В сентябре на выставке FABTECH  вы, возможно, заметили необычную резку листового металла — не кислородно-топливным, плазменным или даже гидроабразивным методом, а сверхмощным волоконным лазером. Волоконные лазеры с мощностью 20, 30, 50 кВт и выше способны кардинально изменить рынок резки листового металла.

Представьте, что вы управляете мастерской, которая десятилетиями специализируется на толстолистовой стали, используя парк станков для кислородной и плазменной резки, и вот вы установили свой первый мощный волоконный лазер. Чего можно ожидать?

Чтобы подробно рассмотреть процесс, The Fabricator поговорил со Стивом Пью, директором по лазерной технике компании Steel Warehouse из Саут-Бенда, штат Индиана . Более 20 лет Пью работал над расширением возможностей лазера, проверяя качество материалов сервисного центра, включая фирменный горячекатаный протравленный и промасленный прокат (который мощный волоконный лазер режет очень хорошо). Он работал с производителями металлоконструкций, помогая им максимально эффективно использовать их производство, и управлял собственными мощностями Steel Warehouse по термической резке. Размышляя о своём опыте, Пью выделил шесть факторов, которые могут помочь ветеранам плазменной резки перейти на сверхмощный волоконный лазер.

1. Помните об экономике

«Я видел резательные столы с плазменными режущими головками, которые буквально задевали тяжёлые магнитные подъёмники, подвешенные к крану», — сказал Пью, добавив, что «большинство плазменных столов — это реечные системы. Техники просто собрали их обратно, и резательный стол снова был готов к работе. С волоконным лазером такого не проделаешь. Если задеть что-то, начнёшь всё разрушать».

Конечно, волоконные лазеры оснащены кожухами, окружающими лазерную головку, и на самых больших станках кожух перемещается вместе с порталом, перемещающимся вдоль длинного режущего стола. Тем не менее, Пью рассказал эту историю, чтобы подчеркнуть: отношение к волоконному лазеру как к очередному станку для резки пластин может противоречить тому, почему производитель пластин изначально инвестирует в новые технологии. Волоконные лазеры оснащены системами точного позиционирования.

Все, что изменяет положение заготовки относительно сопла режущей головки, может свести на нет тщательно продуманные параметры резки.

При резке листового металла есть одна главная причина инвестировать в волоконный лазер: это позволяет производить больше высококачественных резов за меньшее время и на меньшей площади. По сути, один мощный волоконный лазер может заменить несколько плазменных столов. Именно поэтому, в отличие от рынка листового металла, в сфере резки листового металла всё ещё часто говорят о скорости резки в дюймах в минуту (дюймы в минуту).

«Мы режем материал толщиной 5 см со скоростью 40 дюймов в минуту», — сказал Пью. «На мощной плазменной системе резка того же материала заняла бы около 27 дюймов в минуту, так что вы получаете 13 дюймов в минуту».

Качество реза также играет роль в экономичности резки. Плазменная дуга может создавать гладкую, почти блестящую кромку, в то время как чистая кромка, вырезанная лазером, всё равно будет иметь заметные борозды. Однако плазменная дуга создаёт конусность кромки, и на материале толщиной 5 см эта конусность будет весьма заметна. Лазерный же пропил, напротив, «будет абсолютно прямым», сказал Пью, добавив, что именно поэтому лазер превосходит её по точности резки.

Теперь, когда мощные лазеры оснащены режущими головками, способными снимать фаску, сварочные операции становятся более эффективными, особенно при Y-образной разделке кромок с узкими кромками. «На плазме легко сразу же срезать фаску», — сказал он. «Очень сложно соблюдать строгий допуск прямо по краю материала. С помощью мощного волоконного лазера такая резка скосов становится гораздо проще. Если настройки заданы правильно, возможно, придётся немного подчистить, но это всё».

Представьте себе, как точно вырезанная пластина извлекается из лазера и устанавливается непосредственно в роботизированную сварочную систему, где скошенные срезы и прецизионные фаски идеально сочетаются, образуя нечто вроде V-образной канавки с нулевым зазором, что значительно облегчает работу сварочного цеха. Этот быстрый переход от резки непосредственно к сварке наглядно демонстрирует экономичность высокопроизводительной лазерной резки.

«Нам не нравятся вторичные операции», — сказал Пью.

