В №1 журнала «РИТМ машиностроения» за 2026 год в рамках спецпроекта «Лазерная эра» мы подобрали несколько статей, авторы которых по-разному оценивают эффективность лазерной, плазменной и газокислородной резки — особенно при резке толстого металла. Сегодняшняя статья Николая Грезева продолжает эту дискуссию. Основной тезис автора: выбирая технологию раскроя, нужно считать не стоимость погонного метра реза, а общие затраты на весь цикл производства детали.

 Николай Грезев,  кандидат технических наук,  главный технолог отделения  лазерных систем  ООО «ВПГ Лазеруан»  (кластер «СФ Тех» ГК Softline)

Введение

Публикации А.К. Никитина и Г.С. Миклашевского представляют собой добросовестный инженерно-­экономический анализ, с которым трудно не согласиться в рамках тех вопросов, которые авторы перед собой поставили. А.К. Никитин, опираясь на многолетний опыт ВНИИавтогенмаш, формулирует ёмкую технологическую закономерность: лазер эффективен до 8–12 мм, плазма — в диапазоне 10–50 мм, кислородная резка — на толщинах свыше 40–50 мм. Г.С. Миклашевский подкрепляет эту логику конкретными производственными расчётами: его сравнительная таблица на примере листа 40 мм (сталь 09Г2С, 100 деталей, 50 м реза) убедительно показывает, что даже лазер мощностью 120 кВт при работе на столе длиной 6 м проигрывает плазменной установке XPR300 по производительности в 1,4 раза, а при переходе на стол 12 м разрыв достигает пятикратного значения в пользу плазмы. Тезис Г.С. Миклашевского о том, что применение лазерных станков мощностью свыше 30 кВт приводит к разбалансировке технологической мощности и операционной эффективности — а не является само по себе управленческим решением, — разделяется полностью. Инвестиции в высокомощный лазерный комплекс без соответствующей технологической готовности производства действительно могут обернуться разочарованием. Авторам надо отдать должное за системный подход и конкретные цифры. Вопрос не в том, правы ли они — а в том, достаточна ли представленная рамка анализа для принятия решения при выборе заготовительной технологии?

Методологическое уточнение

В классической модели расчёта себестоимости операции резки учитываются: капитальные затраты и амортизация оборудования, электроэнергия, расходные газы, заработная плата оператора, расходные материалы и доля накладных расходов. Такая модель корректна для оценки стоимости машинного часа и себестоимости погонного метра реза. Именно в этих координатах плазменная резка выигрывает на толщинах свыше 20 мм, особенно по капитальным затратам. Так, по данным отраслевых исследований, стоимость часа работы лазерной установки составляет порядка 42 евро, плазменной — около 31 евро, газокислородной — около 22 евро [1]. И на больших толщинах при крупных партиях это различие в часовой ставке, помноженное на разницу в скорости реза, даёт значительный перевес плазмы.
Однако технологическая цепочка не заканчивается на рабочем столе раскройного станка. Деталь после резки, как правило, после плазменной или газопламенной резки, проходит через следующие операции:
— механическую обработку кромок (фрезерование, зачистку) при несоответствии допусков следующей операции;
— правку (в прессе, на вальцах или вручную) при короблении, вызванном высоким тепловложением;
— слесарную подгонку при сборке узла из нескольких деталей, так как накопленные позиционные отклонения при термическом расширении детали не позволяют выйти на допуски сборочного чертежа.
Совокупность этих затрат — применительно уже не к конкретной детали, а к сборочному узлу — может существенно изменить экономический баланс. Принципиально важно то, что перечисленные затраты не просто являются дополнением к себестоимости резки: они нередко превышают всю экономию на операции раскроя, притом являются менее очевидными при принятии решения о технологии заготовительного производства.

Три технологических фактора теплового раскроя

Каждый из трёх рассматриваемых ниже факторов: геометрическая точность и косина реза, состояние ЗТВ, тепловое коробление — является источником скрытых затрат в производственном цикле.
 

