Лазер чи плазма
Технології лазерного та плазмового різання матеріалів мають одну область застосування та є конкуруючими технологіями.
Як інструмент при лазерному різанні дуже спрощено використовується сфокусований лазерний промінь. При безперервному режимі роботи лазерний промінь нагріває матеріал, що обробляється до температури плавлення, отриманий розплав видаляється струменем газу під високим тиском. При сублімаційному лазерному різанні металу матеріал під впливом лазерного імпульсу випаровується в зоні різання.
Плазмове різання полягає в проплавленні металу, що розрізається, за рахунок теплоти, що генерується стиснутою плазмовою дугою, і інтенсивному видаленні розплаву плазмовим струменем. Плазмова дуга виходить із звичайної у спеціальному пристрої – плазмотроні – в результаті її стиснення та вдування в неї плазмоутворюючого газу.
Лазерне різання, на відміну від плазмової, забезпечує отримання більш точних по перпендикулярності кромок і більш вузьких прорізів стосовно характерного для процесу діапазону товщин. Сфокусоване лазерне випромінювання дозволяє нагрівати досить вузьку зону матеріалу, що обробляється, що зменшує деформації при різанні. При цьому виходять якісні та вузькі різи із порівняльною невеликою зоною термічного впливу. Додатковою перевагою лазерного різання є точність одержуваних деталей, особливо при утворенні вирізів, невеликих фігур складної конфігурації та чітко окреслених кутів. Однією з головних переваг цього виду обробки є її висока продуктивність. Лазерне різання особливо ефективне для сталі товщиною до 6 мм, тому що забезпечує високу якість і точність при порівняно великій швидкості різання. При лазерній обробці на тонколистовому матеріалі не залишається окалини, щодозволяє одразу передавати деталі на наступну технологічну операцію. Кромки різу у листів товщиною до 4 мм і менше залишаються гладкими і прямолінійними, а у листів більшої товщини кромки мають деякі відхилення зі скосом приблизно 0,5 °. Діаметри отворів, вирізаних лазером, мають у нижній частині трохи більший діаметр, ніж у верхній, але залишаються круглими та гарної якості. Для металу товщиною 20–40 мм лазерне різання застосовується значно рідше за плазмову, а для металу товщиною понад 40 мм – практично не використовується.
Плазмове різання, в порівнянні з лазерною, ефективне при обробці значно ширшого по товщині діапазону листів при відносно хорошій якості різу. Даний вид обробки економічно доцільний для різання алюмінію та сплавів на його основі завтовшки до 120 мм; міді завтовшки до 80 мм; легованих та вуглецевих сталей товщиною до 150 мм; чавуну завтовшки до 90 мм. На матеріалах товщиною 0,8 мм і менше використання плазмового різання знаходить обмежене застосування. Для плазмового різання характерна деяка конусність поверхні різу 3 ° - 10 °. При вирізанні отворів, особливо на великих товщинах, наявність конусності зменшує діаметр нижньої кромки отвору, на деталі завтовшки 20 мм різниця діаметра вхідного та вихідного отвору може становити 1 мм. Слід враховувати, що плазмове різання металу має обмеження за мінімальним розміром отвору. Отвори хорошої якості виходять при діаметрі не менше товщини листа, що розрізається плазмою. При даному способі різу є короткочасний термічний випал кромки металу, що розрізається. Все це призводить до погіршення якості деталей. Найчастіше на цих деталях є невелика окалина, яка легко видаляється.
Порівнюючи два описаних вище способи,можна дійти висновку, що результати лазерного та плазмового різання приблизно однакові при обробці металів малої товщини. Якщо говорити про обробку металів, товщина яких перевищує 6 мм, то тут лідируючі позиції займає плазмова технологія, яка перевершує лазерну і за швидкістю виконання операцій, і за рівнем енергетичних витрат. Але слід враховувати, що якість деталей, отриманих при лазерному різанні на малих товщинах, значно вища, ніж при використанні плазми, і доцільним є використання цієї технології при отриманні виробів складної форми, для яких особливе значення має висока точність та максимальна відповідність проекту. Слід зазначити, що лазерне випромінювання, на відміну плазми, є широкоуніверсальним інструментом (крім різання воно застосовується також маркування, зміцнення, розмітки тощо.). Також термін служби витратних матеріалів при лазерному різанні незрівнянно більш тривалі, ніж при плазмовому.
Важливою характеристикою є вартість установок. Верстати плазмового різання дешевші за лазерні, але при порівнянні вартості експлуатації установок слід враховувати ряд однакових або аналогічних параметрів, що існують при роботі цих установок і впливають на експлуатаційні витрати. Це стосується насамперед вартості витратних матеріалів, а також електроенергії та допоміжних газів.
До основних газів, що використовуються при лазерному різанні, відносяться повітря і кисень (при різанні вуглецевої сталі) або азот (при різанні корозійно-стійкої сталі і алюмінію). Енергетичні витрати включають витрати на електроенергію, що споживається самою установкою, електроенергію для лазера і охолоджуючого пристрою, а до компонентів, що витрачаються, відносяться внутрішня і зовнішня оптика, лінзи, сопла,фільтри. Періодичність заміни витратних компонентів, що використовуються в установці лазерної річки, становить від кількох тижнів до кількох років, залежно від багатьох параметрів.
При здійсненні плазмового різання в основному використовують повітря та кисень. До енергетичних витрат тут відносять витрати на електроенергію для створення плазми та для живлення самої установки плазмового різання. У числі витратних компонентів - сопло, електрод, кільце, що розсікає, кришки, керамічна напрямна і екран. Як варіант можна використовувати слаботочні електроди та сопла, що веде до підвищення якості різання, але при цьому знижується її продуктивність.
Інші параметри, наприклад, кількість отворів, що вирізуються на одну деталь, впливають на годинну вартість експлуатації плазмової установки в більшій мірі, ніж на той же показник для лазерної, оскільки витрачаються компоненти, наприклад, сопла і електроди розраховані на певну кількість стартів або прошивок. Чим більше отворів потрібно прошивати в деталі для її різання, тим вищою є вартість години роботи плазмової установки.
Порівнюючи якість одержуваних деталей і з вартості витрат за витратні матеріали, можна дійти висновку, що лазерна різання ефективніше плазмової для тонших листових матеріалів, а плазмова — більш товстих. Слід враховувати, що експлуатаційні витрати для обох типів різання мають широкий розкид і багато в чому визначаються геометричними параметрами заготовки, числом отворів в ній, видом і товщиною матеріалу, що розрізається.