Параметры лазерной резки металла: как мощность, скорость, газ и фокус работают в связке

Параметры лазерной резки металла — это не набор независимых настроек. Это система: мощность, скорость, вспомогательный газ, положение фокуса и характеристики материала работают в связке, и результат определяется балансом между ними.

Неправильно выставленные параметры дают конкретные дефекты: грат и шлак снизу, оплавление кромки, конусность реза, перегрев и деформацию. Каждый из этих дефектов — следствие нарушения баланса в системе, а не случайность.

В этой статье разберем, как работает каждый параметр, почему он влияет на рез именно так, и что происходит, если выйти за пределы оптимального диапазона. Плюс — справочные таблицы скоростей резки для четырех материалов на двух типах газа.

Эти параметры не работают по отдельности. Изменение любого одного требует проверки остальных — иначе система выходит из баланса и рез ухудшается.

Технология лазерной резки строится на трех этапах: формирование луча, фокусировка и подача газа. Источник создает когерентное излучение, оптика собирает его в пятно диаметром 0,1-0,3 мм. Плотность энергии в этой точке такая, что металл мгновенно переходит в расплав или пар. Газ из сопла выдувает разогретый материал вниз, под заготовку.

Режущая голова движется по контуру по G-коду. Скорость резки зависит от толщины материала: чем толще лист, тем медленнее идет резка.

Мощность — это количество энергии, которое лазер вкладывает в металл за единицу времени. Чем толще материал, тем больше энергии нужно для его полного проплавления. Именно поэтому для каждой комбинации «материал + толщина» существует рабочий диапазон мощности: ниже него — рез не получится или будет экономически нецелесообразным, выше — качество кромки ухудшится.

Слишком высокая мощность при тонком металле дает перегрев: кромка оплавляется и расширяется, тонкие детали деформируются, рез становится широким и неровным.

Слишком низкая мощность при толстом металле означает, что лазер не успевает проплавить металл насквозь. Результат — неполный прорез, шлак и грат снизу, большой расход газа при низкой скорости.

Несколько практических ориентиров, которые показывают логику подбора:

Мощность — это не «больше = лучше». Есть оптимальный диапазон для каждой комбинации материал + толщина, и выход за его пределы в обе стороны ухудшает результат.

Скорость резки — это то, как быстро режущая головка движется по материалу. Для каждой комбинации «мощность + материал + толщина» существует диапазон скорости, при котором рез получается качественным. Выход за пределы этого диапазона в любую сторону дает дефекты.

Слишком высокая скорость: лазер не успевает вложить достаточно энергии в металл. Итог — неполный прорез, грат снизу, шлак в разрезе. В ряде случаев рез прерывается.

Слишком низкая скорость: металл получает избыток энергии. Кромка оплавляется и расширяется, появляется окалина, увеличивается зона термического влияния (ЗТВ). На тонком металле возможна деформация детали.

Три примера, которые показывают, как мощность и толщина задают рабочую скорость:

Скорость и мощность всегда рассматриваются вместе. Поднял мощность — можно поднять скорость. Снизил мощность — скорость придется снизить тоже.

Газ выполняет две задачи: выдувает расплавленный металл из зоны реза и защищает кромку от окисления. Тип газа определяет и физику процесса, и качество кромки, поэтому его выбор напрямую зависит от материала.

Кислород используют при резке углеродистой стали (черного металла). Причина — химическая: кислород вступает в экзотермическую реакцию с расплавленным металлом и сам выделяет дополнительное тепло в зоне реза. Это ускоряет процесс и позволяет резать толстый металл при относительно невысокой мощности лазера.

Обратная сторона этой реакции — окисление кромки. На срезе образуется тонкая оксидная пленка — синеватый или коричневатый налет. Для большинства конструкционных применений это не критично, но если после резки планируется сварка или покраска, кромку нужно зачищать.

Давление: как правило, 0,5-1,5 бар. Избыток кислорода недопустим — может вызвать неконтролируемое горение металла и прожоги.

Азот — инертный газ, он не вступает в реакцию с металлом. Его задача — выдуть расплав из зоны реза и защитить кромку от окисления. В результате кромка получается чистой, светлой, без оксидной пленки. Такую деталь можно сразу сваривать или красить без дополнительной обработки.

Давление: высокое — от 6 до 25 бар и выше, в зависимости от толщины и мощности. Чем толще металл, тем выше давление нужно для качественного выдува расплава.

Важный нюанс: азот не добавляет энергии в рез — поэтому при резке азотом скорость обычно ниже, чем при резке кислородом на той же мощности, а требования к мощности выше. Резать толстую нержавейку (от 10 мм) азотом на маломощном станке, как правило, нецелесообразно.

