Как толщина металла влияет на выбор технологии резки

Металл режут для получения формовых заготовок, для демонтажа конструкций, для освобождения пострадавших в аварийных ситуациях, поэтому выбор — дело ответственное.

Резка —  разделение металлической заготовки на части с помощью термических, физических и механических методов. У разных технологий свои сильные и слабые стороны, которые проявляются в зависимости от толщины листов. Неправильный выбор приводит к ухудшению качества обработки. Поговорим подробнее о технологиях резки и разберёмся, какая толщина металла оптимальна для каждой из них.

Чем режут металл?

• Лазер
• Плазма
• Кислород
• Вода
• Диск и ножовка
• Гильотинные ножницы

Плазменная резка

Толщина металла. Тонкие и средние листы от 1 мм до 150 мм.

Технология. Плазма — это ионизированный газ, который проводит электрический ток. Газ ионизируется при температуре 5000-30000 °C при ускорении газового потока до скорости 1500 м/с в электрическом поле. Между двумя электродами или электродом и металлом образуется электрическая дуга, через которую пропускают пары под давлением. Плазменная струя прожигает материал и образует ровный срез.

Преимущества. Высокая скорость плазменной резки повышает производительность при массовом производстве. В процессе не используют взрывоопасные газы, поэтому риск для здоровья минимальный.

Ограничения. Материалы, которые разрезают с помощью плазмы, ограничены уровнем электропроводности: если металл низкопроводящий, то электрическая дуга не образуется. Без электропитания не удастся рассечь даже подходящую структуру. Металлу после плазменной резки необходима дополнительная обработка: ионизированный газ грубо прожигает детали, оставляя заусенцы и шероховатости, и нагревает материал, вызывая деформацию и снижение антикоррозийной стойкости. 

Лазерная резка

Толщина металла.  Тонкие и средние листы до 25 мм.

Технология. В основе лазерной резки — узконаправленное высокотемпературное воздействие на металл с помощью концентрированного луча света. Лазерный поток фиксирует точку на поверхности. В этом месте температура достигает до 2500 °C и металл испаряется и плавится.

Преимущества. Лазерную резку используют при серийном производстве из-за скорости и качества обработки. Луч достигает толщины от 0,1 до 0,5 мм, поэтому не деформируется при вырезании сложных форм. Металл не подвержен термическому влиянию, потому что поток света локализован. При наличии у станка дополнительных функций рассечение материала идёт параллельно с маркировкой или гравировкой для экономии времени.

Ограничения. Эффективность лазерной резки ограничена рабочим материалом. Медь, латунь и алюминий отражают свет, поэтому лазер не сможет их разрезать. Не отражающие свет поверхности тоже не всегда удаётся рассечь светом: металл предварительно очищают от ржавчины, масла, окалины, покрытий и неровностей. При этом резка тонких листов осложнена возможностью прожогов, а резка толстых листов — образованием шлака на нижней кромке.

Кислородная резка

Толщина металла. Средние и плотные листы от 10 до 300 мм.

Технология. Кислородная резка базируется на управляемом сжигании металла и проводится в два этапа:

1. Подогрев. Горелка подаёт смесь горючего газа (ацетилен, пропан, метан) и кислорода. Пламя нагревает металл до температуры воспламенения.
2. Сжигание. Сразу после этого на материал направляют струю чистого кислорода под давлением 3-12 атм. Нагретый металл воспламеняется и окисляется, образуя жидкую окалину, которую выдувают из зоны разреза. Тепло подогревает нижние слои, поэтому металл расходится по одной линии.

Преимущества. Кислородная резка не зависит от электропитания и может проводиться вдали от цеха: оборудование компактное и переносное. Конструкция резака интуитивно понятна, а расходные материалы (кислород и горючий газ) доступны.

При толщине 50-200 мм технология быстрее и дешевле альтернатив, поэтому подходит для массового раскроя толстых листов в сталелитейной промышленности. Сжигание не ограничено формой будущих деталей — можно вырезать сложные контуры и делать наклонные кромки.

Ограничения. Кислородом режут только углеродистую и низколегированную сталь. Из-за термического влияния на металл образуется окалина. В случае нержавеющей стали она тугоплавка и мешает дальнейшему горению. Неровную поверхность после кислородной резки шлифуют. Этот метод не подойдёт для вырезки сложных контуров и мелких фигур: ширина реза 2-5 мм, а точность — ±1-3 мм. Для резки тонких листов кислород и вовсе неэффективен, потому что прожигает и деформирует металл.

Водоструйная резка

Толщина металла. Тонкие, средние и плотные листы до 300 мм.