1. Точность станка не равна точности позиционирования

Рассматривая технические характеристики любого раскройного станка, мы в первую очередь обращаем внимание на такой параметр, как точность и повторяемость. И часто видим такие цифры у раскройных станков: ±0,1–0,3 мм. И кажется, что это и есть точность изготовленной детали. Однако эти параметры отвечают лишь за точность перемещения инструмента. И даже если учитывать радиус инструмента, точность всё равно будет определяться физическим процессом резки.
Любой термический процесс резки создаёт кромку, отклонённую от перпендикуляра к плоскости листа. ГОСТ Р ИСО 9013–2022 обозначает это отклонение параметром u — разность между положением верхней и нижней кромки. Следствие принципиальное: размер детали по верхней поверхности листа и размер той же детали по нижней поверхности — это разные числа. Даже если станок провёл головку с точностью 0,01 мм, деталь, извлечённая из станка, будет иметь разный верхний и нижний размер.
В ГОСТ Р ИСО 9013 имеется график и таблица, которые показывают стандартное качество реза, получаемое при допуске перпендикулярности и угла наклона u для толщины вырезаемой детали до 30 мм для разных технологий.

Количественное сравнение: данные из производственной практики

По данным базы технологических режимов резки ООО «ВПГ Лазеруан», для волоконного лазера 1,5 кВт на низкоуглеродистой стали значения u составляют: 
4 мм → 0,06–0,08 мм; 8 мм → 0,07–0,11 мм; 12 мм → 0,10–0,14 мм; 16 мм → 0,14–0,20 мм [2].
Для 20 кВт лазера на стали в режиме азота: 
12 мм → 0,15–0,20 мм; 16 мм → 0,25–0,30 мм; 20 мм → 0,25–0,40 мм; 30 мм → 0,35–0,60 мм [2].

Размерная точность детали, таким образом, лежит в диапазоне ±0,05–0,30 мм в зависимости от толщины и мощности — и это тот реальный допуск, с которым деталь приходит на сборку.
Для плазменной резки конусность кромки составляет 1–5° в зависимости от тока, скорости и состояния расходных элементов [1]. Пересчёт в параметр u: при угле 1° на металле 20 мм — u ≈ 0,35 мм; при 3° — u ≈ 1,05 мм; при 5° — u ≈ 1,75 мм. На толщине 40 мм те же углы дают u от 0,70 до 3,50 мм. Для газокислородной резки с характерным углом 2–5° на 40 мм — u от 1,4 до 3,5 мм. Это не погрешность измерения и не дефект конкретного станка — это физически неустранимый результат геометрии процесса. Деталь 40×40 мм, вырезанная из 30 мм стали плазмой, может иметь размер по верху 40,0 мм и по низу — 38,6–39,3 мм. Её сопряжённая деталь симметрична. Зазор в стыке — не равномерный, а клиновидный.
Важно подчеркнуть: при плазменной резке значение u нестабильно во времени. По мере износа электрода и сопла (типичный ресурс — 400–800 проколов в зависимости от тока и материала) конусность реза нарастает. Это означает, что партия деталей, вырезанная в начале смены и в конце смены, имеет разную геометрию — даже при неизменных программных параметрах. Лазерная резка этого недостатка лишена: расходный элемент (защитное стекло) при нормальном обслуживании не влияет на геометрию реза.

