Лазерная и плазменная резка металла: отличия и применение

Автор статьи: Кирилл Лебедев

Инженер робототехник, оператор станков с ЧПУ, основатель Tridecagram

Опубликовано: 2025-05-02 Обновлено: 2025-05-02

Текущий уровень развития человечества нам сильно диктует выбор материалов для удовлетворения неумолимо растущих потребностей. Вместе с жесткими требованиями к свойствам растет и потребность в их количестве. Собственно, возникает проблема - нам нужны прочные материалы, нам нужно их очень много и бесперебойно. К счастью, помимо потребностей растут и высокие технологии. Сырье в данном случае довольно очевидно, это металлы. Их много, среди них есть высокопрочные, мы умеем делать их в промышленных масштабах. Наиболее эффективными и современными технологиями для их обработки, чтобы поспеть за надобностью, являются лазерная и плазменная резка. На первый взгляд может показаться, что это две конкурирующие друг с другом технологии, но позвольте Вас заверить, все не так просто. И вопрос "что лучше плазменная или лазерная резка металла?" может остаться неотвеченным. Но не спешите уходить, я уверяю, прочитав статью, Вы для себя решите эту дилемму.

Статья будет состоять из следующих частей: мы познакомимся с каждой технологией по отдельности, поговорим о преимуществах каждой из них, соберем воедино критерии, по которым будем выбирать тот или иной метод, затронем довольно интересный комбинированный метод и подытожим все вышесказанное. Глубокого понимания каждой технологии не нужно, поверьте, но для правильного выбора между ними нужно важно разобраться в вопросе. Потому что от этого решения будет зависеть качество продукции и эффективность вашего производства

Хотелось бы отметить, что в этой статье будем обсуждать только оптоволоконные лазеры. Просто существуют еще CO2 лазеры, и в принципе, есть те которые и металл порежут. Но эффективность оставляет их вне конкуренции с волоконниками и из-за этого их применение сильно ограничено.

Волоконная лазерная резка это высокотехнологический метод обработки металлов, в основе которого лежит узконаправленный концентрированный поток света, генерируемый и доставляемый сквозь оптоволокно. Принцип работы заключается в том, что в специальной части излучателя, состоящей из особого оптического волокна, генерируется луч света длиной волны около 1064 нм. Почему именно эта длинна расскажу чуть позже. Что же особенного в этом волокне, производящей свет? Оно отличается тем, что состоит из нескольких слоев. В центре находится так называемая "легированная сердцевина", волокно с редкоземельным металлом (в основном иттербием). Именно в среде этого сердечника при возбуждении и генерируется нужный нам луч. Собственно это основное чем отличается лазерный станок от плазменного. Если интересно, есть неплохая статья на английском о принципах работы и конструкции оптоволоконников.

Конструкционно лазерные и плазменные станки имею много общего. Главное отличие, как отмечал чуть выше, это излучатель, где создается луч, лазерная головка, в которой происходит окончательное направление и фокусировка. Общими же чертами двух роботов являются: система передвижения головки, состоящая из сервоприводов и направляющих, отвечающих за точное позиционирование, блок управления с ПО, "чиллера" для охлаждения головки(вот это не всегда обязательно для плазмы, но тоже ставится), компрессор для поддува, вытяжка и рама, прочно обеспечивающая устойчивость всего. Все это в совокупности позволяет лазерной резке металла с высокой точностью превратить листы в заготовки практически любой формы с четкими и чистыми торцами.

Ключевые особенности процесса:

• Благодаря линзам оптической системы поток света фокусируется в тончайший луч диаметром 0.05-0.2мм с исключительно высокой плотностью энергии
• В точке соприкосновения в доли секунды образуется нагрев такого уровня, что происходит процесс плавление с последующим испарением металла
• Подача вспомогательных газов. Помимо удаления расплавленного металла из области реза, защищают, по необходимости, от окисления(азот), или плюсом работают как активный газ (кислород) усиливают термическую реакцию. Возможна работа со сжатым воздухом тоже, но его не так часто используют.
• Точность перемещения головы гарантирует чуткое соблюдения чертежей и загруженной программы реза

Оптоволоконные системы, в сравнении с CO2-аналогами, отличаются большей эффективностью (до 30-40%) при работе с металлами, даже с такими как медь и алюминий, которые очень хорошо отражают свет. Причина этого различия заключается в генерируемом луче, если быть точнее, в длине волны (те самые 1064 нм), которая лучше поглощается. Толщина лазерной резки современных оптоволоконников мощностью от 1 до 12кВт варьируется от 0.5 до 25мм при этом сохраняется высокая точность и минимальная зона термического влияния. Есть аппараты со значением в несколько раз выше (20-30кВт), но эти "монстры" предназначены для громадных промышленных заводов.