Конечно, существуют исключения. Некоторые производители оригинального оборудования (OEM) сегодня требуют настолько точной плоскостности (опять же, представьте, как вы кладёте лист в сварочный робот без какой-либо регулировки), что после резки потребуется выравнивание детали. Однако в большинстве случаев прямой переход от лазерной резки к следующей основной операции остаётся идеальным решением.

Волоконные лазеры режут невероятно быстро. Но когда они выходят из строя, они мгновенно теряют огромную мощность резки. Это высокоточное оборудование, поэтому оно требует особого внимания.

2. Соблюдайте правила обращения с материалами

На крупноформатном плазменном столе после остановки резака операторы извлекают детали, в то время как плазменная резка возобновляет резку на другом участке стола. «Это возможно благодаря медленной работе плазмы», — пояснил Пью. Извлечение деталей вручную занимает время, но цикл плазменной резки может занять ещё больше времени, особенно если речь идёт о резке большого количества мелких деталей.

Мощные волоконные лазеры меняют ситуацию. Они очень быстро вырезают даже самые сложные раскройные гнезда, и большинство операций по ручной раскройке просто не справляются с этой задачей. Когда лазер не работает, эти инвестиции не приносят столько прибыли, сколько могли бы, — отсюда и необходимость в продуманной стратегии обработки материалов.

«Чтобы машина работала, нужно убедиться, что детали не используются», — сказал Пью. «Когда машина не работает, это влечет за собой расходы».

Вместо того, чтобы операторы поднимали детали с помощью магнитов или ручного инструмента прямо на раскройном столе, Пью рекомендовал снять всю пластину — детали вместе с каркасом — со стола и доставить их на станцию ​​разгрузки. Там операторы могут извлечь детали из каркаса.

По словам Пью, с ростом объёмов резки листового проката становится целесообразнее автоматизировать обработку материалов. Однако он добавил, что системы обработки материалов должны учитывать особенности листового проката, особенно на вторичном рынке.

«Если вы покупаете некачественный материал, обратите внимание на различия в ширине листа», — сказал Пью. «Если вы покупаете материал шириной 80 дюймов, то можете получить лист шириной 82 дюйма. И знаете что? Ваша автоматизация может не справиться с этим».

3. Следите за выходом материала

Переходя на лазерную резку, менеджеры, увидев рез без конусности на толстолистовой стали, сразу же задумываются о возможностях использования материала. Они представляют себе динамичные раскрои, которые в полной мере используют резы по общей линии; лазерная резка не только быстрее, но и позволяет резать две детали одновременно.

Пью добавил, что да, потенциал для резки по общей линии огромен, при условии правильного подбора параметров резки и высокого качества материала. Динамическое совмещение различных заданий может привести к разрежению остова и резкому увеличению выхода материала и рентабельности работ.

Однако по мере того, как лазерная резка достигает предельной толщины, сокращается и круг заказчиков, использующих такие листы. «При резке листов толщиной 0,75 дюйма и толще у вас может оказаться лишь несколько заказчиков, использующих такой материал», — сказал Пью. Это может означать необходимость использования стационарных раскладок, разработанных специально для заказчика, при резке толстолистовых материалов, что может снизить выход готового материала.

Пью пояснил, что ситуация варьируется в зависимости от состава клиентов производителя, а также от форм и размеров деталей, которые им требуются. В любом случае, когда предприятие может найти нескольких крупных клиентов, использующих материал одинаковой марки и толщины, возможности для увеличения выхода годного материала возрастают. Когда только один или несколько клиентов используют, скажем, материал толщиной 1,5 дюйма, потенциал для достижения чрезвычайно высокого выхода годного материала снижается. У программистов просто не так много деталей, из которых можно выбирать при составлении схемы раскроя.

4. Обратите внимание на качество материала

Пью вспоминал, как работал с производителем, который резал горячекатаный лист толщиной 3/8 дюйма (1,8 см). «Для демонстрации мы начали резать этот материал, и во время резки прогиб был настолько сильным, что из каркаса вырывались части. Казалось, что он готов был свернуться обратно в рулон, хотя на самом деле это был не рулон. Его прокатывали прямо из сляба в лист. Это был один из худших материалов, которые я когда-либо видел, и он мог серьёзно повредить лазерную головку».