Серповидность: тепловая деформация контура в плоскости листа

Помимо косины кромки (параметр u) существует второй, принципиально иной вид геометрической погрешности детали — серповидность (отклонение от прямолинейности в плоскости листа). Механизм: в процессе реза металл у кромки интенсивно нагревается и расширяется — деталь в момент резки «растёт» в длину и ширину. При остывании происходит усадка, но неравномерная: кромка, пережившая наибольший нагрев, усаживается сильнее противоположной стороны. Результат — прямолинейный по программе контур приобретает дугообразный изгиб в плоскости листа, как лезвие серпа.
На рис. 1 представлены рисунки из форума сварщиков, которые обсуждают, каким образом этот дефект исправить. Интересно, что именно сварщиков беспокоит этот дефект, т. к. они сталкиваются с проблемой сборки и сварки таких деталей.
Для длинных деталей — балок, поясов ферм, стрингеров, стоек рамных конструкций — даже небольшая кривизна в плоскости листа нарушает геометрию сопрягаемого узла. Деталь длиной 2000 мм с серповидностью 1,5 мм в середине длины не ляжет в сборочный кондуктор без усилия. При серийной сборке это означает, что каждая такая деталь требует индивидуальной подгонки.
Для стандартизованной оценки ГОСТ Р ИСО 9013–2022 [4] нормирует отклонение от прямолинейности кромки как самостоятельный параметр качества реза. Лазерная резка при надлежащих режимах обеспечивает отклонение от прямолинейности, как правило, не превышающее 0,1–0,3 мм на 1000 мм длины кромки. Для плазменной резки типичный диапазон — 0,5–2,0 мм/м, для газокислородной — 1,0–3,0 мм/м.

Рис. 1. Результаты плазменной резки стали 092С толщиной 4 мм (ток 130 А, скорость резки 5550 мм/мин, газ О2  / воздух) [3]
 

Аддитивность допусков при сборке габаритных конструкций

Поднятие аддитивности допусков появляется при сборке многодетального узла, где позиционная погрешность каждой детали суммируется.
Рассмотрим типичный случай: сварная рама из 8 поперечин и 2 продольных балок, все соединения стыковые или нахлёсточные. Если каждая из 8 поперечин имеет позиционное отклонение по ширине 0,8 мм (типично для плазменной резки) и четыре из них определяют суммарное расположение конечного элемента — суммарное смещение может достичь 3–4 мм. Для рамы длиной 3–4 м это означает, что последний монтажный узел физически не встанет в проектное положение.
Производственный ответ на эту ситуацию хорошо известен в цехах: силовое натягивание (стяжка через такелажные цепи или винтовые стяжки), принудительная прихватка (деталь фиксируется прихватами в «чуть не том» положении с расчётом на усадку шва), слесарная подгонка по месту (подрезка угловой шлифмашиной). Каждая из этих операций — привычная часть производственного цикла на предприятии, работающем с плазменным или газокислородным раскроем. Эти операции снижают общую культуру работы и значительно увеличивают производственный цикл.
Для лазерного раскроя с качеством резки при сборке того же узла из 8 деталей суммарное позиционное отклонение не превышает 1,5–2 мм — узел собирается без принудительного натягивания.
Для крупногабаритных конструкций (пролётные секции, рамы спецтехники, секции корпуса судна) разница между «деталь встаёт» и «деталь не встаёт» — это разница между нормальным циклом сборки и многочасовым слесарным авралом.
Производственный пример (оценочный): изготовление сварной рамы длиной 4 м из 12 деталей толщиной 16 мм. При плазменном раскрое — дополнительные 2–4 ч слесарной подгонки и натягивания на сборку. При лазерном раскрое — сборка с первого захода без принудительных операций. При ставке двух слесарей 400 руб./ч и 50 рам в месяц — скрытая переплата 80 000–160 000 руб./месяц, не отражённая в стоимости резки при кратном замедлении выпуска продукции.

2. Зона термического влияния

Зона термического влияния (ЗТВ) при лазерной резке — область металла у кромки, в которой произошли структурно-­фазовые изменения без расплавления (рис. 2, 3). Лазерная резка при оптимальных режимах даёт ЗТВ шириной 0,1–1,5 мм на толщинах до 30 мм; при кислородной резке на 20–30 мм — 1,5–2,5 мм. Плазменная резка: 0,8–2,5 мм; газокислородная: 2,0–5,0 мм на тех же толщинах. По данным Andrés et al. (2016), зона с ухудшенными характеристиками пластичности после плазменной резки стали S460M по глубине существенно превышает лазерную [5].