Плазменная резка в своей основе использует высокотемпературный ионизированный газ, также известный как плазма, четвертое агрегатное состояния вещества. В процессе работы совокупность электрической дуги высокой мощности и проходящей сквозь нее струи газа образуют ионизированный поток с температурой выше, чем на поверхности солнца(до 30т градусов цельсия). Если описать все это простыми словами: нужен газ, много электричество и все, околозвездный жар. Именно это отличие плазменной резки от лазерной делает ее более доступной, что позволяет этой технологии быть универсальным решением как для небольших мастерских, так и для больших производственных предприятий.

Сегодня плазменные станки с ЧПУ имею как высокую точность обработки, так и хорошие показатели производительности. Широкая линейка образцов имеют подходящую рабочую площадь для любых размеров заготовок. Благодаря высоким значениям скорости перемещения рабочей головки(до 160 мм/с) поддерживается высокий уровень продуктивности с широким спектров разных заготовок. Обычно станки идут с подшипниковыми направляющими, что положительно сказывается на точности передвижения и позволяет работать в условиях с повышенной влажности. В случае с большинством станков это важно, потому что часто используется так называемый "водяной стол". Представляет собой не глубокую (около 10см) емкость с ламелями наполненной водой.

Ширина реза является одним из важных аспектов чем отличается лазерная резка от плазменной. Оптоволоконные технологии позволяют получать очень точный и чистый рез, что важно с тонкими заготовками. Рез имеет +/-0.1 мм ширину в случае с лазером и существенно не колеблется от этого значение, в то время как у плазмы это может варьироваться от 0.8 до 2.5мм. Но, когда речь идет об обработке толстых заготовок, плазма выигрывает в скорости и соотношении цена/польза. И по этому они подходят для большинства производственных задач.

Основные преимущества лазеров:

• Гарантия соблюдения размеров вырезанных деталей
• Минимальная конусность реза - менее 1 градуса против 1-5 градусов у плазмы
• Позволяет сделать отверстия в заготовке в 2 раза меньше ее толщины.
• Минимум термического воздействия, так же при правильных настройках, отсутствие окалины
• Значительно высокая скорость на тонких листах

Плюсы плазмы:

• Возможность обработки толстых заготовок до 75мм, также есть промышленные установки способные резать толщину 150-200мм.
• Лучше в плане экономическом, оборудование меньше стоит
• Помимо возможности эффективно резать толстые заготовки, ощутимая скорость реза
• Хорошо отработанная технология обработки под углом

Что лучше, плазменная резка или лазерная, сильно зависит от Ваших задач и материалов, с которыми вы работаете. Помимо это этих двух параметров есть еще другие критерии, которые необходимо проанализировать, чтобы сделать правильный выбор:

Толщина листов

Практически определяющий критерий выбора. Волоконники доминируют и в скорости, и в точности и в качестве реза, когда дела касается материалов до 20-25 мм в толщину. И есть обратная зависимость между качеством/скоростью и толщиной, чем тоньше заготовка, тем выраженнее преимущества. Когда идет речь о толщине выше 25мм, лазер становится не выгодным решением с финансовой точки зрения, либо придется жертвовать временем и качеством. Как писал выше, есть решения способные резать 25мм+(до 80мм), просто стоят они десятки миллионов. Тут и приходит время плазменных станков. Их высокая эффективность и экономическая целесообразность оставляет вне конкуренции при больших толщинах.

Требования к точности и качеству

Другой также определяющий параметр для выбора. Если мы говорим о "черновой работе" и вы уверены, что вырезанные изделия все равно будут подвержены постобработке, то выбор это плазменная установка. Когда же у конечного продукта жесткие требования к качеству и необходим высокоточный результат, то только лазеры. Отличия лазерной и плазменной резки металла в данном случае это - точность размеров (у лазера до +/-0.1мм), конусность реза(у плазмы может достигать 5 градусов) и, напоследок, шероховатость торцов, тут выигрывают оптоволоконники.

Тип обрабатываемого материала

Вообще, учитывая природу плазмы, так получается, что можно резать только проводящие ток материалы. В данном случае это и не проблема, это то, что нас интересует. Но мы сравниваем две технологии, и может возникнуть мысль, свету безразлична проводимость, тут преимущество, можно резать все! Но, "не все так безоблачно". Выше, описывая принцип работы волоконников, мы затронули длину волны света(1064нм), и, как оказывается, при этом значении эффективно резать металлы, остальное тоже можно резать, но "деньги на ветер" или "из пушки по воробьям". Я уверен вы поняли о чем я. Собственно, в этом плане нет существенной разницы плазменной резки и лазерной резки в выборе группы, но есть нюансы внутри этой группы. Лазерная резка идеально подходит для обработки нержавеющей стали, алюминия, латуни и других цветных металлов, где важно качество кромки и отсутствие окисления. Даже высокоотражающие металлы подходят для работы, медь к примеру. Плазму же хорошо использовать с черными металлами. В производстве с ними меньше хлопот из-за краев, не страшно наличие окалины или ржавчины. Вследствие большой области контакта плазмы - выше термическое воздействие, это важно учитывать, если этого воздействия должно быть минимум.