Технология. Смешанная с абразивом (например, гранатовый песок) вода разрезает металл под напором непрерывного микроскопического пескоструйного потока. Давление воды составляет до 6000 бар, а диаметр сопла — 0,1-0,5 мм. Смесь выходит из ёмкости со скоростью до 1000 м/с. Контур фигуры «вычерчивает» режущая головка.

Преимущества. Водоструйная резка подходит для серийного и единичного производства. Пескоструйный поток режет с точностью ±0,1 мм и не оставляет заусенцев и окалин. Вода не влияет на материал, поэтому металл сохраняет свои свойства. Ограничений на форму деталей и материалов нет: сопло двигается во всех направлениях, а вода под давлением разрезает даже многослойные материалы (например, металл и резину).

Ограничения. Главный недостаток водоструйной резки — влажность, вызывающая коррозию. Между этапами обработки детали сушат, чтобы не возникла ржавчина.

Скорость и гладкость — взаимоисключающие параметры технологии. Ровную кромку получают, снизив скорость подачи воды. При резке тонких листов (до 10 мм) стоит быть аккуратнее, чтобы избежать деформации металла. Медленная работа сокращает производительность резки. Неэффективны пескоструйные потоки и для вырезки маленьких отверстий: размер зависит от диаметра струи. По мере прохождения поток расширяется и теряет энергию — резка становится неточной (верхняя часть среза шире, чем нижняя).

Дисковая или ножовочная резка

Толщина металла. Тонкие листы до 25 мм.

Технология. Принцип дисковой резки металла заключается в том, что диск вращается со скоростью до 10 000 об/мин и разрезает металл из-за трения. Диски бывают абразивными (из связанных абразивных зёрен), твёрдоспильными (с зубьями из твёрдого сплава) и алмазными (с алмазным напылением).

Ножовкой режут вручную или на станке. В первом случае полотно с мелкими зубьями передвигают по поверхности металла, а во втором — замкнутое стальное полотно непрерывно скользит по направляющим швам.

Преимущества. Для работы с ножовкой и болгаркой не требуется специальная подготовка и настройка аппаратов. Инструменты можно переносить и использовать при проведении аварийно-спасательных работ.

Дисковую и ножовочную резку преимущественно осуществляют вручную, то есть без фиксации инструментов, поэтому возможна работа с объёмными конструкциями — профилями, трубами, арматурой. В дополнение к этому ножовка, в отличие от диска, работает холодным способом: нагрев металла и повреждения исключены.

Ограничения. Проблема дисков и ножовки — отсутствие фигурной резки: конструкция режущих инструментов не позволяет поворачивать лезвия в процессе. Существуют ограничения и по материалам. Так, медь и латунь «залипают» на полотне ленточной пилы, а нержавеющая сталь и алюминий перегревают абразивные диски.

Резка вручную неэффективна в крупной промышленности: шум и опасность сочетаются с затратами времени и износом инструментов. Быстро работать вручную не получится, потому что работа с ножовкой и диском требуют усилий, а ленточные полотна и абразивные диски придётся часто заменять — они стираются и рвутся. При этом в точности ручная резка уступает автоматической: болгарка легко отклоняется от линии и оставляет заусенцы и вмятины, которые придётся зачищать.

Резка гильотинными ножницами

Толщина металла. Тонкие листы до 15 мм.

Технология. Гильотинные ножницы похожи на канцелярские: верхний нож опускается на нижний и передает металл, который находится между лезвиями. Угол наклона составляет 0,5-2° и предотвращает «зажёвывание» листа. При сближении ножей металл сминается и равно разрушается по линии среза.

Преимущества. Механическая резка металла происходит без нагрева, поэтому нет зоны термического влияния — материал не деформируется и сохраняет структуру. Образование окалины и закалённой кромки критично для нержавеющей стали и алюминия. При высоком качестве заготовок (точность среза достигает ±0,1-0,3 мм) гильотинные ножницы просты в эксплуатации. Принцип работы конструкции интуитивно понятен и подходит для массового раскроя: один цикл резки занимает 1-5 секунд.

Ограничения. Гильотинными ножницами не получится вырезать сложные контуры: ножи не двигаются по кривой, работают как единый «лезвийный блок». Конструкция рассчитана на равномерное сжатие и срезание плоского материала, поэтому объёмные и полые конструкции для резки не подходят. Трубы, профили и прутки не лежат ровно и не контактируют с ножами по всей длине. Неравномерное давление сминает металл и конструкция выскакивает из зоны реза. В результате возможно «затупление» ножей, из-за которого даже на плоских листах появятся заусенцы и неровная кромка.

Автор материала

Александр Осенев

Начальник цеха металлообработки и резки металлопроката