Рис. 2. Микроструктура кромки стали S460M толщиной 15 мкм после резки. Верхнее изображение соответствует кислородной резке, среднее — лазерной резке, а нижнее — плазменной резке. 
Обычно это полосчатые микроструктуры [5]

Рис. 3. ЗТВ на толщине 35 мм при резке кислородом лазером 15 кВт. Сталь 09Г2С/Ст20. HAZ 198.6-1344 мкм [6]

ЗТВ лазерного реза переплавляется в зоне сплавления при сварке

Для корректной оценки значимости ЗТВ необходимо учитывать принципиальный физический факт: ЗТВ от лазерной резки, как правило, полностью переплавляется в зону сплавления при последующей сварке и прекращает своё существование как самостоятельная структура. Глубина проплавления при дуговой сварке (МИГ/МАГ, ТИГ, ручная дуговая) составляет от 1,5–2 мм при малых токах до 4–8 мм при многопроходной сварке. ЗТВ лазерного реза шириной 0,1–0,5 мм целиком попадает в объём расплавления первого прохода. Металлографически в готовом сварном шве унаследованная ЗТВ от резки не обнаруживается — она замещена ЗТВ сварного шва, которая является нормируемым параметром соединения, а не дефектом.
Практический вывод: применительно к большинству сварных соединений из конструкционных сталей толщиной 6–25 мм тезис о необходимости удаления ЗТВ лазерной резки перед сваркой методологически некорректен — удалять физически нечего, она исчезает в процессе сварки. Иная картина для плазменной резки: ЗТВ 1–2,5 мм и оксидная корка на кромке — величина, сопоставимая с глубиной корневого прохода. Именно поэтому требования к механической подготовке кромок практически актуальны для плазменной и газокислородной резки, но в большинстве случаев — не для лазерной.

Встроенная разделка кромки: фаска непосредственно в процессе резки

Дискуссия о подготовке кромок приобретает принципиально иной характер при учёте ещё одной возможности современных лазерных комплексов. Ряд систем оснащён поворотной режущей головкой с диапазоном наклона луча ±45–50° от вертикали. Это позволяет выполнять разделку кромки (фаску) непосредственно в процессе контурного реза — без переустановки детали, без отдельной операции фрезерования или строгания, без задействования отдельного станка.
Там, где технологический процесс требует V- или Y-образной разделки перед сваркой (характерное требование для соединений толщиной свыше 12–16 мм по ГОСТ 14771–76 [7]), лазерный комплекс с поворотной головкой выполняет разделку за тот же производственный такт, что и раскрой. Деталь покидает раскройный стол с уже готовой сварочной разделкой заданного угла и чистотой поверхности.
В системе TCO это переводит операцию фрезерования кромки из категории самостоятельного технологического перехода в категорию части операции резки. Исчезает межоперационный транспорт, установ на фрезерный центр, очередь и загрузка отдельного оборудования. При высокой серийности прирост машинного времени лазерного участка на разделку кромки оказывается значительно дешевле полноценной фрезерной операции. Там, где после плазменной резки требуется отдельный станок и отдельный рабочий, лазерный комплекс справляется в рамках одного технологического такта.

3. Деформации заготовок

Тепловое коробление заготовки — прямое следствие неравномерного удельного тепловложения в материал при резке. Механизм: кромка реза нагревается до высоких температур, прилегающая зона металла расширяется, при остывании возникают остаточные напряжения сжатия у кромки и растяжения в центре листа. Результат — деформация по оси Z: пропеллерное закручивание, «чашка», подъём углов.
Удельное тепловложение при лазерной и плазменной резке существенно различается. По данным технологических режимов «ВПГ Лазеруан» [2], для 20 кВт лазера на стали 16 мм (N₂, скорость 2,5–3,0 м/мин) энергопотребление составляет 0,28–0,33 кВт·ч/пог.м; для 12 мм — 0,10–0,14 кВт·ч/пог.м. Газокислородная резка на тех же толщинах работает на скоростях 0,3–0,6 м/мин при значительно более высоком тепловом потоке от горения металла, что многократно увеличивает суммарное тепловложение в заготовку. Плазменная резка занимает промежуточное положение, однако на толщинах 16–25 мм при токах 200–400 А также характеризуется существенным нагревом прилегающей зоны.