Материалы часто могут составлять основную часть себестоимости проданных товаров (COGS), особенно в тяжёлом производстве, поэтому, конечно, они рассматриваются как потенциальная область для снижения затрат. Но, как объяснил Пью, дешёвые материалы могут оказаться очень и очень дорогими, особенно при лазерной резке.

Чтобы определить качественный материал, Пью перечислил три параметра, на которые следует обратить внимание. Во-первых, это остаточное напряжение и потенциальная деформация. Материал может быть подвергнут прокатке, дрессировке или правке на раскатной машине, но независимо от метода, необходимость в том, чтобы материал оставался ровным во время и после резки, никуда не девается. Если материал смещается во время резки, весь процесс становится менее предсказуемым, а падение головки на чрезвычайно производительном станке может серьёзно ограничить производительность.

«Если у вас некачественный материал, после лазерной резки он сдвинется, — сказал Пью. — От этого никуда не деться».

Второй фактор, на который следует обратить внимание, — это высочайшее качество поверхности листа. Некоторые из лучших материалов для листов на рынке обеспечивают качество поверхности, обеспечивающее чистый рез. Это относится и к окалине на горячекатаном материале. «Если у вас хорошая, плотная окалина, мощные волоконные лазеры её по достоинству оценят. Они также хорошо работают с протравленным и промасленным материалом. Но если вы используете горячий прокат с шелушащейся поверхностью, у вас возникнут проблемы, поэтому вам потребуется её очистка».

Пью рассказал, как компания Steel Warehouse внедрила процесс предварительной очистки горячекатаного проката с шелушащейся поверхностью. Операторы кладут тяжёлый лист на пол и используют устройство, похожее на полировальную машину для машин с ручной подачей. «Мы используем большие полировальные круги с крупным зерном», — добавил он, добавив, что «это помогает разбить отслоившуюся окалину».

Третий фактор качества материала, на который следует обратить внимание, — это химическая однородность. «Похоже, химический состав каждого материала диктует, как мы выбираем оптимальный раскрой», — сказал он.

Пью добавил, что материал с высоким содержанием кремния (например, 0,8% или выше, хотя точный состав зависит от марки и области применения) может влиять на качество резки. В частности, кремний склонен «скатываться» во время резки, вызывая образование глубоких полос и пробоев в нижней части реза. Чтобы приспособиться к этому, операторы могут корректировать параметры резки для контроля температуры — например, использовать меньше кислорода в азотно-кислородной смеси, увеличить скорость резки или немного снизить мощность.

Опытные операторы, знакомые с основами лазерной резки (подробнее об этом далее), могут вносить необходимые коррективы. Но если химический состав крайне неоднороден, то все эти корректировки (как при резке, так и при гибке и т.д.) начинают снижать производительность лазера.

5. Следите за планками

«Если кому-то приходится менять положение оси Z [режущей головки] из-за скопления пластин, — сказал Пью, — значит, пластины у них обслуживаются крайне плохо».

Плазменная резка создаёт большое количество шлака на рейках, но, как объяснил Пью, накопление шлака на лазерном станке может негативно сказаться на экономичности процесса резки. Слишком большое количество шлака создаёт ещё один неконтролируемый фактор, который может снизить производительность.

Медные рейки могут помочь. К ним прилипает меньше шлака, и их очистка требует меньше усилий. «Но при обработке тяжёлых материалов кончики медных рейок, как правило, изнашиваются быстрее», — сказал Пью. «Под тяжестью тяжёлого листа они могут прогнуться». Это изменяет высоту пластины и, следовательно, влияет на качество реза.

Оптимальное долгосрочное решение — включить обслуживание ламелей в повседневную работу оператора — будь то раз в неделю или даже раз в смену. Максимально упростите эту задачу и выделите на неё время в производственном графике.

«Мы фактически разработали собственные ручные очистители решёток», — сказал Пью, добавив, что команда обсуждала с операторами, как максимально упростить процесс. Им нужен был лёгкий и простой инструмент, которым можно было бы регулярно чистить решётки. Поэтому они взялись за дело и разработали устройство с зубьями, которые откалывают шлак, когда операторы подтягивают устройство к себе.