Воздух содержит около 21% кислорода и 78% азота — по сути, компромисс между двумя основными газами. Он дешевле (компрессор вместо баллонов), но качество кромки хуже: окисление есть, хотя и меньше, чем при кислороде.

Применяется на углеродистой и нержавеющей стали небольших толщин (до 6-8 мм) и алюминии в производствах, где важна экономия расходников и не предъявляются высокие требования к чистоте кромки. На тонких листах (1-3 мм) воздух дает вполне приемлемый результат.

Аргон используют при резке титана и ряда специальных сплавов. Как инертный газ он еще плотнее вытесняет кислород из зоны реза по сравнению с азотом — это важно там, где азот может вызвать нежелательную реакцию с металлом, например нитридообразование в титане. Случай специфический и встречается значительно реже, чем работа с кислородом или азотом.

Лазерный луч имеет форму конуса, который сужается до минимального диаметра в одной точке — это и есть фокус. Именно в точке фокуса концентрация энергии максимальная. Смещая эту точку вверх или вниз относительно поверхности металла, оператор меняет, как именно энергия распределяется по толщине материала.

Нулевой фокус — точка минимального диаметра луча совпадает с верхней поверхностью металла. Используется как базовое положение, чаще всего для тонких металлов.

Позитивный фокус (ПФ) — точка фокуса находится выше поверхности металла. Луч уже начал расширяться к моменту входа в металл, поэтому в зоне реза пятно чуть шире. Это полезно при резке кислородом углеродистой стали средних и больших толщин: более широкое пятно помогает лучше выдуть расплав из глубокого реза.

Негативный фокус (НФ) — точка фокуса находится ниже поверхности металла, внутри или под ним. Луч сужается уже в глубине реза. Применяется при резке нержавеющей стали, алюминия и при высокой мощности (от 6-12 кВт): луч как бы «расклинивается» в глубину, что дает более высокую скорость резки толстых материалов.

Фокус слишком высоко (излишне позитивный): мощность в точке реза недостаточна, рез неровный, возможен неполный прорез и конусность.

Фокус слишком низко (излишне негативный): перегрев верхней кромки, оплавление, широкий рез.

Толщина металла — главный фактор, от которого отталкиваются при выборе всех остальных параметров. Чем толще материал, тем ниже скорость, выше мощность и выше давление газа. Именно с толщины начинается подбор режима.

Теплопроводность материала определяет, как быстро тепло уходит из зоны реза — и насколько интенсивно нужно его вкладывать.

Ржавчина, окалина, масло, лакокрасочное покрытие — все это влияет на качество реза. Загрязненная поверхность поглощает лазерное излучение нестабильно и может дать непредсказуемый результат: неровную кромку, шлак, прерывистый рез. По нашему опыту, даже небольшое замасливание листа заметно ухудшает стабильность реза на тонком металле.

Параметры лазерной резки — это не независимые ручки, каждую из которых можно крутить отдельно. Это система, где каждый элемент влияет на другие. Грубо говоря, это баланс между вложенной энергией (мощность, газ, фокус) и скоростью ее потребления (скорость резки, теплопроводность материала).

Пока система в балансе — рез получается чистым. Как только один параметр выходит за рабочий диапазон, а остальные остаются прежними, появляется дефект. Именно поэтому при изменении любого параметра нужно проверять, не вышла ли система из баланса.

Пример 1 — подняли скорость, не подняли мощность. Лазер не успевает вложить достаточно энергии. Результат: неполный прорез, грат снизу, шлак в разрезе.

Пример 2 — подняли мощность, не подняли скорость. Металл получает избыток энергии. Результат: перегрев, оплавление и расширение кромок, широкий рез, деформация тонких деталей.

Пример 3 — правильные мощность и скорость, но низкое давление газа. Расплав не выдувается из зоны реза. Результат: шлак и грат снизу, неровная нижняя кромка, в тяжелых случаях — залипание расплава и повреждение сопла.

Таблица режимов — это справочник, который фиксирует рабочие диапазоны для конкретных комбинаций: материал + толщина + мощность + тип газа. Она задает исходную точку, от которой оператор двигается в зависимости от конкретных условий. Не норматив — отправная точка.

Таблица режимов — это справочник, который фиксирует рабочие диапазоны для конкретных комбинаций: материал + толщина + мощность + тип газа. Она задает исходную точку, от которой оператор двигается в зависимости от конкретных условий. Не норматив — отправная точка.