Практические последствия для производственного цикла носят каскадный характер. Первое: необходимость правки. Детали с отклонением плоскостности более 1,5–2 мм на погонный метр не могут быть сварены в кондукторе с нормальным зазором. Правка на прессе или вальцах — отдельная операция, требующая оборудования, времени и квалификации. При этом правка листовых деталей из малоуглеродистой стали нестабильна по результату: пружинение металла приводит к тому, что деталь необходимо «перегнуть» с запасом, и окончательная геометрия получается методом последовательных приближений.

Второе: принудительная сборка. Для крупногабаритных сварных конструкций: секций корпуса, мостовых пролётов, рам тяжёлой техники — покоробленные детали стягиваются в кондукторе с применением гидравлических прижимов и стяжек. Это сборочная операция, которую на предприятии нередко считают нормой работы. В системе TCO она является прямым следствием выбора технологии резки.

Третье: влияние на роботизированную сварку. Роботизированный сварочный комплекс работает с фиксированными допусками на положение кромок: как правило, ±0,5–1,0 мм в зависимости от типа соединения. Деталь с отклонением плоскостности 3–5 мм гарантированно выводит узел за пределы допуска: робот либо будет останавливаться по ошибке датчика, либо будет варить дефектный шов. Предприятия с плазменным раскроем и переходящие на роботизированную сварку в первую очередь сталкиваются именно с этой проблемой. Выход — либо приобретение системы адаптивного поиска шва, либо ручная правка (медленно), либо лазерный раскрой (системное решение).

Экономическая модель полного цикла

1. Почему прямые затраты на резку некорректны

В центре настоящей дискуссии — не вопрос о том, какая технология «лучше», а вопрос о том, что именно мы измеряем, когда сравниваем технологии. Прямые затраты на операцию резки — себестоимость машинного часа, умноженная на время реза, — это линейная функция от толщины материала и скорости процесса. В этих координатах плазма и газокислород на толщинах 20+ мм традиционно выглядят выгоднее. Однако затраты на последующие операции: подготовку кромок, правку, подгонку при сборке, обеспечение допусков сварки — являются нелинейной, возрастающей с толщиной функцией. Фрезеровка кромки 40 мм детали дороже фрезеровки 16 мм не вдвое — стоимость операции растёт быстрее, чем толщина: больше съём металла, ниже скорость подачи, выше нагрузка на инструмент. Правка покоробленной детали из 30 мм стали — это не «побольше усилия на прессе», а принципиально иная трудоёмкость по сравнению с правкой 10 мм листа. Подгонка при сборке толстостенных конструкций с клиновидными кромками (следствие косины реза) — часы, не минуты.
Именно это соотношение — линейный рост прямых затрат на резку и нелинейный рост затрат на последующие операции — делает TCO-анализ принципиально иным инструментом, чем сравнение погонных ставок. При малых толщинах нелинейный вклад последующих операций относительно невелик; при больших толщинах он доминирует. Это означает, что зона экономической целесообразности лазерной резки расширяется с ростом толщины — если рассматривать полный производственный цикл, а не только операцию раскроя.

2. Развитие технологии лазерной резки: сверхмощные лазеры

Отдельного рассмотрения требует динамика самой границы зоны лазера. До недавнего времени лазерная резка практически ограничивалась 25–30 мм конструкционной стали при мощностях до 15 кВт. Развитие волоконных источников изменило эту картину принципиально (рис. 4, 5).