6. Следите за процессом резки

Как объяснил Пью, обучение операторов плазменной резки работе с мощным лазером обычно несложно. Суть работы схожа. Опытные операторы плазменной резки осматривают электрод и другие элементы на предмет износа. Опытные операторы лазерной резки обращают внимание на изменения в соплах, проверяя, что в отверстии нет мусора. Оба оператора выполняют калибровку системы и наблюдают за факелом под резом, обращая внимание на изменения.

Тем, у кого уже есть опыт термической резки, основы лазерной резки должны показаться знакомыми. Главное отличие заключается в чувствительности процесса. «Плазма может резать практически всё, главное поддерживать дугу, — сказал Пью, — а дугу будет поддерживать всё, что заземлено».

Идея лазерной резки заключается в поддержании ламинарного потока вспомогательного газа, окружающего правильно сфокусированный луч. Резка углеродистой стали с использованием вспомогательного газа с кислородом основана на экзотермической реакции, обеспечивающей рез, при этом давление и расход относительно низкие. При использовании вспомогательного газа с азотом (резка плавлением) энергия лазера расплавляет материал, а вспомогательный газ с азотом выводит его из реза, что требует высокого давления и высокой скорости потока.

«Когда мы лазером режем 2-дюймовый лист с кислородом [вспомогательным газом], давление составляет всего около одного бара, или около 14,5 фунтов на кв. дюйм», — сказал Пью. «С другой стороны, когда мы режем 20-миллиметровый материал чистым азотом, давление составляет от 8 до 10 бар, или около 140 фунтов на кв. дюйм».

Стратегия подачи вспомогательного газа может изменить оптимальную фокусировку луча. В настоящее время мощные машины для резки толстой углеродистой стали или алюминия газовой смесью часто используют отрицательный фокус, то есть фокус, расположенный ниже поверхности материала. То же самое относится и к прямой резке азотом. В обоих случаях концентрация энергии в зоне реза способствует чистому отводу расплавленного металла.

Между тем, резка очень толстой углеродистой стали с использованием кислородного вспомогательного газа часто выигрывает от положительного фокуса над материалом, положения, которое может оптимизировать экзотермическую реакцию, управляющую процессом резки.

«Когда дело доходит до лазерной резки толщиной 5 см и больше, это почти как резка пламенем», — сказал Пью. «Это гораздо более концентрированное и контролируемое пламя, и резка происходит гораздо быстрее, но экзотермическая реакция играет здесь решающую роль».

Технические таблицы для станков обеспечивают прочную основу и различаются в зависимости от конкретной машины. Пью также описал, как операторы могут настраивать параметры для оптимизации реза. Всё сводится к контролю температуры и предоставлению времени для эвакуации расплавленного металла из реза (а не «застывания» на дне в виде шлака). Для этого требуется хорошо сфокусированный луч и вспомогательный газ с достаточным расходом и давлением. Если, например, несколько лазеров одновременно используют азот, система подачи вспомогательного газа должна обеспечивать постоянное давление. В противном случае операторы рискуют потерять рез.

Лазерная резка как процесс предлагает множество «регуляторов» для настройки, и почти каждый из них зависит от области применения (Пью ограничивал каждый предложенный параметр лазерной резки словами «обычно» или «часто», никогда не делая однозначных заявлений). Операторы могут увеличивать или уменьшать скорость, изменять давление и расход вспомогательного газа, возможно, даже менять состав вспомогательной газовой смеси, чтобы получить больше или меньше «усиления» от содержания кислорода.

«Как ни странно, при использовании газовой смеси мы можем использовать сопло меньшего размера, поскольку это помогает направлять поток и обеспечивает лучшее качество резки», — сказал Пью.

Он добавил, однако, что настройка параметров резки может стать своего рода донкихотством, когда операторы тратят дни на то, чтобы гоняться за этими метафорическими ветряными мельницами. Возможно, им приходится бороться с низким качеством материала, плохим обслуживанием оборудования, режущим соплом с некруглым отверстием, некачественной системой трубопроводов и недостаточным давлением вспомогательного газа, «грязными» ламелями и, что не менее важно, с общей бизнес-стратегией, которая не позволяет максимально эффективно использовать процесс лазерной резки.

Чем быстрее качественные детали поступают к заказчику, тем выше оборачиваемость запасов и тем более успешным может стать производитель оборудования для резки пластин.