Таблица режимов — это справочник скоростей для конкретной комбинации: материал + толщина + мощность лазера + тип газа. Оператор находит нужный блок, нужную строку мощности и нужный столбец толщины — и получает рабочий диапазон скорости, от которого начинает настройку.

Данные в таблицах — отправная точка, а не жесткий норматив. Реальные параметры зависят от конкретного станка, лазерной головки, качества газа и состояния металла. Именно поэтому значения даны диапазоном: оператор начинает с середины и подстраивает по результату.

Таблицы разделены на два блока: резка на газах (кислород для углеродистой стали, азот для нержавейки, алюминия и латуни) и резка на воздухе (сжатый воздух как бюджетная альтернатива). Это разные режимы с разным качеством кромки.

Нужно порезать нержавеющую сталь толщиной 3 мм на станке 3 000 Вт с азотом. Открываем блок «Нержавеющая сталь (азот)», находим строку «3 кВт», столбец «3 мм» — видим значение 10 м/мин. Начинаем с него, смотрим на кромку, при необходимости корректируем.

В таблице углеродистой стали на кислороде каждая строка мощности разбита на две подстроки — ПФ и НФ. Это особенность режима резки углеродистой стали кислородом: положение фокуса здесь играет существенную роль и указывается отдельно. Данные по НФ для мощностей 6 кВт, 3 кВт и 1,5 кВт в технической документации отсутствуют — строки оставлены пустыми.

ПФ — позитивный фокус (выше поверхности металла), НФ — негативный фокус (ниже поверхности металла). Подробнее о фокусе — в разделе выше.

Справочный характер данных. Качество пластины, чистота газа, состояние оптики и настройки конкретного станка влияют на результат. Параметры из таблицы не могут служить основой для контроля качества — они служат стартовой точкой для подбора режимов.

Резка на воздухе — экономичный режим: скорость на тонких металлах сопоставима с резкой на газах, но качество кромки ниже из-за окисления. Применяется там, где к кромке не предъявляются высокие требования по чистоте и внешнему виду.

Справочный характер данных. Качество пластины, чистота газа, состояние оптики и настройки конкретного станка влияют на результат. Параметры из таблицы не могут служить основой для контроля качества — они служат стартовой точкой для подбора режимов.

Таблица одинаковая, а результат на разных станках будет разным. У разных станков разные лазерные головки, источники, состояние линз и сопел, геометрия балки. Один станок дает 1,5 м/мин на определенном режиме с чистой кромкой, другой на тех же цифрах — шлак снизу. Таблица задает диапазон, а конкретное значение подбирается под конкретное оборудование.

При работе с незнакомым материалом или новой толщиной стоит начинать с середины диапазона скоростей, делать пробный рез и оценивать кромку: есть ли грат, окалина, насколько ровная нижняя кромка. Только после этого имеет смысл корректировать параметры. Результат зависит от условий, поэтому подход к каждому новому материалу обычно требует нескольких пробных резов. Все таблицы режимов и ключевые параметры собраны в Параметры лазерной резки металла (PDF)[2]  — удобно держать под рукой у станка.

Скорость зависит от теплопроводности материала и типа газа. Алюминий быстро отводит тепло от зоны реза — это требует либо снижения скорости, либо повышения мощности по сравнению с нержавейкой той же толщины. Нержавейка, напротив, концентрирует тепло в зоне реза — это позволяет работать на более высокой скорости. Углеродистая сталь на кислороде получает дополнительное тепло от экзотермической реакции — поэтому ее скорость резки выше, чем нержавейки на азоте при той же мощности.

Технически — да, но кромка получит оксидную пленку, как на углеродистой стали. Для большинства применений, где нержавейка используется из-за коррозионной стойкости или требований к внешнему виду, это неприемлемо. В ряде случаев, когда к кромке нет требований (например, деталь уходит под сварку с последующей зачисткой), резка нержавейки кислородом применяется — это позволяет работать на более высокой скорости. Стандартный выбор для нержавейки — азот.

Грат после смены партии — распространенная ситуация. Разные партии одного материала могут отличаться по составу, состоянию поверхности и точной толщине листа. Первый шаг — проверить фактическую толщину листа: даже небольшое отклонение (например, 10 мм вместо заявленных 9,5 мм) меняет режим. Второй шаг — оценить состояние поверхности: наличие окалины или масла нестабильно меняет поглощение лазера. Если параметры не изменились, а грат появился — начинают с небольшого снижения скорости или повышения давления газа.

Алюминий имеет значительно более высокую теплопроводность: он быстро отводит тепло от зоны реза, и лазеру нужно вкладывать больше энергии, чтобы поддерживать расплав. Нержавейка держит тепло локально — поэтому режется быстрее при меньшей мощности.