Рис. 4. Лазерная резка титана толщиной 70 мм на мощности 30 кВт, скорость резки 0,25 м/мин, выполненная «ВПГ Лазеруан» [2]
 

Рис. 5. Лазерная резка стали толщиной 200 мм на мощности 100 кВт и график скоростей

Мощность лазерных источников в промышленных раскройных системах выросла с 5 кВт (2015) до 100 кВт (2020) — рост в 20 раз за 10 лет [8]. Промышленные источники мощностью 100 кВт коммерчески доступны с 2013 года [9, 10], однако для резки их не использовали в силу дороговизны, в 2025 году 150 кВт уже стали дешевле и их уже рекламируют именно для резки [11]. При мощности 40 кВт задокументирована качественная резка стали толщиной 230 мм [8].
Сам по себе факт резки 200 мм стали лазером не является значительным аргументом — газокислородный резак справится с этой задачей дешевле по прямым затратам. Аргумент состоит в другом: кромка после лазерной резки сохраняет принципиально иное качество, чем кромка после газокислородной резки: меньшую ЗТВ, меньшую серповидность, меньшую косину. Для детали толщиной 100–150 мм, подлежащей последующей сварке, это означает, что затраты на подготовку сварной кромки, которые при газокислородной резке обязательны и весьма значительны, при лазерной резке сокращаются или устраняются вовсе (рис. 6). Нелинейная составляющая TCO при таких толщинах огромна — и именно она делает экономически обоснованным применение дорогостоящего 40–100 кВт лазерного комплекса даже там, где газокислородная горелка режет дешевле по погонному метру.

Рис. 6. Примеры лазерной резки и сборки деталей мостов (диапазон толщины листов от 12 до 30 мм). 
Благодаря лазерной резке освоена безоснасточная сборка в шип-паз. Фото: АО «Воронежстальмост»

Заключение

Итоговая позиция данной статьи намеренно не содержит декларации победителя. Задача иная — сформулировать условия рационального выбора. Управленческое решение по выбору технологии раскроя должно опираться на расчёт полного производственного цикла детали, а не только на сравнение погонных ставок резки.

Литература

1. Вукелич Г., Визентин Г., Мраковчич С. Анализ стоимости и эффективности газопламенной, плазменной и лазерной резки // Proceedings in Manufacturing Systems. 2014. Т. 9. № 3. 
2. С. 151–156.
3. «ВПГ Лазеруан». База данных технологических режимов резки. Документ М 69–00036, рев. 01.  10.02.2025. (Внутренний документ.)
4. Технолог по сварке. Проблемы с прямолинейностью плазменной резки с ЧПУ [Электронный ресурс] // Вебсварка — всё о сварке: форум. 2014. 7 февраля.  URL: https://websvarka.ru/talk/topic/3832‑problemy-s-pryamolineynostyu-­plazmennoy-rezki-s-chpu/
5. ГОСТ Р ИСО 9013–2022. Термическая резка. Классификация термических резов. Геометрические требования на продукцию и допуски на качество.  М.: Стандартинформ, 2022.
6. Andrés D. et al. Characterization of heat affected zones produced by thermal cutting processes by means of Small Punch tests // Materials Characterization. 2016. Vol. 119. P. 35–47.
7. Технический отчёт «ВПГ Лазеруан» «Лазерная резка металлов: технология, оборудование, экономика».  2025. (Внутренний документ.)
8. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.  М.: Изд-во стандартов, 1979.
9. Sarrafi R., Jia J., Zhang J., Mendes M. Advances in cutting with ultrahigh-­power fiber lasers // Laser Focus World. 2022. 20 Sep. URL: laserfocusworld.com/laser-­processing/article/14282662
10. Bai W. et al. 100 kW ultra high power fiber laser // Optics Letters. 2022. 22 Aug. URL: researchgate.net/publication/362725266
11. Gapontsev V. et al. Industrial Grade 100 kW Power CW Fiber Laser // SPIE Proceedings. 2013. URL: researchgate.net/publication/263837544
12. Hong C., Li B., Sun Q. et al. Industrial grade 150 kW high power fiber laser with light-­pressure power measurement technology // Optics & Laser Technology. 2025. DOI: 10.1016/j.optlastec.2025.S1068520025003256

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2026