някои други немаловажни фактори, каквото са размерът на инвестициите, оперативни разходи и конкретните изисквания на производството.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top