Объем производства и разнообразие задач

Из выше описанных пунктов, можно смело делать вывод, что лазерные и плазменные технологии не являются прямыми конкурентами, они покрывают довольно разные потребности. Если говорить об идеальном варианте и желании покрыть все "рынки сбыта", на производстве нужно и то и другое. Так вы сильно увеличите гибкость вашего производства, что позволит вам рационально и качественно распределять приходящие заказы и закрывать весь спектр нужд клиентов. Но мир не идеален, бюджеты ограничены, нужно делать выбор. Для небольших предприятий с ограниченными средствами и специализацией на определенном типе продукции более рациональным будет остановиться на одной из технологий, наиболее соответствующей основным производственным задачам.

Бюджет и экономическая эффективность

Выше этот аспект немного затрагивался. Оптоволоконники стоят очень дорого, разница с плазменными аналогами может достигать 5-10 раз(как уже писал есть станки стоимостью десятки миллионов). В этом плане с плазмой первоначальные затраты сильно ниже. Но Вы же покупаете оборудование не для того чтоб оно стояло и красовалось в помещении, хотя лазеры бывают такие красивые, что и трогать не хочется, но не об этом сейчас. Это все куплено, чтоб приносить пользу, а следовательно, оно должно работать. Обе технологии требуют того или иного обслуживания, есть расходники, начиная от газа для реза, заканчивая деталями для замены. В этом плане лазеры имеют преимущества, их оптическая система не требуют частых замен и может долго служить. В то время как для плазмы очень часто придется покупать электроды и сопла. Да и расход газа у выше, если говорить об одинаковых толщинах. Еще хотелось бы добавить про ремонт, в этом плане балл зарабатывает плазма. Его источник имеет большую ремонтопригодность, да и стоит меньше, в то время как у его "оппонента" это "влетит в копеечку".

В конечном итоге, правильный выбор должен основываться на тщательном сравнении лазерной и плазменной резки металла, анализе конкретных производственных потребностей, типа и толщины обрабатываемых листов, требований к качеству и точности, а также доступного бюджета. Оба метода имеют свои преимущества и ограничения, и понимание этих факторов поможет принять оптимальное решение для вашего производства.

Расчет лазерных работ онлайн вы можете сделать при оформлении заказа в личном кабинете. Обращайтесь по телефону +7 (495) 003-62-73. Пишите нам на почту tridecagram@ya.ru

Интересным технологическим решением является комбинация лазера с электрической дугой. При таком методе дуга располагается с противоположной от лазерного луча стороны, что предотвращает повреждение верхней кромки реза и способствует лучшему удалению расплава из канала реза. Такое расположение также обеспечивает более стабильную работу дуги. Благодаря разогреву с обратной стороны, пучку света намного легче пройти сквозь. Так можно ускорить процесс реза до 2-3 раз. Этот метод можно действительно назвать плазменно лазерной обработкой. Но это крайне специфическое оборудование

Основные преимущества комбинированной лазерно-дуговой резки:

• Увеличение скорости по сравнению с обычной лазерной резкой
• Уменьшение ширины реза благодаря повышенной скорости обработки
• Сокращение зоны термического влияния
• Улучшенное удаление расплава из зоны реза

При этом важно отметить, что качество реза не ухудшается до тех пор, пока мощность дуги примерно соответствует лазерной мощности. При превышении максимальной суммарной мощности скорость достигает предела и качество начинает снижаться из-за увеличения количества грата на обратной стороне заготовки.

Дойдя до этой части статьи, я уверен, вы согласитесь со мной, что на поставленный вопрос в первом абзаце, действительно нет ответа. Потому что выбор между лазерным и плазменным станком зависит от конкретных задач вашего производства. Лазеры исключительно хороши для высокой точности, режут практически без отклонений с чистыми и острыми краями без облоя. Идеально подходит для тонких материалов и для деталей со сложным контуром, где важна прецизионность. Плазма же в свои очередь, более демократична к бюджету, оборудование сильно ниже стоит, лучший выбор для толстых металлов. Если подытожить, то просто купите оба и не будет у Вас проблем. Как говорится, зачем мучиться и выбирать, лучше взять оба=)